ITASCAD软件在老挝南俄3水电站工程中的应用

2022-06-08杨天俊李治民

西北水电 2022年2期

杨天俊,杨芸,李治民

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

0 前言

ITASCAD地质工程三维建模与分析软件为中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司与依泰斯卡(Itasca)(武汉)咨询有限公司联合开发的的数据库分析程序及三维建模软件(依泰斯卡(武汉)咨询有限公司现更名为：加华地学(武汉)数字技术有限公司，ItasCAD软件更名为CnGIM_ma)，该软件具有的功能主要有：① 建立数据库，完善的数据库自身功能可以大大提高工程地质内业整理的效率，而且是建模和模型应用的基础；② 创建含属性三维地质模型，包括建模功能增加，其中地质建模采用了和GoCAD相同的离散光滑插值(DSI)算法，成为世界仅有的、采用这一核心技术的两款专业软件之一，是实现复杂地质体快速建模和模型更新的关键；分析部分主要是节理统计分析在根据节理优势性产状进行分组统计的基础上，还可以对优势节理长度和间距进行统计，并分析各组优势性节理的空间分布，从而大幅提高了节理地质编录数据的工程应用范围； ③ 模型应用，首先对地质模型进行空间分区，利用每个区内的属性样本进行空间插值和四则运算，获得所需要指标的空间分布。这些通用性技术的应用功能之一是进行三维空间的岩体质量分级，软件内置了兼容水电、BQ和RMR的3种围岩质量分级方法，利用地质勘测获得的相关指标获得给定范围内这3种方法的岩体质量分级结果。其次是二维成图、岩土体专题问题分析、岩土工程设计等，并可在工程的全阶段使用。

该软件在老挝南俄3工程进行了综合应用，本文对部分功能使用进行了系统总结。

1 概况

南俄3水电站位于老挝民主共和国，为南俄河的第3梯级电站，南俄河是湄公河重要的支流之一，发源于塞松本省山区，一直向南在万象市下游约90 km处汇入湄公河。枢纽布置方案主要由拦河大坝、泄水建筑物和引水发电系统组成。水库正常蓄水位723.00 m，相应库容14.11亿m3。混凝土面板堆石坝坝顶高程729.50 m，最大坝高210 m，通过长约11 km 的隧洞引水，地面厂房电站装机容量480 MW。2013年之前，国外公司完成了整个工程区相当于中国规范的预可研及可研阶段的勘测工作， 2013年4月，中国公司接手该工程的勘测设计，正式与老挝国家电力公司(EDL)签订了南俄3水电站EPC总承包合同，并进行南俄3水电站重编可研和基本设计阶段的工作。中国公司接手后，补充进行了厂房区、坝址区、引水线路区的勘探试验工作。

2 勘测阶段数据库及三维模型建立

2013年之前，国外公司的勘测资料包括了各部位的平面地质图、少部分钻孔的钻孔柱状图、大部分钻孔的岩芯、平硐展示图、试验资料；2013年之后中国公司完成了钻孔和平硐、试验等，并重新测量了各工程部位的地形图。

2.1 数据库资料收集及整理

2013年后中国公司接手南俄3 工程，在早期数据库版本的支持下，即着手建立数据库，随着版本的升级，数据库功能不断完善。整个工程建立一个数据库，软件中可分工程部位设置区域。

2.1.1早期国外公司勘测单位资料整理

(1) 已有钻孔柱状图中资料读取，并输入数据库；

(2) 已有岩芯，重新反拍照片，并进行相关风化、岩性等方面的孔深数据编录，并输入数据库；

(3) 已有平硐按平硐展示图中相关风化、卸荷、结构面、岩性等资料读取后输入数据库；

(4) 整理试验数据，按数据库中已有格式选择输入数据库。

2.1.2中国公司补充勘测资料

(1) 钻孔编录全部数据直接输入数据库，并按数据库绘制钻孔柱状图；

(2) 平硐编录资料直接进入数据库；

(3) 试验数据按数据库中已有格式选择输入数据库。

2.2 三维地质模型建立

南俄3水电站引水线路长11 km，因此，三维地质模型分3部分分别建立，一为坝址区、二为引水线路区、三为厂房区。推荐料场单独建立模型。坝址区模型范围包括了引水隧洞进口及全部建筑物；引水隧洞区模型范围也包括了引水隧洞进口；厂房区模型范围包括调压井、压力管道及地面厂房全部建筑物。分别建立模型完成后，又合并成单一全工程模型。建立的模型精度高，极大地节省了工程师内业整理的时间，及时给设计提供相关地质图件。本文仅对坝址区建立模型进行介绍。

