基于BIM技术的水电站地下洞室定位关键块体分析方法

2022-06-08杨东升费秉宏孙春华

西北水电 2022年2期

杨东升,费秉宏,孙春华

(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

随着中国水电资源的开发，近几年基本以西南高海拔地区的常规水电建设和抽水蓄能电站建设为主。西南地区多高山峡谷，区域构造复杂，地震烈度高，故一般以地下发电厂房建设居多；而抽水蓄能电站一般水头较高，机组的吸出高度较大，发电厂房也以地下为主。地下洞室的稳定性保证尤为重要，而施工期块体的稳定保证也是工程建设的重中之重。

1985年Goodman R E与石根华正式提出块体理论(Block Theory)[1]，该理论得到了国际岩石力学界广泛的推崇并衍生出了多种多样的分析方法。加拿大多伦多大学E Hock等人依据石根华块体理论开发研制的Unwedge程序，具有界面友好，使用方便，可进行交互式操作的特点；同济大学张子新等人研究了赤平解析法在硐室稳定分析中的应用并用FORTRAN编制了计算软件[2]；武汉大学邬爱清等人提出了应用岩石块体理论进行三维随机块体几何搜索的方法，为工程支护分析提供了依据[3]；国防科技大学吕徽等人基于块体理论研发了科学计算可视化系统，提出以模块化的结构为骨架，结合FORTRAN强大的计算能力实现了特定领域的计算可视一体化[4]；石广斌等人研究了大型地下洞室围岩定位块体的快速生成及稳定分析方法，利用ANSYS的面、体运算功能确定地下洞室围岩定位块体，基本能够快速解决大型地下洞室围岩中定位块体规模确定、稳定性分析与锚固设计体大小[5]。以上研究成果一方面在研究过程中均假定所形成的块体为四面体，与工程实际有一定差异；另外一方面，工程人员在设计过程中需要复杂的数学几何知识、缺乏空间直观性，导致工程设计人员实际应用困难；再者由于目前相关商业软件通用性较差，不利于工程技术人员推广应用。本文基于BIM设计软件具有可视性、直观性、参数驱动性，针对水电站地下洞室特点，提出一套适合工程技术人员的定位关键块体分析方法，为提高现场服务的响应速度，保证工程建设安全提供支撑。

1 基于BIM的水电站地下洞室定位块体分析方法

建筑模型信息化BIM(Building Information Modeling)，核心是通过建立虚拟的建筑工程三维模型，利用数字化技术，为这个模型提供完整的、与实际情况一致的建筑工程信息库。BIM虽然起源于建筑工程，但已经广泛应用于岩土、工业厂房、机电设备等各领域，并贯穿于工程设计、建造、管理等全过程。基于BIM的地下洞室定位块体分析就是利用BIM软件可视化的特点，准确模拟结构面与建筑物的相对关系，运用设计人员熟悉的作图方法快速生成关键块体，并融合成熟的分析方法判断块体的稳定状态，进而为块体的补充支护提供合理的依据。基于BIM的地下洞室定位块体分析方法如下所述。

1.1 结构面规范化处理及关键块体初判

结构面的信息一般包含走向、倾向、倾角、抗剪断参数f′、黏聚力c′、开合度、充填物性状等，由于走向不能唯一的表达结构面的空间形状，故为作图及分析方便以倾向角来表征结构面的方位信息，为在BIM软件中准确做出结构面，还需要提供结构面与建筑物的交点，本处统一取结构面和厂房轴线的交点，其它信息一并录入系统。表1为整理的结构面信息示例。

表1 结构面规范化处理示例

由相关文献可知，若由结构面和临空面共同组成的块体为有限，而仅由结构面构成的裂隙块体为无限，则该块体为可动；若由结构面和临空面共同构成的块体为有限，而仅由结构面构成的裂隙块体亦为有限，则该块体为不可动[6]。在洞室开挖后，地质专业人员会实时编录断层、裂隙等结构面信息并制作成素描图、平切图等，而平切图较赤平投影图更加准确的描述了结构面出露的位置，更具工程实用性。以图1所示的地下洞室顶拱高程结构面平切图为例，图中箭头所指方向为结构面倾向，由几何判断可知由L1、L2、L3、L4结构面与顶拱开挖面所形成块体有限，仅由L1、L2、L3、L4结构面所组成块体为无限，故初步判断该块体可动，由L2、L3、L5结构面与顶拱开挖面所形成块体有限，而由L2、L3、L5结构面所形成块体亦为有限，故该块体为不可动。根据以上思路，工程人员只需根据平切图进行初判，找出可动块体。

