楊天俊,楊 蕓,李治民
(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065)
ITASCAD地質(zhì)工程三維建模與分析軟件為中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司與依泰斯卡(Itasca)(武漢)咨詢有限公司聯(lián)合開發(fā)的的數(shù)據(jù)庫(kù)分析程序及三維建模軟件(依泰斯卡(武漢)咨詢有限公司現(xiàn)更名為:加華地學(xué)(武漢)數(shù)字技術(shù)有限公司,ItasCAD軟件更名為CnGIM_ma),該軟件具有的功能主要有:① 建立數(shù)據(jù)庫(kù),完善的數(shù)據(jù)庫(kù)自身功能可以大大提高工程地質(zhì)內(nèi)業(yè)整理的效率,而且是建模和模型應(yīng)用的基礎(chǔ);② 創(chuàng)建含屬性三維地質(zhì)模型,包括建模功能增加,其中地質(zhì)建模采用了和GoCAD相同的離散光滑插值(DSI)算法,成為世界僅有的、采用這一核心技術(shù)的兩款專業(yè)軟件之一,是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地質(zhì)體快速建模和模型更新的關(guān)鍵;分析部分主要是節(jié)理統(tǒng)計(jì)分析在根據(jù)節(jié)理優(yōu)勢(shì)性產(chǎn)狀進(jìn)行分組統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上,還可以對(duì)優(yōu)勢(shì)節(jié)理長(zhǎng)度和間距進(jìn)行統(tǒng)計(jì),并分析各組優(yōu)勢(shì)性節(jié)理的空間分布,從而大幅提高了節(jié)理地質(zhì)編錄數(shù)據(jù)的工程應(yīng)用范圍; ③ 模型應(yīng)用,首先對(duì)地質(zhì)模型進(jìn)行空間分區(qū),利用每個(gè)區(qū)內(nèi)的屬性樣本進(jìn)行空間插值和四則運(yùn)算,獲得所需要指標(biāo)的空間分布。這些通用性技術(shù)的應(yīng)用功能之一是進(jìn)行三維空間的巖體質(zhì)量分級(jí),軟件內(nèi)置了兼容水電、BQ和RMR的3種圍巖質(zhì)量分級(jí)方法,利用地質(zhì)勘測(cè)獲得的相關(guān)指標(biāo)獲得給定范圍內(nèi)這3種方法的巖體質(zhì)量分級(jí)結(jié)果。其次是二維成圖、巖土體專題問(wèn)題分析、巖土工程設(shè)計(jì)等,并可在工程的全階段使用。
該軟件在老撾南俄3工程進(jìn)行了綜合應(yīng)用,本文對(duì)部分功能使用進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)。
南俄3水電站位于老撾民主共和國(guó),為南俄河的第3梯級(jí)電站,南俄河是湄公河重要的支流之一,發(fā)源于塞松本省山區(qū),一直向南在萬(wàn)象市下游約90 km處匯入湄公河。樞紐布置方案主要由攔河大壩、泄水建筑物和引水發(fā)電系統(tǒng)組成。水庫(kù)正常蓄水位723.00 m,相應(yīng)庫(kù)容14.11億m3?;炷撩姘宥咽瘔螇雾敻叱?29.50 m,最大壩高210 m,通過(guò)長(zhǎng)約11 km 的隧洞引水,地面廠房電站裝機(jī)容量480 MW。2013年之前,國(guó)外公司完成了整個(gè)工程區(qū)相當(dāng)于中國(guó)規(guī)范的預(yù)可研及可研階段的勘測(cè)工作, 2013年4月,中國(guó)公司接手該工程的勘測(cè)設(shè)計(jì),正式與老撾國(guó)家電力公司(EDL)簽訂了南俄3水電站EPC總承包合同,并進(jìn)行南俄3水電站重編可研和基本設(shè)計(jì)階段的工作。中國(guó)公司接手后,補(bǔ)充進(jìn)行了廠房區(qū)、壩址區(qū)、引水線路區(qū)的勘探試驗(yàn)工作。
