数字化在高拱坝地质力学模型试验中的应用

程 立，郑双凌，刘耀儒，杨 强

（1. 水电水利规划设计总院，北京 100120；2. 清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084）

利用地质力学模型试验可研究断层和裂隙等地质构造对大坝稳定性的影响、大坝与地基的相互作用及共同作用、加固地基措施的效果及大坝破坏机制等[1]。早在20 世纪60 年代，意大利的结构模拟模型试验研究所（ISMES）即对坝高222 m 的阿尔门德拱坝等多个水利工程进行地质力学模型试验模拟[2]。清华大学、四川大学、长江科学院等国内高校和科研单位也对我国几乎所有的特高拱坝开展了地质力学模型试验，并在关键技术方面积累了丰富的实践经验。虽然有限元等数值模拟技术发展很快，但地质力学模型试验仍有着不可替代的优势，并有迫切的数字化需求。地质力学模型试验数字化系统开发的第一步是建立包含基础岩体及建筑物的3D 可视化模型，即根据用CAD 设计的2D 图生成3D 图。由于岩石工程地质结构复杂，3D可视化工作难度较大。法国Nancy 大学的Mallet 教授提出离散光滑插值（discrete smooth interpolation，DSI）方法。该方法基于对目标体的离散化，用一系列具有几何和物理特性的互相连接的节点来模拟地质体，进而开发出应用最广泛的地质工程建模软件GOCAD[3-4]。国内学者在地质工程的 3D 可视化研究方面也取得了很大进展[5-6]。天津大学钟登华院士课题组开发出Visual GEO 系统，基于NURBS 技术提出实现工程地质信息3D 可视化重建的新途径[7-9]。

目前常用的CAD 二次开发工具有Auto LISP/Visual LISP、Object ARX、VBA 等[10-12]。相比于其他开发工具，VBA 的功能更强大、更简便易行。因此，本文选用VBA 为开发工具，并以 Excel 作为数据库与数据处理工具，基于某CAD 软件编译了地质力学模型试验数字化系统。

1 地质力学模型试验数字化系统工作框架

地质力学模型试验中使用的基本设计数据可以储存在数字化系统中供查询使用。试验进行时，系统可以对试验采集的数据进行初步处理和分析，供试验人员决策和对模型试验进行实时控制。该系统借助于CAD 的3D 模型，可以更加直观、明了地展示试验结果。地质力学模型试验的数字化系统由四大模块组成，每部分又有若干的小模块。

（1）试验设计信息查询模块。在试验前会将特定的试验设计信息——例如地质条件、试验目的及重点区域、测点布置情况、体型参数等——储存在特定的位置，供试验过程及试验结果展示中的查询。

（2）3D 模型控制模块。该模块有图层控制和测量信息导入2 项功能。通过关闭某些暂时不用的图层，可以加快计算机的运行速度。另外，可以根据储存在Excel表格中的测点和千斤顶坐标，自动批量地向2D 图及3D图中导入测点、千斤顶符号，避免了手动导入的麻烦。

（3）实时观测和查询模块：该模块是地质力学模型试验数学字化系统的重点，它可以将试验数据采集系统提供的原始 txt 文档自动导入 Excel 中并实时更新；通过VBA 调用Excel 实现对试验数据的运算、绘制曲线图等。在试验过程中，可以根据需要选择察看特定测点组或者监控某一软弱结构面的所有测点信息，也可以绘制出坝面的应力矢量图和位移图。

（4）试验成果展示模块：该模块分为典型测点分析、软弱结构面分析、坝体整体分析3 部分，并与数值计算结果进行对比，使试验结果更直观、清晰地展示。

2 3D 模型的建立

高拱坝工程图纸是各高程的 2D 平切图。由于岩体工程地质条件复杂，山体边坡形状、断层分布等没有规律，而且岩石工程建筑种类繁多，内部结构错综复杂，因而高拱坝工程3D 建模异常复杂。本文的3D建模流程如图1 所示。

图1 地质力学模型试验中3D 模型建模流程

2.1 3D 建模的预处理

工程平切图是工程每个高程的水平图，高度差2～50 m 不等，如图2 所示大岗山拱坝1135 m 高程原始平切图。将各高程的平切图按照高度差层叠起来，就构成该工程的 3D 线框图。但是，一般获得的原始平切图并不是专门为了建立 3D 模型而制作，其构图特点、图中内容都和构建 3D 模型所需要的平切图有很大的差异。因此需要先对平切图做一定的修改。

