王 皓，李崇标，刘云鹏

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

基于地质BIM的叶巴滩水电站深卸荷分析

王 皓，李崇标，刘云鹏

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

BIM技术作为一种新技术在建筑等领域已被广泛应用，并引领众多行业的发展， BIM相关技术也能将给地质勘测设计手段及方法带来了革新。本文以BIM技术为分析手段，以叶巴滩水电站深卸荷为分析对象，探索BIM在水电工程地质中对地质体复杂数据的处理与管理，地质分析认识过程同步于面模型的构建过程，分析过程符合地质认识渐进性的客观规律，对数据综合利用性、地质分析效率以及产品质量有显著提高。

BIM；深卸荷；三维地质模型；工程地质

0 前 言

如今，BIM在北京奥运会、上海世博会部分场馆和上海中心设计中已崭露头角，强大的BIM系列软件给地质勘测设计手段及方法带来了革新。在山东文登抽水蓄能电站中，运用了BIM建模体系建立的三维地质模型，实现了三维展示、多角度切图等功能。在2014年的AU大师会上，中国电建集团展示了利用Civil 3D软件二次开发和其他BIM软件建立的水电站坝体全生命周期的BIM模型。从勘察、施工、设计、管理和维护等众多过程中均使用BIM系列软件进行，进一步推动了地质BIM向专业化、标准化和系统化的迈进。本文基于中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司的地质BIM系列软件，以叶巴滩深卸荷为例，探索利用BIM手段在地质勘测全过程、全生命周期中的应用。

叶巴滩水电站有断层多、深卸荷、应力高的复杂地质背景，采用传统的二维分析难度大、周期长，且难以全面、完整、准确地表达、分析及评价复杂的客观地质体。为优质、高效、多方法、多手段地解决叶巴滩工程的各类复杂工程地质问题，成都院利用水电站地质BIM技术，以Geosmart数字化设计平台及GOCAD三维建模软件为依托，形成叶巴滩工程地质原始资料库、过程成果库等数据源以及坝区三维地质模型(见图1)，以应对巨型工程各类资料纷繁复杂难以综合利用的现状，形成了一系列工程地质问题解决方案。

1 工程概况

叶巴滩水电站位于川藏交界的金沙江干流上，水库正常蓄水位2 889 m，相应库容10.80亿m3。电站装机容量224万kW，混凝土双曲拱坝高217 m。

图1 叶巴滩坝区三维地质模型

电站位于金沙江构造带内，区域地质构造背景复杂。坝址河谷狭窄，河道顺直，由北向南，岸坡高陡，基岩裸露，岩性单一，石英闪长岩坚硬，断层发育，地应力高，浅表风化、卸荷强烈，发育深卸荷现象，岩体结构复杂。因此导致的工程枢纽建筑物工程地质问题较为突出。

深卸荷带是在正常的卸荷带以内，穿过一定厚度的紧密挤压带后，在一定范围内出现张性的破裂面，这些破裂面大多呈带状产出，破裂带之间为相对完整的岩体。其工程地质性状是建基面选择、防渗帷幕及抗力体、边坡开挖等设计的主要依据；也是坝区岩体质量和围岩类别划分的重要鉴别标志。

2 BIM设计过程

2.1 BIM数据管理

深卸荷带三维解析完全依据数据中心资料，且勘探图元的几何、属性特效与相应深卸荷带严格关联，保障三维解析中的资料引用准确性。原始地质数据存在着多样性，来源多样、标准多样、手段多样，因此在数据录入到数据中心过程中，通过设置规范化、标准化的系统字典和项目字典，强制要求用户按标准完整录入数据(见图2)。在录入数据后，根据权限对入库数据进行校核检查，对数据进行了标准化处理，保障了数据有效性和质量。数据围绕五大地质因素，按地质属性(物理力学)进行分类，并与工程勘察阶段、数据获取手段及空间位置等众多因素关联，使得数据变成“真正的数据信息”，在生产过程中流动起来，渐进深入，不断修正，达到广泛应用的要求。

图2 数据标准化设置

2.2 深卸荷带初步提出

在预可研阶段，根据已有的预可行性研究报告及勘探和二维图件为基础，构建了叶巴滩上、下坝区预可行性阶段的三维地质模型。采用面模型建模方法和离散平滑算法(DIS)共同建立地质模型。以勘探平洞揭示的地质情况为基础，结合声波测试，构建强卸荷界面、弱卸荷界面，将岩体划分为强卸荷岩体、弱卸荷岩体、未卸荷岩体。由于深卸荷发育规模、程度不同及有限的勘探资料，未认识到深卸荷带，局部平洞卸荷深度较深，地质解译为卸荷深。