2013年之前,國(guó)外公司的勘測(cè)資料包括了各部位的平面地質(zhì)圖、少部分鉆孔的鉆孔柱狀圖、大部分鉆孔的巖芯、平硐展示圖、試驗(yàn)資料;2013年之后中國(guó)公司完成了鉆孔和平硐、試驗(yàn)等,并重新測(cè)量了各工程部位的地形圖。
2013年后中國(guó)公司接手南俄3 工程,在早期數(shù)據(jù)庫(kù)版本的支持下,即著手建立數(shù)據(jù)庫(kù),隨著版本的升級(jí),數(shù)據(jù)庫(kù)功能不斷完善。整個(gè)工程建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù),軟件中可分工程部位設(shè)置區(qū)域。
2.1.1早期國(guó)外公司勘測(cè)單位資料整理
(1) 已有鉆孔柱狀圖中資料讀取,并輸入數(shù)據(jù)庫(kù);
(2) 已有巖芯,重新反拍照片,并進(jìn)行相關(guān)風(fēng)化、巖性等方面的孔深數(shù)據(jù)編錄,并輸入數(shù)據(jù)庫(kù);
(3) 已有平硐按平硐展示圖中相關(guān)風(fēng)化、卸荷、結(jié)構(gòu)面、巖性等資料讀取后輸入數(shù)據(jù)庫(kù);
(4) 整理試驗(yàn)數(shù)據(jù),按數(shù)據(jù)庫(kù)中已有格式選擇輸入數(shù)據(jù)庫(kù)。
2.1.2中國(guó)公司補(bǔ)充勘測(cè)資料
(1) 鉆孔編錄全部數(shù)據(jù)直接輸入數(shù)據(jù)庫(kù),并按數(shù)據(jù)庫(kù)繪制鉆孔柱狀圖;
(2) 平硐編錄資料直接進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù);
(3) 試驗(yàn)數(shù)據(jù)按數(shù)據(jù)庫(kù)中已有格式選擇輸入數(shù)據(jù)庫(kù)。
南俄3水電站引水線路長(zhǎng)11 km,因此,三維地質(zhì)模型分3部分分別建立,一為壩址區(qū)、二為引水線路區(qū)、三為廠房區(qū)。推薦料場(chǎng)單獨(dú)建立模型。壩址區(qū)模型范圍包括了引水隧洞進(jìn)口及全部建筑物;引水隧洞區(qū)模型范圍也包括了引水隧洞進(jìn)口;廠房區(qū)模型范圍包括調(diào)壓井、壓力管道及地面廠房全部建筑物。分別建立模型完成后,又合并成單一全工程模型。建立的模型精度高,極大地節(jié)省了工程師內(nèi)業(yè)整理的時(shí)間,及時(shí)給設(shè)計(jì)提供相關(guān)地質(zhì)圖件。本文僅對(duì)壩址區(qū)建立模型進(jìn)行介紹。
壩址區(qū)巖性地層包括第四系、二迭系、三迭系和泥盆系。巖性包括沖洪積層、殘崩積層和沉積巖類的砂巖、泥巖類;弱~淺變質(zhì)巖板巖、砂巖類和深變質(zhì)巖片麻巖類。巖層產(chǎn)狀較復(fù)雜。片麻巖片麻理主要走向近南北、陡傾角( 60°~80°)、傾向東或西;板巖、砂巖類顯示傾伏褶皺特征,傾角大致為60°,軸面產(chǎn)狀走向NE83°、傾SE、傾角80°,褶皺軸產(chǎn)狀57°/93°(傾伏角/傾伏向),野外顯示褶皺倒轉(zhuǎn)。
(1) 地形圖采用2013年以后測(cè)量的 1∶1000地形圖;
(2) 平面地質(zhì)界線采用2013年之前國(guó)外公司繪制的地質(zhì)圖;
