李夢龍

(遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110000)

近年來隨著國家對三維技術(shù)的重視，工程設(shè)計逐步由二維轉(zhuǎn)向三維，BIM由早期的建筑行業(yè)逐步擴展到道路水利等行業(yè)[1-4]，突出的繪圖及可視化能力使其在地質(zhì)行業(yè)的應(yīng)用范圍逐漸擴大[5]，尤其在地質(zhì)條件較為復(fù)雜的工程中，BIM模型提供的定性空間分析遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的二維模式，但是在定量分析方面往往借助于有限元計算軟件。

Midas GTSNX是一款針對巖土專業(yè)的有限元計算軟件，問世于2003年，憑借簡單的邊界設(shè)定、便捷的應(yīng)力加持、眾多的本構(gòu)模型及施工階段模擬的優(yōu)勢[6-9]，短時間內(nèi)在巖土有限元計算軟件的市場中占有率逐步擴大。雖然較其他通用有限元計算軟件在建模方面有所改進(jìn)，但是與其他專業(yè)繪圖軟件相比，其建模能力較差、操作繁瑣、耗時費力，尤其在復(fù)雜三維建模過程中問題更為突出，通常的解決方法往往是對地質(zhì)模型及開挖模型進(jìn)行簡化，以達(dá)到快速建模的目的，但結(jié)果往往使模型喪失了原有的精度[10-11]。因此解決建模速度與建模精度問題，是巖土設(shè)計人員提高工作效率，提升工作質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

因此本文通過三維地質(zhì)建模軟件Geostation與有限元計算軟件Midas聯(lián)合應(yīng)用，在巖土設(shè)計過程中探究一種地質(zhì)模型從繪圖軟件到計算軟件的轉(zhuǎn)換方法，提出部分轉(zhuǎn)換過程中存在問題的解決方案，為巖土設(shè)計人員提供一種利用勘察期三維地質(zhì)成果進(jìn)行高精度的三維有限元邊坡穩(wěn)定計算的新思路。

1 方法

根據(jù)Geostation與Midas的應(yīng)用特點， 2個軟件的聯(lián)合難點主要體現(xiàn)在不同地質(zhì)條件及開挖條件下被開挖模型的建模方法，通過對多個工程案例的總結(jié)，大致分為以下2種情況。Geostation與Midas地形面對比如圖1所示。

圖1 Geostation與Midas地形面對比

(1)地層較為簡單，各開挖面尺寸較大的情況。地質(zhì)模型的處理主要集中在BIM軟件中進(jìn)行處理，根據(jù)勘察期三維地質(zhì)成果，利用“GRID生成面”“TIN生成面”工具將分層界面文件進(jìn)行大間距插值，間距設(shè)定主要根據(jù)Midas中剖分最小網(wǎng)格確定，進(jìn)行分界面切割地質(zhì)實體，之后建立設(shè)計開挖模型，二者完成后將模型分別導(dǎo)出至“.sat”格式文件。開挖體與地質(zhì)實體的開挖過程在Midas軟件內(nèi)利用“切割實體”工具完成。之后按照Midas三維有限元計算步驟進(jìn)行賦值、邊界條件設(shè)定等步驟。

(2)地層較為復(fù)雜，各開挖面尺寸較小的情況。與方法一的區(qū)別主要在于地層分界面的建立是在Midas軟件中進(jìn)行，同時還需考慮網(wǎng)格分區(qū)。主要原因在于地形面或地質(zhì)界面在BIM軟件中建立后，Midas軟件會默認(rèn)已完成地質(zhì)體的三角網(wǎng)為剖分時四面體的一個面，無法進(jìn)行尺寸控制，尤其在邊坡開挖面尺寸較小時，網(wǎng)格間距會直接影響計算精度或計算速度，因此分層界面主要利用“地形數(shù)據(jù)生成器”工具生成，其數(shù)據(jù)源來自地質(zhì)實體模型中分層界面處理后的等高線。該方法中未開挖體模型、開挖體模型及網(wǎng)格分區(qū)分界面在BIM軟件中建立，分界面的生成與地質(zhì)實體開挖主要在Midas軟件內(nèi)利用“地形數(shù)據(jù)生成器”及“實體切割”工具完成，之后按照Midas三維有限元計算步驟進(jìn)行賦值、邊界條件設(shè)定等。

