基于BIM与Midas联合应用的复杂边坡有限元分析

2021-07-14李梦龙

水利技术监督 2021年7期

李梦龙

(辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁沈阳 110000)

近年来随着国家对三维技术的重视，工程设计逐步由二维转向三维，BIM由早期的建筑行业逐步扩展到道路水利等行业[1-4]，突出的绘图及可视化能力使其在地质行业的应用范围逐渐扩大[5]，尤其在地质条件较为复杂的工程中，BIM模型提供的定性空间分析远超传统的二维模式，但是在定量分析方面往往借助于有限元计算软件。

Midas GTSNX是一款针对岩土专业的有限元计算软件，问世于2003年，凭借简单的边界设定、便捷的应力加持、众多的本构模型及施工阶段模拟的优势[6-9]，短时间内在岩土有限元计算软件的市场中占有率逐步扩大。虽然较其他通用有限元计算软件在建模方面有所改进，但是与其他专业绘图软件相比，其建模能力较差、操作繁琐、耗时费力，尤其在复杂三维建模过程中问题更为突出，通常的解决方法往往是对地质模型及开挖模型进行简化，以达到快速建模的目的，但结果往往使模型丧失了原有的精度[10-11]。因此解决建模速度与建模精度问题，是岩土设计人员提高工作效率，提升工作质量的关键环节。

因此本文通过三维地质建模软件Geostation与有限元计算软件Midas联合应用，在岩土设计过程中探究一种地质模型从绘图软件到计算软件的转换方法，提出部分转换过程中存在问题的解决方案，为岩土设计人员提供一种利用勘察期三维地质成果进行高精度的三维有限元边坡稳定计算的新思路。

1 方法

根据Geostation与Midas的应用特点， 2个软件的联合难点主要体现在不同地质条件及开挖条件下被开挖模型的建模方法，通过对多个工程案例的总结，大致分为以下2种情况。Geostation与Midas地形面对比如图1所示。

图1 Geostation与Midas地形面对比

(1)地层较为简单，各开挖面尺寸较大的情况。地质模型的处理主要集中在BIM软件中进行处理，根据勘察期三维地质成果，利用“GRID生成面”“TIN生成面”工具将分层界面文件进行大间距插值，间距设定主要根据Midas中剖分最小网格确定，进行分界面切割地质实体，之后建立设计开挖模型，二者完成后将模型分别导出至“.sat”格式文件。开挖体与地质实体的开挖过程在Midas软件内利用“切割实体”工具完成。之后按照Midas三维有限元计算步骤进行赋值、边界条件设定等步骤。

(2)地层较为复杂，各开挖面尺寸较小的情况。与方法一的区别主要在于地层分界面的建立是在Midas软件中进行，同时还需考虑网格分区。主要原因在于地形面或地质界面在BIM软件中建立后，Midas软件会默认已完成地质体的三角网为剖分时四面体的一个面，无法进行尺寸控制，尤其在边坡开挖面尺寸较小时，网格间距会直接影响计算精度或计算速度，因此分层界面主要利用“地形数据生成器”工具生成，其数据源来自地质实体模型中分层界面处理后的等高线。该方法中未开挖体模型、开挖体模型及网格分区分界面在BIM软件中建立，分界面的生成与地质实体开挖主要在Midas软件内利用“地形数据生成器”及“实体切割”工具完成，之后按照Midas三维有限元计算步骤进行赋值、边界条件设定等。

2 案例

本文案例选用东北某重点输水工程，该标段由有压隧洞及取水口组成，取水口采用岸塔式设计，明挖方式开挖，以岩坎作为施工期的挡水围堰，待底部施工完毕后进行岩坎爆破[12]。开挖设计参数见表1。该地区主要以巨斑状花岗岩为主，岩性自上而下分别为坡积碎石土及全风化基岩、强风化上层、强风化下层、弱风化层，由于表层坡积碎石土及全风化基岩较薄仅为0.5～2.0m，因此在稳定性分析中将其简化至强风化层。由于取水口设计边坡开挖较为复杂并且马道宽度较小，因此选用方法二进行实例演示。

表1 开挖设计参数

2.1 建立开挖面模型及被开挖体模型

首先参考开挖平面设计文件，沿马道及设计外边线绘制平面范围，利用“高程统改”工具，将平面范围赋予高程，之后链接各坡面形成开挖体，最终对各坡面进行布尔运算绘制开挖面模型，同时进行网格化，如图2所示。以开挖面模型及地形模型利用“面面剪切”工具求取开挖边线，并以开挖面模型为中心，以东西两侧开挖边线向两侧各延伸1.0倍最大开挖深度，以南北两侧开挖边线向北侧延伸1.5倍最大开挖深度，向南侧延伸2.5倍最大开挖深度，以设计开挖底面向下延伸1.0倍最大开挖深度，以开挖地质实体最高点向上延伸1.0倍最大开挖深度，建立被开挖体模型，如图3所示。