(3) 風(fēng)化界線、透水率線、地下水位、覆蓋層、結(jié)構(gòu)面均來(lái)源于勘探和地面測(cè)繪資料;
(4) 巖性在建立模型時(shí)進(jìn)行了同類合并成同一層處理;
(5) 加載了設(shè)計(jì)提供的各類開挖面;
(6) 三維地質(zhì)模型中包括了風(fēng)化界面、透水率界面、地下水位面、覆蓋層界面、斷層面、巖性面、巖層產(chǎn)狀面、地形面、勘探鉆孔及平硐等。
根據(jù)軟件建立模型方法,建立了工程區(qū)三維地質(zhì)模型,該模型具有以下特點(diǎn):
(1) 隨時(shí)在空間上從不同角度查看各類界面的展布;
(2) 切制地質(zhì)剖面圖、平切圖,生成平面地質(zhì)圖;
(3) 將三維模型中各類界面轉(zhuǎn)換成了設(shè)計(jì)專業(yè)軟件的Catia格式提供設(shè)計(jì)直接使用;
(4) 隨時(shí)切制各種分析圖。
施工階段增加到前期數(shù)據(jù)庫(kù)中的內(nèi)容包括:施工階段勘探鉆孔全部資料、施工階段灌漿(帷幕灌漿、固結(jié)灌漿)鉆孔全部資料、地應(yīng)力測(cè)試鉆孔全部資料、壓水試驗(yàn)、補(bǔ)充試驗(yàn)全部資料、物探檢測(cè)成果資料、平硐及建基面編錄斷層及結(jié)構(gòu)面資料等。物探檢測(cè)資料包括了孔內(nèi)波速測(cè)試、硐壁波速測(cè)試、地應(yīng)力鉆孔波速檢測(cè)資料、開挖建基面物探波速檢測(cè)資料等。開挖建基面波速采用假定沿物探檢測(cè)線為平硐進(jìn)入的數(shù)據(jù)庫(kù)。硐室編錄資料包括了地質(zhì)編錄斷層和結(jié)構(gòu)面、硐壁線路精測(cè)資料(包括了結(jié)構(gòu)面間距、性狀、地下水特征等)、開挖建基面設(shè)定線路精測(cè)資料(包括了結(jié)構(gòu)面間距、性狀、地下水特征等)。開挖建基面設(shè)定線路精測(cè)采用假定沿線路為平硐進(jìn)入的數(shù)據(jù)庫(kù)。
灌漿鉆孔資料按勘探鉆孔進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)。
按新增數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容對(duì)三維模型進(jìn)行了修改完善,主要如下:
(1) 引水隧洞實(shí)際揭露巖層修改了巖性界面;
(2) 隧洞及開挖建基面揭露的斷層和較大裂隙性結(jié)構(gòu)面建立斷層和裂隙面;
(3) 調(diào)整各部位風(fēng)化界面;
(4) 隨著開挖進(jìn)程,隨時(shí)增加開挖后的地形界面;
(5) 料場(chǎng)區(qū)域不定期復(fù)核計(jì)算不同時(shí)間段內(nèi)實(shí)際料層開挖使用方量;
(6) 隨時(shí)建立分析單一數(shù)據(jù)面模型,如趾板波速分布模型、趾板滲透率分布模型、地面廠房區(qū)波速分布模型等。
本工程在施工期不同時(shí)間利用數(shù)據(jù)庫(kù)及三維模型進(jìn)行了地面廠房區(qū)、引水隧洞區(qū)、溢洪道區(qū)的巖體分類及力學(xué)參數(shù)取值。本文僅以溢洪道為例。水電分類方案(HC方案)以控制巖體穩(wěn)定的巖石強(qiáng)度、巖體完整程度、結(jié)構(gòu)面狀態(tài)、地下水和主要結(jié)構(gòu)面方向修正五項(xiàng)因素評(píng)分之和為基本判據(jù),圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比為限定判據(jù),并應(yīng)符合表1的規(guī)定。