坝址区岩性地层包括第四系、二迭系、三迭系和泥盆系。岩性包括冲洪积层、残崩积层和沉积岩类的砂岩、泥岩类；弱～浅变质岩板岩、砂岩类和深变质岩片麻岩类。岩层产状较复杂。片麻岩片麻理主要走向近南北、陡倾角( 60°～80°)、倾向东或西；板岩、砂岩类显示倾伏褶皱特征，倾角大致为60°，轴面产状走向NE83°、倾SE、倾角80°，褶皱轴产状57°/93°(倾伏角/倾伏向)，野外显示褶皱倒转。

(1) 地形图采用2013年以后测量的 1∶1000地形图；

(2) 平面地质界线采用2013年之前国外公司绘制的地质图；

(3) 风化界线、透水率线、地下水位、覆盖层、结构面均来源于勘探和地面测绘资料；

(4) 岩性在建立模型时进行了同类合并成同一层处理；

(5) 加载了设计提供的各类开挖面；

(6) 三维地质模型中包括了风化界面、透水率界面、地下水位面、覆盖层界面、断层面、岩性面、岩层产状面、地形面、勘探钻孔及平硐等。

2.3 三维地质模型在工程设计中的利用

根据软件建立模型方法，建立了工程区三维地质模型，该模型具有以下特点：

(1) 随时在空间上从不同角度查看各类界面的展布；

(2) 切制地质剖面图、平切图，生成平面地质图；

(3) 将三维模型中各类界面转换成了设计专业软件的Catia格式提供设计直接使用；

(4) 随时切制各种分析图。

3 施工期数据与模型更新

3.1 数据库增加内容

施工阶段增加到前期数据库中的内容包括：施工阶段勘探钻孔全部资料、施工阶段灌浆(帷幕灌浆、固结灌浆)钻孔全部资料、地应力测试钻孔全部资料、压水试验、补充试验全部资料、物探检测成果资料、平硐及建基面编录断层及结构面资料等。物探检测资料包括了孔内波速测试、硐壁波速测试、地应力钻孔波速检测资料、开挖建基面物探波速检测资料等。开挖建基面波速采用假定沿物探检测线为平硐进入的数据库。硐室编录资料包括了地质编录断层和结构面、硐壁线路精测资料(包括了结构面间距、性状、地下水特征等)、开挖建基面设定线路精测资料(包括了结构面间距、性状、地下水特征等)。开挖建基面设定线路精测采用假定沿线路为平硐进入的数据库。

灌浆钻孔资料按勘探钻孔进入数据库。

3.2 三维地质模型修改完善

按新增数据库内容对三维模型进行了修改完善，主要如下：

(1) 引水隧洞实际揭露岩层修改了岩性界面；

(2) 隧洞及开挖建基面揭露的断层和较大裂隙性结构面建立断层和裂隙面；

(3) 调整各部位风化界面；

(4) 随着开挖进程，随时增加开挖后的地形界面；

(5) 料场区域不定期复核计算不同时间段内实际料层开挖使用方量；

(6) 随时建立分析单一数据面模型，如趾板波速分布模型、趾板渗透率分布模型、地面厂房区波速分布模型等。

4 利用三维地质模型进行的岩体分类及力学参数取值

本工程在施工期不同时间利用数据库及三维模型进行了地面厂房区、引水隧洞区、溢洪道区的岩体分类及力学参数取值。本文仅以溢洪道为例。水电分类方案(HC方案)以控制岩体稳定的岩石强度、岩体完整程度、结构面状态、地下水和主要结构面方向修正五项因素评分之和为基本判据，围岩强度应力比为限定判据，并应符合表1的规定。