修改的内容包括：

（1）剔除图层无用信息；

（2）将Z 坐标移动到正无穷大处，再移动到Z 向负无穷大处，实现将所有图层Z 坐标清零；

（3）统一图框大小及范围；

（4）将3D 模型中各高程的相同山体地质线都重新设定到同一图层中[13]。

图2 大岗山拱坝1135 m 高程原始平切图

3D 建模预处理过程涉及大量的重复性工作，可在CAD 软件中通过VBA 编程批量处理。

2.2 后续建模方法和工具

通过一系列建模预处理程序，各个高程的平切图已经可以用来进行建模。建模工作可以概括为：

（1）在 CAD 的3D 草图工作空间，将各个高程的平切图按照其各自的高程间隔叠放在一起；

（2）使用直纹网格和边界网格功能将简单的 3D线条构建成曲面和体，再用渲染功能对模型进行适当的渲染；

（3）构建工程3D 模型周围的包络线框。

高拱坝工程3D 建模的步骤如下：

（2）利用3D 的CAD 直纹网格功能和边界网格功能化线为面，当两条地质线在水平面投影夹角较大时，可能造成网格的空间关系混乱，可通过使用边界网格解决[10]；

（3）使用CAD 自带的渲染功能对坝体、各断层、边坡进行渲染。最终完成的高拱坝工程3D 模型如图3所示。

图3 高拱坝工程3D 模型

3 地质力学模型试验数字化操作系统

3.1 试验信息查询

试验信息查询分为模型试验原始资料查询和模型试验设计展示查询两部分，使用VBA 实现多页控件、文本框、图像控件等功能。试验前，可以将试验的相关资料储存在指定的文本框、文件或文件夹中，根据需要调用试验的原始资料和试验设计的相关资料。

模型设计基本信息界面如图4 所示，可以察看试验的地质平切图、各材料的力学参数、试验比尺等。本部分将图片储存在指定的文件夹，通过文件名选择和调用文件；也可在CAD 图中详细察看地质平切图。在测点布置界面，可以察看储存在 Excel 表格中的测点布置信息，也可以察看内部位移计的位置图。

图4 模型设计基本信息界面

3.2 CAD 模型图操作

在使用地质力学模型试验数字化系统时，需要对CAD 模型图进行操作，例如图层控制、千斤顶导入和测点导入。

（1）图层控制。3D 模型中包含有坝体、断层、边坡、框体等海量的信息，如果显示全部信息，会造成 CAD 软件运行缓慢，不利于对某一局部区域的观测。所以在使用 3D 模型时，经常需要关闭暂时不用的图层。但是，CAD 的 3D 图中图层多（一般 50 个以上），使用CAD 自带的关闭图层工具比较麻烦。本系统特增加图层控制界面，在此界面控制 3D 模型图中的图层。

（2）千斤顶导入。常规的地质力学模型试验仅模拟水荷载，并且荷载可以近似为三角形荷载。例如大岗山地质力学模型试验中采用27 个自制的小千斤顶，上下共分5 层模拟荷载。每组千斤顶均与分油器相连，用7 个精密压力表来测量各层的外油压。在模型图中可以准确地显示千斤顶的位置与实际荷载，并通过在CAD 图中捕获千斤顶中心显示千斤顶位置等信息，方便了解试验进程及对试验结果的理解。在模型试验中，试验人员一般只提供坝面平面图中的千斤顶坐标，而且在CAD 中3D 图往往运行缓慢，所以本系统也有在2D 图中导入千斤顶符号功能。千斤顶导入界面如图5所示。

(3)P=p′∪Process∪Procedure∪Step，其中：Process表示工艺节点的集合，Procedure表示工序节点的集合，Step表示工步节点的集合。工艺由多个工序组成，工序又由多个工步组成。

图5 千斤顶导入界面

（3）测点导入。在模型试验中需要各种测点的布置图。按照测量目的的不同，测点分为3 种：①应变片，有a、b、c、d4 个方向；②位移计，有x、y2 个方向；③内部位移计及拐点位移计，1 个方向。设立测点导入界面，可以根据测点的不同性质批量导入不同类型的测点。

