胡秋爽,廖少波,劉阜羊

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

三維可視化在兩河口水電站泄水建筑物布置設(shè)計(jì)中的指導(dǎo)及施工應(yīng)用

胡秋爽,廖少波,劉阜羊

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

本文以兩河口水電站泄水建筑物為研究對象，運(yùn)用三維可視化軟件GOCAD和CATIA建立了三維地質(zhì)模型并在CATIA環(huán)境下進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，應(yīng)用三維技術(shù)全方位展現(xiàn)了Ⅲ級結(jié)構(gòu)面及地層巖性與水工建筑的空間關(guān)系。針對不良地質(zhì)現(xiàn)象和地質(zhì)缺陷，及時(shí)、快速地反應(yīng)出問題關(guān)鍵所在，將其對建筑物的影響削減到最小，精準(zhǔn)、快速地解決了水電站設(shè)計(jì)和施工過程中的工程地質(zhì)問題。

三維可視化；兩河口水電站；設(shè)計(jì)；施工應(yīng)用

0 前 言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，三維地質(zhì)建模技術(shù)越來越受到地學(xué)界的重視并成為地質(zhì)可視化技術(shù)的一個(gè)熱點(diǎn)。所謂三維地質(zhì)建模，就是運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，在三維環(huán)境下，將空間信息管理、地質(zhì)解譯、空間分析和預(yù)測、地學(xué)統(tǒng)計(jì)、實(shí)體內(nèi)容分析以及圖形可視化等工具結(jié)合起來，用于地質(zhì)研究的一門新技術(shù)。到目前已經(jīng)形成了相當(dāng)?shù)囊?guī)模。

目前國內(nèi)外開發(fā)了一些三維地質(zhì)軟件，如GOCAD、GeoSmart、CATIA、Revit等。這些三維地質(zhì)軟件不僅可以直觀地顯示地質(zhì)體的空間形態(tài)與分布，還可以快速生成各類地質(zhì)剖面，有效地解決了地質(zhì)勘察領(lǐng)域目前存在的問題。

本文選取了GOCAD和CATIA軟件結(jié)合作為研究工具，在GOCAD平臺下開展了三維地質(zhì)建模工作。在CATIA平臺下進(jìn)行了分析研究。GOCAD(Geological Object Computer Aided Design)是基于地質(zhì)工作流程的三維地質(zhì)可視化建模軟件，是目前世界上最高水平的半智能化建模軟件，軟件界面友好、功能強(qiáng)大且容易入門，在石油工程、礦產(chǎn)開發(fā)、地球物理勘探和水利工程等多個(gè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[1-2]。CATIA是法國達(dá)索公司的產(chǎn)品開發(fā)旗艦解決方案。支持從項(xiàng)目前階段、具體的設(shè)計(jì)、分析、模擬、組裝到維護(hù)在內(nèi)的全部工業(yè)設(shè)計(jì)流程。其系列產(chǎn)品在8大領(lǐng)域里提供3D設(shè)計(jì)和模擬解決方案，即：汽車、航空航天、船舶制造、廠房設(shè)計(jì)(主要是鋼構(gòu)廠房)、建筑、電力與電子、消費(fèi)品和通用機(jī)械制造。

1 工程簡介

兩河口水電站位于甘孜州雅江縣境內(nèi)，是雅礱江中游(兩河口至卡拉河段)七級水電開發(fā)的龍頭水庫電站。壩址位于雅礱江干流與支流鮮水河的匯合口下游約2 km河段，壩址處控制流域面積6.6萬km2，多年平均流量666 m3/s。電站采用壩式開發(fā)，為土心墻堆石壩，最大壩高295 m，最大庫容101.54億m3，具有多年調(diào)節(jié)能力。電站廠房為壩后式地下廠房，總裝機(jī)3 000 MW，多年平均年發(fā)電量110.0億kW·h。

泄水系統(tǒng)布置于左岸，由內(nèi)到外依次為深孔泄洪洞、放空洞、旋流豎井泄洪洞、5號導(dǎo)流洞、洞式溢洪道。岸坡山體雄厚，地形起伏較大，溝梁相間，穿過地層三疊紀(jì)上統(tǒng)兩河口組T3lh1(2)～T3lh2(5)變質(zhì)粉砂巖與粉砂質(zhì)板巖互層，構(gòu)造發(fā)育，順層發(fā)育十?dāng)?shù)條斷層，地質(zhì)情況較為復(fù)雜(見圖1)。

圖1 左岸泄水系統(tǒng)空間關(guān)系

2 樞紐布置設(shè)計(jì)指導(dǎo)

三維地質(zhì)模型全方位展現(xiàn)了壩址區(qū)Ⅲ級結(jié)構(gòu)面及地層巖性界線與水工建筑物的空間關(guān)系，更加直觀、快速地輔助下游專業(yè)進(jìn)行水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。當(dāng)有地質(zhì)缺陷對水工結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響時(shí)，能夠用最直接的方式發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。