2 案例

本文案例選用東北某重點輸水工程，該標(biāo)段由有壓隧洞及取水口組成，取水口采用岸塔式設(shè)計，明挖方式開挖，以巖坎作為施工期的擋水圍堰，待底部施工完畢后進(jìn)行巖坎爆破[12]。開挖設(shè)計參數(shù)見表1。該地區(qū)主要以巨斑狀花崗巖為主，巖性自上而下分別為坡積碎石土及全風(fēng)化基巖、強風(fēng)化上層、強風(fēng)化下層、弱風(fēng)化層，由于表層坡積碎石土及全風(fēng)化基巖較薄僅為0.5～2.0m，因此在穩(wěn)定性分析中將其簡化至強風(fēng)化層。由于取水口設(shè)計邊坡開挖較為復(fù)雜并且馬道寬度較小，因此選用方法二進(jìn)行實例演示。

表1 開挖設(shè)計參數(shù)

2.1 建立開挖面模型及被開挖體模型

首先參考開挖平面設(shè)計文件，沿馬道及設(shè)計外邊線繪制平面范圍，利用“高程統(tǒng)改”工具，將平面范圍賦予高程，之后鏈接各坡面形成開挖體，最終對各坡面進(jìn)行布爾運算繪制開挖面模型，同時進(jìn)行網(wǎng)格化，如圖2所示。以開挖面模型及地形模型利用“面面剪切”工具求取開挖邊線，并以開挖面模型為中心，以東西兩側(cè)開挖邊線向兩側(cè)各延伸1.0倍最大開挖深度，以南北兩側(cè)開挖邊線向北側(cè)延伸1.5倍最大開挖深度，向南側(cè)延伸2.5倍最大開挖深度，以設(shè)計開挖底面向下延伸1.0倍最大開挖深度，以開挖地質(zhì)實體最高點向上延伸1.0倍最大開挖深度，建立被開挖體模型，如圖3所示。

圖2 開挖面模型

圖3 被開挖體模型

最后將2個模型導(dǎo)出“.sat”格式文件。需要注意的是生成的開挖面模型上表面一定要超出地形模型，以便開挖邊線及剪切。

2.2 建立分界面模型

Midas計算會利用到地形面、強風(fēng)化面、弱風(fēng)化面3個界面，其中地形面可以利用原始二維地形文件或勘察期三維地形文件，其他2個界面可以利用鉆孔數(shù)據(jù)生成的空間三維坐標(biāo)進(jìn)行插值確定，但是生成過程中可能存在局部界面交叉或者無法生成透鏡體等問題，需要根據(jù)人為經(jīng)驗進(jìn)行調(diào)整，由于計算軟件在控制界面方面功能較差，因此利用勘察期三維成果可以有效避免此類問題發(fā)生。本次計算中利用勘察期三維界面模型，采用“高程分析”工具，選取的1.0m等值線生成等值線，完成后導(dǎo)出dxf文件。如圖4所示。利用Midas的地形數(shù)據(jù)分析工具，生成tms中間文件，導(dǎo)入后生成各開挖面。如圖5所示。

圖4 Geostation地形面等高線提取

圖5 Midas剪切面模型

需要注意的是地形文件的范圍一定要大于被開挖體模型，主要原因是2款軟件均需剪切面大于被剪切體才能完成分割，其次因為Midas在插值過程中，在面的邊緣處對地形起伏控制能力較差，只有面足夠大才可以避免變異地形對計算的影響。

2.3 網(wǎng)格剖分及參數(shù)賦值

有限元法計算過程中網(wǎng)格間距過小會導(dǎo)致計算量過大，計算速度過大，網(wǎng)格間距過大，會導(dǎo)致部分網(wǎng)格剖分質(zhì)量不好，以至計算失敗或結(jié)果失真。由于此次開挖較為復(fù)雜，馬道寬度較小僅為2.0m，為了進(jìn)行馬道處網(wǎng)格細(xì)部高質(zhì)量剖分，此次計算進(jìn)行了3個分區(qū)，其中尺寸控制區(qū)以開挖邊線最外側(cè)向外擴1/5寬度進(jìn)行控制，垂向向下外擴1/5寬度，過渡區(qū)以開挖寬度的1/4外擴進(jìn)行控制，垂向向下外擴1/4寬度，以便控制網(wǎng)格疏密。將開挖面模型，被開挖體模型、地形面、強風(fēng)化界面、弱風(fēng)化界面及網(wǎng)格剖分控制面導(dǎo)入至Midas軟件內(nèi)，利用“實體剪切”工具進(jìn)行實體剪切，完成后將尺寸控制區(qū)內(nèi)3個實體進(jìn)行網(wǎng)格剖分，采用“尺寸控制”方法網(wǎng)格間距為2.0m，過渡區(qū)采用“自動”方法進(jìn)行剖分，最小間距設(shè)定為6.0m，最外層采用“自動”方法進(jìn)行剖分，最小間距設(shè)定為12.0m。剖分完成后按照巖性對其賦予相應(yīng)的巖體力學(xué)參數(shù)。如圖6—7所示。地層抗剪參數(shù)見表2。

