基于三维地质建模的大型地下厂房岩体质量分级

2022-12-07张建龙柴建峰安晓凡冯秋丰颜英军程亚男郭福钟

水力发电 2022年10期

张建龙，柴建峰，安晓凡，冯秋丰，颜英军，闫宾，程亚男，郭福钟

(1.国网新源控股有限公司抽水蓄能技术经济研究院，北京 100761；2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安 710065；3.加华地学(武汉)数字技术有限公司，湖北武汉 430074)

0 引言

岩体质量是复杂岩体各种工程地质特性的综合反映，是将复杂的地质体按其工程地质条件的优劣以简单的类型进行概化，分级结果不仅能反映岩体在岩性、构造、风化、卸荷等方面存在的差异，更能体现岩体力学属性的差别，是判别岩体优劣，沟通勘察、设计、施工等专业认识的桥梁[1]。岩体质量分级最早应用于地下工程岩体质量评价，经过半个多世纪的研究与发展，已广泛应用于地下洞室、边坡、坝基等多个领域。不同时期影响较大的方法有Terzaghi分类、Deere的RQD分级、Wickham的岩石结构RSR分类、Bieniawski的RMR分类、Barton的Q分类，以及谷德振等提出的岩体质量系数Z分类、岩体基本质量指标BQ法、水电岩体工程地质分类HC法等[2- 8]。上述这些常用的评价方法，多是将岩石强度和岩体完整性作为重要的参评因素，结合工程侧重点不同，辅以工程修正因素，采用相应的评价指标和分级标准进行分级，岩体质量评价也逐渐由单因素定性分级逐渐向多因素定量指标分级的方向发展。随着我国西部溪洛渡、锦屏、拉西瓦、小湾等大型水电工程的建设，岩体质量评价在实际工程中发挥了重要作用，而大量地下工程开挖后丰富的现场资料也使岩体质量评价方法得到了验证和完善，为后建工程提供了宝贵的借鉴经验。

ItasCAD是基于DSI插值技术，通过数据库数据应用、三维地质建模以及成果输出3大模块建立的针对岩土工程地质体的专业性BIM平台[9]。本文以镇安抽水蓄能电站大型地下厂房为研究对象，系统阐述了基于ItasCAD三维地质模型的岩体质量分级方法和过程，进而运用RMR、HC和BQ这3种方法对地下厂房的围岩质量进行评价，对比分析了不同方法的适用性，可为地下工程岩体质量评价提供参考。

1 基于ItasCAD的岩体质量分级方法

1.1 分级方法选择

ItasCAD以其独有的系统框架设计和支撑性技术区别于世界上已经面市的其他相似类型产品，其将勘探、试验等数据储存于平台的数据库中，以数据库为基础建立起包含地质体空间几何形态特征、岩土工程分析和设计等信息的三维地质模型，具备在含属性三维地质模型基础上开发岩土力学分析和岩土工程设计的能力，为水电行业地质三维建模和分析提供了有效的解决方案。

国际范围内的岩体质量分级方法很多，目前被工程界普遍接受的主要有地质力学分类(RMR)和隧道支护衬砌的围岩分类(Q)；国内工程主要采用基于GB 50287—2016《水力发电工程地质勘察规范》的水电HC分类以及基于GB/T 50218—2014《工程岩体分级标准》的BQ分类等几种[10]。基于Q分类的岩体质量分级只考虑岩体自身的完整性，未考虑岩块强度和工程因素，将岩体质量分为9级[11-12]；RMR、HC、BQ这3类方法将岩石的坚硬程度和完整性确定为岩体质量的主因，将岩体质量分为5个不同等级。

考虑到数据库录入的统一性，ItasCAD地质三维建模与分析系统嵌入了RMR、HC、BQ这3种分类方法，并且增加了上述方法与Q分类的换算功能。ItasCAD嵌入的这3种岩体质量分类方法具有基本相同的工作理念和流程，支持依据工程类型及其地质条件对分级指标或成果进行修正，同时参数取值涵盖水电规范与Hoek-Brown系统2种方法，不仅服务复杂条件下岩体力学参数取值，而且具有良好的国际认可程度。岩体质量分级过程严格遵循“获取单指标值、然后求和”的原始要求，通过相对简单的试验和测试获得岩石和岩体基本特征的定量指标，以及通过现场编录获得结构面发育特征和性状以及地下水条件等描述性结果，按照单指标打分汇总的方式获得岩体质量基本分值，区别于现实工作中直接给出岩体质量等级的工作方式，成果质量更易于得到保障。

1.2 岩体质量分级流程

ItasCAD基于RMR、HC、BQ分级方法建立了一套较为科学的岩体质量分级方法，所需的单指标值都以“隐蔽”的方式存储于数据库中，这些钻孔、平硐以及物探资料和数据是岩体质量分级的基础。所需的单指标及数据库录入界面见图1。分级前，将目标部位内分级所需的单指标以数据或点集的方式导入三维可视化平台，在具备上述资料以后，岩体质量分级和参数取值实现过程非常简捷直观。

针对复杂地下洞室工程，首先应在图形界面中定义岩体质量分级范围，采用裁剪盒命令辅助设置拟开展岩体质量分级的空间范围，并根据此范围创建立方网，立方网网格尺寸的大小与指标数据空间间隔接近。然后，按风化卸荷面、特性差别明显的岩性或地层分界面进行分区，进而得到不同属性的地质单元体。定义岩体质量分级范围及地质单元划分见图2。