3.3 实时分析

实时分析是地质力学模型试验数字化系统的核心功能，包括对试验数据的实时处理、分析与查询，使试验进程更加清晰、直观地展示，以便于试验人员实时做出决策，减少试验中依靠经验盲目决策的现象。本部分由千斤顶实时查询界面和试验数据实时分析处理界面构成。

3.3.1 千斤顶实时查询界面

该界面用于千斤顶坐标、直径、荷载等信息的查询，既可以输入千斤顶编号进行查询，也可以通过在2D 图或3D 图捕获千斤顶中心进行查询，如图6 所示。该界面具有在模型图中消隐千斤顶、显示千斤顶布置图、显示加载过程的功能。在试验中如果需要对数据进行修改，可打开保存千斤顶数据的 Excel 文档进行修改，这些可完全满足试验的需求。

图6 3D 图中千斤顶信息查询效果图

3.3.2 试验数据实时分析处理

对试验数据进行实时分析和处理是地质力学模型试验数字化系统中最核心的功能，也是功能最多的部分，并有2 个辅助界面。用于试验时，对实时试验数据的更新、处理，并供查询，便于试验人员决策，可大大减少决策的盲目性。该界面由5 个基本部分组成，如图7 所示。

图7 试验数据实时分析处理界面

（1）试验数据导入。功能是将数据采集系统得到的txt 文档进行初步处理并导入Excel 表格中。

（2）绘制与显示测点加载倍数-应变/位移曲线。功能是根据实时试验数据绘制1 个或者多个测点的加载倍数-应变/位移曲线（可通过多个测点反映某一软弱带的错动情况），一次可绘制最多 10 个测点的位移/应变曲线。曲线图以特定的名称储存在指定的文件夹中，方便试验结果的分析。

（3）测点信息查询。功能是查询测点（位移计或者应变片）的实时数据，可以手动输入测点名称，也可以进入 CAD 界面通过捕获测点查询，系统可根据测量值自动计算出实时主应变和主应力。

（4）监控结构面/坝体测点组位移曲线的查询。功能是显示监控某一局部位移的所有位移计实时数据曲线，进而反映模型试验中某一软弱结构面或坝体局部的变形情况。

（5）绘制坝体 2D 应力矢量图。功能是计算坝面的实时应力情况，并绘制坝面实时应力矢量图。由于模型试验中部分坝面应变片会由于多种非测量原因失效，出现异常的大数值，所以本部分特设置了自动剔除功能，剔除测量值过大的测点。

3.4 结果分析展示

本部分由测量值分析展示、软弱结构面分析展示和坝体整体分析展示3 部分构成。通过调用CAD、Word、Excel 等应用软件，分析并展示模型试验的成果，取代了以前单调的 Word 试验报告，可以更加直观、方便地分析与展示试验成果。

（1）测量值分析展示部分。如图8 所示，本部分结合CAD 的2D/3D 模型展示位移计/应变片的最终测量结果与分析结论；也可以察看单一测点或监控某一软弱面的测点组的最终测量数据及分析结论。

（2）软弱结构面分析部分。本功能用于展示软弱结构面相关测点的测量曲线及分析结论。坝肩岩体软弱结构面的稳定性是地质力学模型试验的主要考察对象，通过相关位移计的加载倍数-位移曲线图，可以分析各超载情况下软弱结构面的稳定性。

图8 内部位移计剖面图捕获效果图

（3）坝体整体分析展示部分。可以展示正常水载下的坝体位移、坝体应力、坝肩岩体的变形与开裂、坝体整体稳定性评价、模型的结论与建议等内容。

本部分充分利用CAD 和Excel 的互相调用优势，使试验结果的展示更加方便、快捷并且简单明了。

4 结论

地质力学模型试验数字化操作系统基本满足了现有条件下地质力学模型试验对信息化、可视化、自动化的要求，大大提高了地质力学模型试验的质量与效率。

（1）使用CAD 软件可进行岩体工程的3D 建模，基本满足了地质力学模型试验数字化系统的需求。

（2）在需要大量杂乱数据处理的地质力学模型试验中，基于 VBA 语言，以 CAD 软件为平台，并以Excel 作为数据库及数据处理工具，具有较大的优越性；CAD 突出的模型展示能力、Excel 自有的对数据处理功能和VBA 强大的编译能力相结合，可以快速、简便地完成对试验数据的实时处理、分析与展示。

（3）通过CAD、Excel 等常规软件可简单易行的辅助工程实践。