图2 开挖面模型

图3 被开挖体模型

最后将2个模型导出“.sat”格式文件。需要注意的是生成的开挖面模型上表面一定要超出地形模型，以便开挖边线及剪切。

2.2 建立分界面模型

Midas计算会利用到地形面、强风化面、弱风化面3个界面，其中地形面可以利用原始二维地形文件或勘察期三维地形文件，其他2个界面可以利用钻孔数据生成的空间三维坐标进行插值确定，但是生成过程中可能存在局部界面交叉或者无法生成透镜体等问题，需要根据人为经验进行调整，由于计算软件在控制界面方面功能较差，因此利用勘察期三维成果可以有效避免此类问题发生。本次计算中利用勘察期三维界面模型，采用“高程分析”工具，选取的1.0m等值线生成等值线，完成后导出dxf文件。如图4所示。利用Midas的地形数据分析工具，生成tms中间文件，导入后生成各开挖面。如图5所示。

图4 Geostation地形面等高线提取

图5 Midas剪切面模型

需要注意的是地形文件的范围一定要大于被开挖体模型，主要原因是2款软件均需剪切面大于被剪切体才能完成分割，其次因为Midas在插值过程中，在面的边缘处对地形起伏控制能力较差，只有面足够大才可以避免变异地形对计算的影响。

2.3 网格剖分及参数赋值

有限元法计算过程中网格间距过小会导致计算量过大，计算速度过大，网格间距过大，会导致部分网格剖分质量不好，以至计算失败或结果失真。由于此次开挖较为复杂，马道宽度较小仅为2.0m，为了进行马道处网格细部高质量剖分，此次计算进行了3个分区，其中尺寸控制区以开挖边线最外侧向外扩1/5宽度进行控制，垂向向下外扩1/5宽度，过渡区以开挖宽度的1/4外扩进行控制，垂向向下外扩1/4宽度，以便控制网格疏密。将开挖面模型，被开挖体模型、地形面、强风化界面、弱风化界面及网格剖分控制面导入至Midas软件内，利用“实体剪切”工具进行实体剪切，完成后将尺寸控制区内3个实体进行网格剖分，采用“尺寸控制”方法网格间距为2.0m，过渡区采用“自动”方法进行剖分，最小间距设定为6.0m，最外层采用“自动”方法进行剖分，最小间距设定为12.0m。剖分完成后按照岩性对其赋予相应的岩体力学参数。如图6—7所示。地层抗剪参数见表2。

图6 Midas几何体剪切模型

图7 网格剖分及细部控制

表2 地层抗剪参数

2.4 边界条件及约束

此次计算分析选用摩尔-库伦(MC)本构模型，对模型四周及下表面进行约束，施加重力，同时进行了丰枯两期的工况模拟，由于地下水位对边坡稳定影响较大，因此选用“面”的赋值方式，利用Geostation软件的“输出mesh节点”工具，输出离散点的水位，在Midas软件“曲面函数”工具中进行散点添加，可以更精确地控制地下水水位特征。

2.5 运行及结果分析

根据计算结果可以看出枯水期在整体开挖过程中边坡安全系数为3.0969，丰水期受地下水位上涨影响，安全系数减小至2.5631，但整体处于稳定状态，如图8—9所示。根据等效塑性应变结果显示基坑塑性变形区域主要集中在西侧及北侧开挖边坡坡脚处，属于浅层滑动，强风化带滑动范围较大，弱风化区域仅在直立边坡处出现。降雨对强风化层塑性变形区域影响较为明显，对弱风化影响甚微，整体模拟效果较好。

图8 枯水期计算结果

3 对比分析

本次计算案例总开挖面积1760m2，整体分为 6层开挖，分层马道宽度仅为2.0m，下部有垂直及不规则坡面，建立的计算模型较为精准地还原了原设计方案，并未作模型简化，边坡的剖分过程充分考虑局部细节问题，网格剖分最小网格为2.0m，生成的网格大体为等边四面体，网格较为均匀，质量较好。传统的计算主要根据勘察期钻孔成果进行地质建模，在地质条件复杂情况下往往进行地层的简化，使计算模型与实际情况具有一定偏差，本方法岩性分界面是基于勘察期三维界面重新插值生成，基本与现场勘察期揭露的地质情况吻合，计算模型中开挖模型揭露地层与勘察期地质模型吻合，二者相差无几，可以更为准确刻画各岩层及不良地质现象对稳定性的影响。因此本方法较传统方法在建模精度上有明显提升。

传统计算工作流程需要在完成地质勘察工作后，根据二维平剖面重新建立三维地质模型，即先完成一次绘制岩性分界线工作以后，在有限元计算过程中需要重新绘制一次，本文介绍的方法可以直接继承勘察期工作成果，稍加修改即可将绘图过程中成果完全移植到有限元计算过程中。Midas及其他有限元计算软件在绘图及三维模型建立过程中由于绘图工具功能较少，导致操作较为繁琐，虽然近年来有所改进，但建模过程较专业的绘图软件在建模速度及难度上还是有一定差距。因此本方法较传统方法在建模速度上有明显提升。

4 结论

相比传统的二维勘察成果与有限元计算独立进行的工作流程，三维地质建模软件Geostation与有限元计算软件Midas联合应用提供了一种将勘察期本次计算仅进行了高水位情况下的边坡稳定性分析，由于篇幅限制未进行暴雨、地震工况及施工期的模拟。下一步计划进行BIM技术与Geoslope软件联合应用的研究，探究BIM技术是否可以为利用规范法进行的边坡稳定计算提供便利。