基于BIM技術的水電站地下洞室定位關鍵塊體分析方法

楊東升,費秉宏,孫春華

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

隨著中國水電資源的開發，近幾年基本以西南高海拔地區的常規水電建設和抽水蓄能電站建設為主。西南地區多高山峽谷，區域構造復雜，地震烈度高，故一般以地下發電廠房建設居多；而抽水蓄能電站一般水頭較高，機組的吸出高度較大，發電廠房也以地下為主。地下洞室的穩定性保證尤為重要，而施工期塊體的穩定保證也是工程建設的重中之重。

1985年Goodman R E與石根華正式提出塊體理論(Block Theory)[1]，該理論得到了國際巖石力學界廣泛的推崇并衍生出了多種多樣的分析方法。加拿大多倫多大學E Hock等人依據石根華塊體理論開發研制的Unwedge程序，具有界面友好，使用方便，可進行交互式操作的特點；同濟大學張子新等人研究了赤平解析法在硐室穩定分析中的應用并用FORTRAN編制了計算軟件[2]；武漢大學鄔愛清等人提出了應用巖石塊體理論進行三維隨機塊體幾何搜索的方法，為工程支護分析提供了依據[3]；國防科技大學呂徽等人基于塊體理論研發了科學計算可視化系統，提出以模塊化的結構為骨架，結合FORTRAN強大的計算能力實現了特定領域的計算可視一體化[4]；石廣斌等人研究了大型地下洞室圍巖定位塊體的快速生成及穩定分析方法，利用ANSYS的面、體運算功能確定地下洞室圍巖定位塊體，基本能夠快速解決大型地下洞室圍巖中定位塊體規模確定、穩定性分析與錨固設計體大小[5]。以上研究成果一方面在研究過程中均假定所形成的塊體為四面體，與工程實際有一定差異；另外一方面，工程人員在設計過程中需要復雜的數學幾何知識、缺乏空間直觀性，導致工程設計人員實際應用困難；再者由于目前相關商業軟件通用性較差，不利于工程技術人員推廣應用。本文基于BIM設計軟件具有可視性、直觀性、參數驅動性，針對水電站地下洞室特點，提出一套適合工程技術人員的定位關鍵塊體分析方法，為提高現場服務的響應速度，保證工程建設安全提供支撐。

1 基于BIM的水電站地下洞室定位塊體分析方法

建筑模型信息化BIM(Building Information Modeling)，核心是通過建立虛擬的建筑工程三維模型，利用數字化技術，為這個模型提供完整的、與實際情況一致的建筑工程信息庫。BIM雖然起源于建筑工程，但已經廣泛應用于巖土、工業廠房、機電設備等各領域，并貫穿于工程設計、建造、管理等全過程。基于BIM的地下洞室定位塊體分析就是利用BIM軟件可視化的特點，準確模擬結構面與建筑物的相對關系，運用設計人員熟悉的作圖方法快速生成關鍵塊體，并融合成熟的分析方法判斷塊體的穩定狀態，進而為塊體的補充支護提供合理的依據。基于BIM的地下洞室定位塊體分析方法如下所述。

1.1 結構面規范化處理及關鍵塊體初判

結構面的信息一般包含走向、傾向、傾角、抗剪斷參數f′、黏聚力c′、開合度、充填物性狀等，由于走向不能唯一的表達結構面的空間形狀，故為作圖及分析方便以傾向角來表征結構面的方位信息，為在BIM軟件中準確做出結構面，還需要提供結構面與建筑物的交點，本處統一取結構面和廠房軸線的交點，其它信息一并錄入系統。表1為整理的結構面信息示例。

表1 結構面規范化處理示例

由相關文獻可知，若由結構面和臨空面共同組成的塊體為有限，而僅由結構面構成的裂隙塊體為無限，則該塊體為可動；若由結構面和臨空面共同構成的塊體為有限，而僅由結構面構成的裂隙塊體亦為有限，則該塊體為不可動[6]。在洞室開挖后，地質專業人員會實時編錄斷層、裂隙等結構面信息并制作成素描圖、平切圖等，而平切圖較赤平投影圖更加準確的描述了結構面出露的位置，更具工程實用性。以圖1所示的地下洞室頂拱高程結構面平切圖為例，圖中箭頭所指方向為結構面傾向，由幾何判斷可知由L1、L2、L3、L4結構面與頂拱開挖面所形成塊體有限，僅由L1、L2、L3、L4結構面所組成塊體為無限，故初步判斷該塊體可動，由L2、L3、L5結構面與頂拱開挖面所形成塊體有限，而由L2、L3、L5結構面所形成塊體亦為有限，故該塊體為不可動。根據以上思路，工程人員只需根據平切圖進行初判，找出可動塊體。

1.2 地下洞室及結構面BIM模型快速建立

上節已經根據初判找出了可動塊體，但塊體是否存在還需通過幾何作圖進一步確認。首先通過作圖軟件做出地下洞室及結構面的BIM模型。本處應用Catia軟件的參數化，模板化功能快速建立地下洞室及結構面的模型，參數化、模板化方法此處不予詳述。圖2為參數化建立的地下洞室BIM模型、圖3為調用模板生成的結構面BIM模型。