本次三維協(xié)同設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)壩址區(qū)Ⅲ級結(jié)構(gòu)面f8斷層系列的空間分布與豎井泄洪洞的渦室相交，對其穩(wěn)定性產(chǎn)生極其不利影響。該斷層產(chǎn)狀N55°～70°W/SW∠55°～85°，由數(shù)條順層平行發(fā)育的小斷層組成。斷層帶內(nèi)充填物質(zhì)主要為片狀巖，擠壓緊密，無軟化泥化現(xiàn)象，新鮮。斷層走向與渦室陡傾大角度相交，主要影響區(qū)域?yàn)轳讽敽拖掠蝹?cè)壁(見圖2、3)。

通過三維比對及分析，該斷層對渦室影響較大，如果按照現(xiàn)有方案施工，有很大的可能性會造成渦室的穹頂及部分邊墻的垮塌，施工難度和風(fēng)險(xiǎn)都極大。經(jīng)各設(shè)計(jì)專業(yè)人員多次開會討論和方案比對，認(rèn)為將渦室向上游移動40 m后可以解決此問題，這樣既能將該斷層對建筑物的影響減小，又不影響設(shè)計(jì)使用要求。

現(xiàn)場開挖揭示該段地質(zhì)條件良好，未出現(xiàn)大規(guī)模構(gòu)造破碎帶及其他不良地質(zhì)現(xiàn)象。更改后的設(shè)計(jì)效果令人滿意(見圖4、5)。

圖2 f8斷層與渦室相對位置關(guān)系 圖3 f8斷層與渦室相對位置關(guān)系

圖4 更改后f8斷層與渦室相對位置關(guān)系(剖面圖) 圖5 更改后f8斷層與渦室相對位置關(guān)系(模型)

3 三維地質(zhì)模型在施工過程中的應(yīng)用

三維地質(zhì)模型在施工設(shè)計(jì)過程中也起到了行之有效的作用。在協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)、地質(zhì)預(yù)報(bào)上展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢，指導(dǎo)設(shè)計(jì)精細(xì)化，提高了地質(zhì)缺陷預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率，提高了設(shè)計(jì)方案的可靠性及安全性，降低了施工成本，縮短了工期。

2016年7月，在豎井泄洪洞0+942 m處開挖出壩址區(qū)Ⅲ級結(jié)構(gòu)面f28斷層，該斷層由一系列順層斷層及構(gòu)造破碎帶組成，間夾小規(guī)模裂隙密集帶。影響范圍達(dá)到20～30 m，帶內(nèi)物質(zhì)風(fēng)化加劇，主要充填糜棱巖、片狀巖、方解石脈等物質(zhì)，帶內(nèi)潮濕，性狀較差，對硐室穩(wěn)定性及施工安全產(chǎn)生了一定的不利影響。

由于該斷層走向與硐室大角度相交，相應(yīng)與其他幾條平行硐室(深孔泄洪洞、放空洞、5號導(dǎo)流洞)必將交匯。我們在三維模型里對f28斷層進(jìn)行了精確建模，仔細(xì)檢查了其與各條硐室的相交關(guān)系及交點(diǎn)坐標(biāo)(見圖6、7)，對其可能出現(xiàn)的位置進(jìn)行了準(zhǔn)確的地質(zhì)預(yù)報(bào)。施工過程中提前應(yīng)對，采取超前措施，不但保證了施工人員和設(shè)備的安全，更節(jié)約了工期和投入成本。

圖6 f28斷層與各洞室空間關(guān)系(俯視) 圖7 f28斷層與各洞室空間關(guān)系(仰視)

4 結(jié) 論

本文通過三維數(shù)字化設(shè)計(jì)及分析，應(yīng)用三維技術(shù)全方位展現(xiàn)了Ⅲ級結(jié)構(gòu)面及地層巖性與水工建筑的空間關(guān)系。針對不良地質(zhì)現(xiàn)象，能夠及時(shí)、快速地反映問題關(guān)鍵所在，將其對建筑物的影響削減到最小，有效地指導(dǎo)了水電站樞紐建筑物的設(shè)計(jì)。

在施工期間，面對已經(jīng)出現(xiàn)的地質(zhì)缺陷，舉一反三，精確把握住出露位置，提前做好應(yīng)對，指導(dǎo)設(shè)計(jì)精細(xì)化，提高地質(zhì)缺陷預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率，提高了設(shè)計(jì)方案的可靠性及安全性，降低了施工成本，縮短了工期。

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2017-01-16

胡秋爽(1981-)，男，內(nèi)蒙古赤峰人，工程師，從事水電地質(zhì)勘測設(shè)計(jì)工作。

TV222.2;TV65

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1003-9805(2017)02-0033-03