1.2 地下洞室及结构面BIM模型快速建立

上节已经根据初判找出了可动块体，但块体是否存在还需通过几何作图进一步确认。首先通过作图软件做出地下洞室及结构面的BIM模型。本处应用Catia软件的参数化，模板化功能快速建立地下洞室及结构面的模型，参数化、模板化方法此处不予详述。图2为参数化建立的地下洞室BIM模型、图3为调用模板生成的结构面BIM模型。

1.3 定位关键块体的生成

有了地下洞室及结构面的BIM模型后，即可通过作图方法做出由结构面与开挖临空面所构成的块体。因地质平切图只表达了结构面的位置、走向、倾向等信息，并未反应倾角信息，故通过作图方法切割不出相应块体的，则认为初步判断的可动块体不存在。图4为通过几何作图方法切割形成的关键块体。应用BIM软件的测量功能，可以很容易得出块体体积、高度、底面积等信息。

1.4 块体稳定性分析

块体失稳形式有垮落型(悬吊型块体)、滑移型(单面滑动和双面滑动)等类型，采用刚体极限平衡法计算围岩块体稳定时，块体稳定安全系数可按下列方法计算:

(1) 悬吊型块体

K=Pv/G

(1)

(2) 单面滑动块体基本组合

(2)

(3) 双面滑动块体基本组合

(3)

(4)

(5)

根据切割出的关键块体形状，可以很容易判断属于哪种类型的破坏模式。运用合适的公式可以快速计算出无支护情况下的安全系数，对照NB/T 35090—2016《水电站地下厂房设计规范》对于块体稳定最小安全系数的要求，若不满足可以施加支护措施。利用BIM软件(本文应用Catia软件)的参数化功能，可以直接继承组成关键块体的结构面信息，并将相关稳定计算公式嵌入软件中，即可在BIM软件内完成关键块体的作图及计算分析。

1.5 块体支护设计

对于安全系数不满足要求的块体，应当增加支护措施。一般在地下洞室的设计中都会有系统锚杆、预应力锚索/锚杆或锚筋桩等，在计入系统支护后仍需增加支护措施的应当合理考虑新增支护的布置。基于BIM进行块体稳定分析后，可以很容易将块体的形状投影至平面，将投影与支护图叠加分析后，可以合理确定所增加支护措施的位置，减少现场施工的冲突。图5为块体的投影与开挖支护图的叠加，在图中可以更有针对性的进行支护设备布置。

2 工程实际应用

陕西镇安抽水蓄能电站位于陕西省商洛市镇安县月河镇东阳村镜内，电站装机容量1 400 MW，为地下厂房。系统布置在右岸，采用尾部式布置，由地下厂房、主变洞和尾闸洞组成，地下厂房、主变洞和尾闸洞平行布置，厂房轴线方位为NW300.66°。地下厂房尺寸为176.5 m×25.5 m×56.5 m(长×宽×高)，拱顶开挖高程为878.00 m，底部高程820.50 m。2019年9月份完成了地下厂房第一层中导洞的开挖，12月份完成了第一层的扩挖，为保证厂房顶拱的稳定。根据地质编录情况，中导洞开挖后有27组结构面出露，第一层开挖后有88组结构面出露，设计人员按照前述方法及时对块体的稳定性进行了分析。初步判断有24组可动块体，经过BIM作图及计算分析后，确认有10组安全系数不满足要求的块体，表2为厂房顶拱关键块体计算分析的安全系数及需要增加的支护措施，图6为厂房顶拱关键块体分布情况。结合表2及图6分析，有些块体虽然为垮落型，但其跨越中导洞或局部在中导洞提前出露，故在开挖中并未直接掉落，这也说明施工中先开挖中导洞，完成中导洞顶部的支护后再进行扩挖的施工安排是合理的。目前镇安地下厂房顶拱已经首层的开挖验收，无任何块体稳定问题，洞顶稳定良好。