随着勘探工作的进一步开展，大量的地质资料录入到数据中心(Geosmart)，利用数据中心对原始资料进行统计分析，结合勘探揭示出的地质现象,发现弱卸荷界面以外各平洞普遍存在一段相对完整的岩体，而局部弱卸荷深度较深，在三维模型中表现出弱卸荷界面起伏变化大，地质解译疑点多，不符合表生改造规律及力学特征。对完整岩带、卸荷裂隙开展针对性调查研究，发现卸荷裂隙分布于紧密岩带和微新未卸荷岩体之间多表现为呈带发育、微张状态的张开裂隙，或为充填砂糖状碎粒岩的破碎带，符合深卸荷带的主要地质特征。因此初步提出坝区新的卸荷分带体系：强卸荷带、弱卸荷带、深卸荷带。对平洞卸荷分带进行重新划分，深卸荷带整体上随高程增加而埋深增加。深卸荷带的发育深度按高程进行统计，构建出随高程增加而逐渐变深的深卸荷上限面，深卸荷下限面，以各平洞标志点对深卸荷带进行约束、插值，完成对深卸荷带的初步构建。在三维模型中深卸荷带的空间形态直观地显示出来，在空间上呈条带状分布于弱卸荷界面以里，整体上随高程增加而埋深增加。根据深卸荷的力学机制，它们是河谷下切演化过程中早期谷底地应力释放山体回弹卸荷形成的破裂面，属差异回弹卸荷破裂面。因此深卸荷带在河谷谷底以上尖灭。深卸荷带的地质曲面与地质判断相吻合，也说明地质认识是合理的(见图3)。

2.3 深卸荷带空间展布特征完善

随着勘探平洞的不断完成，各勘探平洞相继揭示出深卸荷，以新揭示出的平洞卸荷标志点为约束对深卸荷上限面、深卸荷下限面进行局部DIS插值计算，部分区域通过地质分析，根据Vp、平洞对穿声波等资料综合多种因素对深卸荷带进行区域调整，不断更新完善深卸荷带的空间形态(见图4)。该深卸荷带在空间上保持其基本特征，仍呈条带状分布于弱卸荷界面以里，在河谷谷底以上尖灭，但卸荷带宽度变化较大，无明显规矩，随高程增加而埋深增加的特征不明显，受多种地质因素的影响，局部以地形地貌因素为主，局部追踪长大断层、优势裂隙。

2.4 深卸荷带程度分区

随着设计工作的不断深入，满足精细化设计要求，建立坝区卸荷岩体工程地质性状的评价体系，对坝区卸荷岩体工程地质性状进行科学评价，需要对深卸荷带进行更深入的研究。利用数据中心对勘探平洞中深卸荷发育洞段的波速比、Kv、RQD等指标，结合现场对深卸荷段裂隙特征、岩体完整性、地下水等，将坝区深卸荷划分为三种类型，分别为轻微松弛、中等松弛和强烈松弛(见表1)。

以平洞揭示的地质情况为基础，以洞间CT成果为属性地质对象，构建出深卸荷带程度分区界限，以三种深卸荷类型将深卸荷带在空间上概化为不同类型的区域(见图5)。

图3 深卸荷带初步建立

图4 深卸荷带的空间展布

表1 深卸荷分级

3 成果应用

深卸荷带这种呈条带状发育弱卸荷界面以里，各区域强烈程度不同的空间分布特征，正是由于地质体的不均一性和各向异性，早期岸坡岩体应力状态不断变化，出现应力分异，向临空方向产生差异回弹而形成张性破裂，局部追踪长大断层及优势裂隙的力学机制相匹配，是岸坡浅表生改造过程的具体体现。也体现了BIM设计过程就是工程地质分析过程，对地质体的认识不断深入的过程。

目前叶巴滩水电站已进入招标和辅助工程施工阶段。深卸荷带的三维地质模型作为一种地质体的“先验”表达，为勘探布置提供依据，对深卸荷强烈松弛型进行追踪，并随勘探工作的开展对深卸荷带进行论证与更新。地质分析、地质三维模型、多种勘探手段通过BIM深度的结合，相互印证，最终保证了构建出地质体的准确性和客观性。以此构建坝区地质三维模型，为后续关键工程地质问题评价奠定了基础(见图6)。

大量勘探数据进入数据中心形成地质分析的信息源，利用数据中心强大的统计能力，将各种物探资料、试验资料、地质特征进行多数据、多因素、多方案的对比统计分析，例如：对室内岩石物理力学性质试验成果按卸荷程度进行统计等(见图7)，为深卸荷三种类型的岩体物理力学参数建议值提供重要依据。

图5 深卸荷带分区模型

图6 建基面与深卸荷带的关系

图7 试验成果分类统计

4 结 语

深卸荷带只是叶巴滩水电站地质BIM设计的一部分，从中可以认识到，数据中心以标准化、多属性分类存储形成的信息源作为地质研究和工作的基础和来源。以此建立的三维地质模型具有优越的直观性、有效性、可信性、合理性；DIS插值算法，对复杂地质界面多尺度、多因素构建，并及时更新提供了手段。地质数据直接以地质体为作用对象，分析结果更准确，减少了大量二维辅助分析图件的编制，分析效率明显提高。分析成果直接固化到三维模型中，每一次的分析以最新分析成果为基础，分析过程符合地质认识渐进性的客观规律。总的来说，地质BIM设计突破了原二维分析的局限性，提高了数据综合利用性，提高地质分析的效率以及产品质量。

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2017-01-16

王 皓(1988-)，四川成都人，助理工程师，从事水利水电工程地质勘察工作。

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1003-9805(2017)02-0017-04