启动立方网命令中的岩体质量分级操作，选择立方网及相应的分级方法，导入对应的分级单指标值。洞室群岩体质量分级操作界面见图3。当分级方式选定后，会自动列出所需的单指标类型，然后依次选择各分级指标，根据数据准备情况选取赋值的方式，分级单指标来源方式见图4。参数来源可以选择“自点集”或“自勘探”传递给立方网，而岩石强度指标一般采用试验统计结果，用“自赋值”的方式赋予立方网。根据建模经验，不论是采用哪种岩体分级方式，建议岩石单轴抗压强度采用人工赋值。其中“数值单元百分比”指在所选区域内被赋值的网格比例，建议不超过50%。待分级指标插值完成后开始岩体分级，程序自动将分级范围内的所有立方网格单元内的分级单指标进行求和，完成岩体质量分级的全过程。

2 镇安抽蓄地下厂房岩体质量分级研究

2.1 工程概况

镇安抽水蓄能电站位于陕西省商洛市镇安县月河乡境内，枢纽工程主要由上水库、下水库、输水系统、地下厂房及开关站等建筑物组成，见图5。电站装机容量1 400 MW(4×350 MW)，设计年发电量23.41亿kW·h，年抽水电量31.21亿kW·h，综合效率约为75%。工程建成后，主要服务于陕西电网，承担调峰、填谷、调频、调相及事故备用等任务。

工程区位于秦岭褶皱系南秦岭褶皱带，据地质调查和勘探平硐揭露，工程区不存在区域性断裂或贯穿整个库坝区的规模较大的断层，外围历史强震对工程场地影响较弱，围岩主要为微风化花岗闪长岩，岩体完整，岩质坚硬，断裂构造发育一般，未发现大的断层和软弱结构面，岩溶不发育。

上水库位于月河右岸金盆沟，大坝采用混凝土面板堆石坝，最大坝高125.90 m。库区基岩主要为结晶灰岩和花岗闪长岩，水库正常蓄水位1 392.00 m；下库坝区位于月河干流上，大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高95.00 m，库区两岸为花岗岩山体，正常蓄水位945.00 m。

地下厂房上覆岩层厚度大，岩性相对较单一，岩石坚硬，断层规模较小，围岩相对完整，具备较好稳定性。厂房区域地应力水平较低，地下水活动总体较弱。综上所述，地下厂房工程地质条件良好。

2.2 地下厂房围岩质量分级结果

镇安抽水蓄能电站地下厂房区共布置8条平硐、11个钻孔，开展了88组室内岩石物理力学试验、30组现场岩体静力变形试验、8组岩体接触面大剪试验、7组混凝土与岩体接触面抗剪强度试验、3组结构面抗剪试验，以及多点岩体波速测试工作，为地下厂房的岩体质量分级提供了重要的数据支撑。

地下厂房主要洞室围岩为微风化花岗闪长岩，岩性相对较单一，因此岩性对围岩分类影响较小。围岩分类主要受断层及层间错动带分布以及节理裂隙发育程度等影响。基于三维地质模型的镇安电站地下厂房岩体质量分级是以PD08、PD10、PD11和PD17这4个平硐的勘探试验资料为基础开展的。图6～8为运用BQ、RMR和HC这3种方法，地下厂房围岩质量分级的结果。

从图6～8可知，虽然3种方法都是通过单指标值求和的方式对岩体进行综合评价，但每种方法评分指标的不同导致了分级结果存在差异。RMR法选取天然状态岩石单轴抗压强度、RQD、节理线密度、节理面状态、地下水条件这5个指标进行评分，先将各得分值相加得到RMR法的初值，再根据不连续面产状与硐室关系的评分对RMR初值进行修正，得到最终的RMR值。因此，RMR建立在综合特征值确定的基础上，偏重于定性观察，突出节理结构面对岩体稳定性的影响，是一种定性为主、定量为辅的分级方法。水电HC分级法选取岩石饱和单轴抗压强度、岩体纵波波速、节理面状态、地下水条件及岩体质量指标RQD这5个指标进行评分，是定性与定量相结合的分级方法。BQ分级主要选取饱和状态岩石单轴抗压强度、岩体纵波波速以及地下水条件这3个指标进行评分，是以岩石坚硬程度、岩体完整程度为基本因素，针对工程岩体特征，考虑地下水、软弱结构面和地应力等因素进行修正，是一种定性与定量相结合的分级方法。

对于同一工程，在岩体、构造应力、裂隙发育程度、波速以及地下水等工程地质特性相同情况下，BQ反映岩体的基本质量，RMR和HC则反映工程岩体质量。对比分析结果显示，在标准统一的条件下，岩体的基本质量级别通常会略高于工程质量级别，这是RMR、HC和BQ这3种分级方法产生差异的根本原因。陈理想等[13]也通过大量试验发现，对于同一工程，BQ和HC法取值较RMR法相对保守，所得的围岩分级较RMR法往往偏小1～2个级别。

虽然各种方法的分级参评因素不同，但都是以岩体结构完整性和岩石强度为控制岩体质量和分级的基础，使得它们之间具有可比性和相关性[14-17]。此外，各方法所得的岩体分级结果可以相互验证，提高了岩体质量综合评价和分级结果的可靠性。因此，通过ItasCAD内置这3种方法进行分级，能够获得被工程界广泛认可的岩体质量评价结果。