1.3 定位關鍵塊體的生成

有了地下洞室及結構面的BIM模型后，即可通過作圖方法做出由結構面與開挖臨空面所構成的塊體。因地質平切圖只表達了結構面的位置、走向、傾向等信息，并未反應傾角信息，故通過作圖方法切割不出相應塊體的，則認為初步判斷的可動塊體不存在。圖4為通過幾何作圖方法切割形成的關鍵塊體。應用BIM軟件的測量功能，可以很容易得出塊體體積、高度、底面積等信息。

1.4 塊體穩定性分析

塊體失穩形式有垮落型(懸吊型塊體)、滑移型(單面滑動和雙面滑動)等類型，采用剛體極限平衡法計算圍巖塊體穩定時，塊體穩定安全系數可按下列方法計算:

(1) 懸吊型塊體

K=Pv/G

(1)

(2) 單面滑動塊體基本組合

(2)

(3) 雙面滑動塊體基本組合

(3)

(4)

(5)

根據切割出的關鍵塊體形狀，可以很容易判斷屬于哪種類型的破壞模式。運用合適的公式可以快速計算出無支護情況下的安全系數，對照NB/T 35090—2016《水電站地下廠房設計規范》對于塊體穩定最小安全系數的要求，若不滿足可以施加支護措施。利用BIM軟件(本文應用Catia軟件)的參數化功能，可以直接繼承組成關鍵塊體的結構面信息，并將相關穩定計算公式嵌入軟件中，即可在BIM軟件內完成關鍵塊體的作圖及計算分析。

1.5 塊體支護設計

對于安全系數不滿足要求的塊體，應當增加支護措施。一般在地下洞室的設計中都會有系統錨桿、預應力錨索/錨桿或錨筋樁等，在計入系統支護后仍需增加支護措施的應當合理考慮新增支護的布置。基于BIM進行塊體穩定分析后，可以很容易將塊體的形狀投影至平面，將投影與支護圖疊加分析后，可以合理確定所增加支護措施的位置，減少現場施工的沖突。圖5為塊體的投影與開挖支護圖的疊加，在圖中可以更有針對性的進行支護設備布置。

2 工程實際應用

陜西鎮安抽水蓄能電站位于陜西省商洛市鎮安縣月河鎮東陽村鏡內，電站裝機容量1 400 MW，為地下廠房。系統布置在右岸，采用尾部式布置，由地下廠房、主變洞和尾閘洞組成，地下廠房、主變洞和尾閘洞平行布置，廠房軸線方位為NW300.66°。地下廠房尺寸為176.5 m×25.5 m×56.5 m(長×寬×高)，拱頂開挖高程為878.00 m，底部高程820.50 m。2019年9月份完成了地下廠房第一層中導洞的開挖，12月份完成了第一層的擴挖，為保證廠房頂拱的穩定。根據地質編錄情況，中導洞開挖后有27組結構面出露，第一層開挖后有88組結構面出露，設計人員按照前述方法及時對塊體的穩定性進行了分析。初步判斷有24組可動塊體，經過BIM作圖及計算分析后，確認有10組安全系數不滿足要求的塊體，表2為廠房頂拱關鍵塊體計算分析的安全系數及需要增加的支護措施，圖6為廠房頂拱關鍵塊體分布情況。結合表2及圖6分析，有些塊體雖然為垮落型，但其跨越中導洞或局部在中導洞提前出露，故在開挖中并未直接掉落，這也說明施工中先開挖中導洞，完成中導洞頂部的支護后再進行擴挖的施工安排是合理的。目前鎮安地下廠房頂拱已經首層的開挖驗收，無任何塊體穩定問題，洞頂穩定良好。

表2 地下廠房頂拱塊體分析

3 特點分析

3.1 優 點

傳統的塊體分析方法或程序大多以四面體為研究對象，且塊體的位置具有不確定性，難以在施工期應用。采用本方法搜索塊體更加直觀，找出的塊體形狀更符合工程實際，位置更具體，便于確定支護措施。該方法更符合工程人員的習慣，可提高現場服務的響應速度，保證工程安全。

3.2 不 足

該方法需要結合雜亂無序的地質編錄資料及平切圖進行塊體可動性的初步分析，需要分析人員具備一定的專業知識。此外該方法需要應用BIM軟件切割出關鍵塊體，需要工程人員具備一定的BIM軟件操作技能。

4 結 論

(1)本文結合BIM軟件可視性、直觀性、參數驅動性的特點，提出了結構面規范化處理的方法，結合現場編錄資料，可快速做出關鍵塊體的三維體型。

(2)根據切割出的關鍵塊體形狀，可以很容易判斷屬于哪種類型的破壞模式。結合NB/T 35090—2016《水電站地下廠房設計規范》對于塊體穩定最小安全系數的要求，可以快速進行滑動力、支護力的計算。

(3)采用本方法可以很容易將塊體的形狀投影至平面，將投影與支護圖疊加分析后，可以合理確定所增加支護措施的位置，減少現場施工的沖突。

(4)通過水電站地下洞室定位關鍵塊體分析，將BIM技術的應用與工程實踐做了有益的結合，提高了現場服務的響應速度，為地下洞室的現場服務提供了新的思路和方法，可供類似工程參考。