表1 HC巖體分類標(biāo)準(zhǔn)
Bieniawski提出的RMR巖體質(zhì)量分類主要考慮了5個(gè)指標(biāo),分別為巖石抗壓強(qiáng)度、RQD(巖體質(zhì)量指標(biāo))、節(jié)理間距、節(jié)理狀態(tài)、地下水狀態(tài)。首先進(jìn)行初步分類,然后根據(jù)節(jié)理的方向?qū)こ痰挠绊戇M(jìn)行修正。RMR工程地質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)如表2。
表2 RMR工程地質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)
設(shè)計(jì)溢洪道位于大壩左岸,共設(shè)3孔溢洪道,由引渠段、溢流堰段、泄槽段、挑流鼻坎等組成。自2016年年初,結(jié)合大壩邊坡施工開挖,溢洪道邊坡相應(yīng)施工開挖,到2018年5月,溢洪道560.00 m高程以上邊坡施工開挖完成,泄槽段開挖到建基面,溢洪道區(qū)域累計(jì)完成鉆孔1 027.90 m/16孔,鉆孔主要分布在堰閘段、泄槽段及兩側(cè)邊坡,挑流鼻坎及消力池段受勘探階段條件限制未進(jìn)行相關(guān)勘探,但巖體基本裸露,地質(zhì)條件較為清楚。
溢洪道基巖巖性主要有弱-淺變質(zhì)(Met)的板巖、石英巖、板巖粉砂巖、深變質(zhì)的石英云母片巖(Sch)、片麻巖(Gn)。板巖、石英巖、板巖粉砂巖與石英云母片巖為斷層接觸,石英云母片巖與片麻巖漸變接觸。采用的技術(shù)路線如下:
(1) 收集整理前期探測(cè)階段全部勘探資料、試驗(yàn)資料;
(2) 施工開挖面分部位結(jié)構(gòu)面專項(xiàng)統(tǒng)計(jì);
(3) 建立三維地質(zhì)模型,進(jìn)行巖體類別劃分;
(4) 根據(jù)巖體類別劃分,采用相關(guān)準(zhǔn)則確定各風(fēng)化層、各開挖面巖體力學(xué)參數(shù);
(5) 綜合建議提出供設(shè)計(jì)使用的巖體力學(xué)參數(shù)。
溢洪道RQD值來(lái)源于鉆孔勘探及建基面測(cè)線法實(shí)測(cè),巖石單軸抗壓強(qiáng)度參照壩址區(qū)及工程區(qū)巖石試驗(yàn),其它指標(biāo)利用建基面測(cè)線法精測(cè)成果。將所有資料(包括全部勘測(cè)成果:如風(fēng)化層、地下水、壓水試驗(yàn)等)輸入到數(shù)據(jù)庫(kù)中,建立三維地質(zhì)模型,并進(jìn)行分析。測(cè)線法野外選取測(cè)線長(zhǎng)度為5 m,現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)大于10 cm巖體長(zhǎng)度、主要結(jié)構(gòu)面條數(shù)、結(jié)構(gòu)面特征及地下水特征等指標(biāo),將全部統(tǒng)計(jì)指標(biāo)輸入到數(shù)據(jù)庫(kù)中。
按Met、Sch、Gn 3種巖性、不同風(fēng)化程度劃分模型區(qū)域,其中全風(fēng)化巖體由于分布在左側(cè)邊坡,開挖過(guò)程中較難分辯,不做區(qū)分。RMR模型基本指標(biāo)如表3。
表3 溢洪道RMR巖體力學(xué)分類各指標(biāo)取值
溢洪道區(qū)域建立的RMR屬性模型區(qū)域如圖1所示。
按上述基本指標(biāo),建立模型典型分類結(jié)果示意如圖2、3、4和表4。
表4 溢洪道石英片巖(Sch)各風(fēng)化層巖體RMR分類
溢洪道泄槽建基面附近揭露了Met、Sch、Gn 3類巖性,按分類評(píng)分標(biāo)準(zhǔn),可以進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)各類圍巖出露情況如圖5、6、7和表5。