表1 HC岩体分类标准

Bieniawski提出的RMR岩体质量分类主要考虑了5个指标，分别为岩石抗压强度、RQD(岩体质量指标)、节理间距、节理状态、地下水状态。首先进行初步分类，然后根据节理的方向对工程的影响进行修正。RMR工程地质分类标准如表2。

表2 RMR工程地质分类标准

设计溢洪道位于大坝左岸，共设3孔溢洪道，由引渠段、溢流堰段、泄槽段、挑流鼻坎等组成。自2016年年初，结合大坝边坡施工开挖，溢洪道边坡相应施工开挖，到2018年5月，溢洪道560.00 m高程以上边坡施工开挖完成，泄槽段开挖到建基面，溢洪道区域累计完成钻孔1 027.90 m/16孔，钻孔主要分布在堰闸段、泄槽段及两侧边坡，挑流鼻坎及消力池段受勘探阶段条件限制未进行相关勘探，但岩体基本裸露，地质条件较为清楚。

溢洪道基岩岩性主要有弱-浅变质(Met)的板岩、石英岩、板岩粉砂岩、深变质的石英云母片岩(Sch)、片麻岩(Gn)。板岩、石英岩、板岩粉砂岩与石英云母片岩为断层接触，石英云母片岩与片麻岩渐变接触。采用的技术路线如下：

(1) 收集整理前期探测阶段全部勘探资料、试验资料；

(2) 施工开挖面分部位结构面专项统计；

(3) 建立三维地质模型，进行岩体类别划分；

(4) 根据岩体类别划分，采用相关准则确定各风化层、各开挖面岩体力学参数；

(5) 综合建议提出供设计使用的岩体力学参数。

溢洪道RQD值来源于钻孔勘探及建基面测线法实测，岩石单轴抗压强度参照坝址区及工程区岩石试验，其它指标利用建基面测线法精测成果。将所有资料(包括全部勘测成果：如风化层、地下水、压水试验等)输入到数据库中，建立三维地质模型，并进行分析。测线法野外选取测线长度为5 m，现场量测大于10 cm岩体长度、主要结构面条数、结构面特征及地下水特征等指标，将全部统计指标输入到数据库中。

按Met、Sch、Gn 3种岩性、不同风化程度划分模型区域，其中全风化岩体由于分布在左侧边坡，开挖过程中较难分辩，不做区分。RMR模型基本指标如表3。

表3 溢洪道RMR岩体力学分类各指标取值

溢洪道区域建立的RMR属性模型区域如图1所示。

按上述基本指标，建立模型典型分类结果示意如图2、3、4和表4。

表4 溢洪道石英片岩(Sch)各风化层岩体RMR分类

溢洪道泄槽建基面附近揭露了Met、Sch、Gn 3类岩性，按分类评分标准，可以进一步统计各类围岩出露情况如图5、6、7和表5。

表5 溢洪道泄槽建基面RMR岩体质量分类各区域占比统计

溢洪道泄槽基础砂岩、粉砂岩夹砾岩区域(Met)岩体质量以Ⅳ级为主，Ⅲ2占比14%左右；石英片岩(Sch)、片麻岩(Gn)区域为Ⅲ2～Ⅱ级岩体。根据RMR分类评价，按 Hoek-Brown 破坏标准，给定相关参数，可以对相关岩体力学参数进行取值，一是按RMR评分的Hoek-Brown参数(HB)，二是RMR评分的中国规范法参数(HC)。取值参数包括了岩体变形模量E(EHB、EHC)、黏聚力c(cHB、cHC)、摩擦角Phi(PhiHB、PhiHC)及岩体抗压强度σCM。Hoek-Brown 破坏标准中主要有完整岩石单轴抗压强度UCS和完整岩石系数mi，均可查阅相关表格，开挖扰动系数均取0.7，溢洪道RMR分类中HB力学参数转换基本参数设置如表6。