圖6 Midas幾何體剪切模型

圖7 網(wǎng)格剖分及細(xì)部控制

表2 地層抗剪參數(shù)

2.4 邊界條件及約束

此次計算分析選用摩爾-庫倫(MC)本構(gòu)模型，對模型四周及下表面進(jìn)行約束，施加重力，同時進(jìn)行了豐枯兩期的工況模擬，由于地下水位對邊坡穩(wěn)定影響較大，因此選用“面”的賦值方式，利用Geostation軟件的“輸出mesh節(jié)點”工具，輸出離散點的水位，在Midas軟件“曲面函數(shù)”工具中進(jìn)行散點添加，可以更精確地控制地下水水位特征。

2.5 運行及結(jié)果分析

根據(jù)計算結(jié)果可以看出枯水期在整體開挖過程中邊坡安全系數(shù)為3.0969，豐水期受地下水位上漲影響，安全系數(shù)減小至2.5631，但整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，如圖8—9所示。根據(jù)等效塑性應(yīng)變結(jié)果顯示基坑塑性變形區(qū)域主要集中在西側(cè)及北側(cè)開挖邊坡坡腳處，屬于淺層滑動，強風(fēng)化帶滑動范圍較大，弱風(fēng)化區(qū)域僅在直立邊坡處出現(xiàn)。降雨對強風(fēng)化層塑性變形區(qū)域影響較為明顯，對弱風(fēng)化影響甚微，整體模擬效果較好。

圖8 枯水期計算結(jié)果

3 對比分析

本次計算案例總開挖面積1760m2，整體分為 6層開挖，分層馬道寬度僅為2.0m，下部有垂直及不規(guī)則坡面，建立的計算模型較為精準(zhǔn)地還原了原設(shè)計方案，并未作模型簡化，邊坡的剖分過程充分考慮局部細(xì)節(jié)問題，網(wǎng)格剖分最小網(wǎng)格為2.0m，生成的網(wǎng)格大體為等邊四面體，網(wǎng)格較為均勻，質(zhì)量較好。傳統(tǒng)的計算主要根據(jù)勘察期鉆孔成果進(jìn)行地質(zhì)建模，在地質(zhì)條件復(fù)雜情況下往往進(jìn)行地層的簡化，使計算模型與實際情況具有一定偏差，本方法巖性分界面是基于勘察期三維界面重新插值生成，基本與現(xiàn)場勘察期揭露的地質(zhì)情況吻合，計算模型中開挖模型揭露地層與勘察期地質(zhì)模型吻合，二者相差無幾，可以更為準(zhǔn)確刻畫各巖層及不良地質(zhì)現(xiàn)象對穩(wěn)定性的影響。因此本方法較傳統(tǒng)方法在建模精度上有明顯提升。

傳統(tǒng)計算工作流程需要在完成地質(zhì)勘察工作后，根據(jù)二維平剖面重新建立三維地質(zhì)模型，即先完成一次繪制巖性分界線工作以后，在有限元計算過程中需要重新繪制一次，本文介紹的方法可以直接繼承勘察期工作成果，稍加修改即可將繪圖過程中成果完全移植到有限元計算過程中。Midas及其他有限元計算軟件在繪圖及三維模型建立過程中由于繪圖工具功能較少，導(dǎo)致操作較為繁瑣，雖然近年來有所改進(jìn)，但建模過程較專業(yè)的繪圖軟件在建模速度及難度上還是有一定差距。因此本方法較傳統(tǒng)方法在建模速度上有明顯提升。

4 結(jié)論

相比傳統(tǒng)的二維勘察成果與有限元計算獨立進(jìn)行的工作流程，三維地質(zhì)建模軟件Geostation與有限元計算軟件Midas聯(lián)合應(yīng)用提供了一種將勘察期本次計算僅進(jìn)行了高水位情況下的邊坡穩(wěn)定性分析，由于篇幅限制未進(jìn)行暴雨、地震工況及施工期的模擬。下一步計劃進(jìn)行BIM技術(shù)與Geoslope軟件聯(lián)合應(yīng)用的研究，探究BIM技術(shù)是否可以為利用規(guī)范法進(jìn)行的邊坡穩(wěn)定計算提供便利。

圖9 豐水期計算結(jié)果

間工作成果直接用于有限元分析計算的解決方案，解決了巖土設(shè)計過程中反復(fù)構(gòu)建模型及建模精度的問題，依照本方法巖土設(shè)計人員在減少建模時間的同時，可以提升地質(zhì)模型及開挖模型的精度，該方法同樣適用于地質(zhì)條件較為復(fù)雜或結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的其他巖土設(shè)計過程。