表5 溢洪道泄槽建基面RMR巖體質(zhì)量分類各區(qū)域占比統(tǒng)計(jì)
溢洪道泄槽基礎(chǔ)砂巖、粉砂巖夾礫巖區(qū)域(Met)巖體質(zhì)量以Ⅳ級(jí)為主,Ⅲ2占比14%左右;石英片巖(Sch)、片麻巖(Gn)區(qū)域?yàn)棰?~Ⅱ級(jí)巖體。根據(jù)RMR分類評(píng)價(jià),按 Hoek-Brown 破壞標(biāo)準(zhǔn),給定相關(guān)參數(shù),可以對(duì)相關(guān)巖體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行取值,一是按RMR評(píng)分的Hoek-Brown參數(shù)(HB),二是RMR評(píng)分的中國(guó)規(guī)范法參數(shù)(HC)。取值參數(shù)包括了巖體變形模量E(EHB、EHC)、黏聚力c(cHB、cHC)、摩擦角Phi(PhiHB、PhiHC)及巖體抗壓強(qiáng)度σCM。Hoek-Brown 破壞標(biāo)準(zhǔn)中主要有完整巖石單軸抗壓強(qiáng)度UCS和完整巖石系數(shù)mi,均可查閱相關(guān)表格,開挖擾動(dòng)系數(shù)均取0.7,溢洪道RMR分類中HB力學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)換基本參數(shù)設(shè)置如表6。
表6 溢洪道RMR分類中HB力學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)換基本參數(shù)設(shè)置
按Hoek-Brown(HB)取變形模量E、凝聚力c、摩擦角Phi及巖體抗壓強(qiáng)度σCM,典型變形模量E如圖8、9、10和表7。
表7 溢洪道石英片巖(Sch)各風(fēng)化層巖體EHB取值
按中國(guó)規(guī)范法(HC)取變形模量E、黏聚力c、摩擦角Phi,典型變形模量E如圖11、12、13和表8。
表8 溢洪道石英片巖(Sch)各風(fēng)化層巖體EHC取值
并可以提出溢洪道泄槽建基面附近各巖體力學(xué)參數(shù),典型如圖14、15、16和表9。
表9 溢洪道泄槽建基面巖體參數(shù)EHB分布表
溢洪道力學(xué)參數(shù)計(jì)算成果,將分別按國(guó)際RMR分類法取值,中國(guó)規(guī)范法取值、綜合取值建議,各類建議參數(shù)如表10、11、12。
表10 RMR分類法取值力學(xué)參數(shù)建議
表11 中國(guó)規(guī)范法(HC)取值力學(xué)參數(shù)建議值
表12 溢洪道巖體力學(xué)參數(shù)綜合建議值
(1) ITASCAD地質(zhì)工程三維建模與分析軟件在水電工程中可以建立數(shù)據(jù)庫(kù)及地質(zhì)三維模型,數(shù)據(jù)庫(kù)中包括了所有勘測(cè)數(shù)據(jù),如地面測(cè)繪、勘探、物探、試驗(yàn)等;并能極大地加快勘測(cè)資料分析及處理,節(jié)省人員。建立的地質(zhì)三維模型包括了各種地質(zhì)界面。
(2) 根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)及三維模型可以進(jìn)行巖體類別劃分及巖體力學(xué)參數(shù)分析,軟件的多種功能本文未涉及。
(3) 利用ITASCAD地質(zhì)工程三維建模與分析軟件進(jìn)行的巖體力學(xué)參數(shù)提交給國(guó)外工程師,直接得到了國(guó)外工程師的認(rèn)可。