程 立，鄭雙凌，劉耀儒，楊 強(qiáng)

（1. 水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120；2. 清華大學(xué) 水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

利用地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)可研究斷層和裂隙等地質(zhì)構(gòu)造對(duì)大壩穩(wěn)定性的影響、大壩與地基的相互作用及共同作用、加固地基措施的效果及大壩破壞機(jī)制等[1]。早在20 世紀(jì)60 年代，意大利的結(jié)構(gòu)模擬模型試驗(yàn)研究所（ISMES）即對(duì)壩高222 m 的阿爾門德拱壩等多個(gè)水利工程進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)?zāi)M[2]。清華大學(xué)、四川大學(xué)、長(zhǎng)江科學(xué)院等國(guó)內(nèi)高校和科研單位也對(duì)我國(guó)幾乎所有的特高拱壩開展了地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)，并在關(guān)鍵技術(shù)方面積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。雖然有限元等數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)展很快，但地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)仍有著不可替代的優(yōu)勢(shì)，并有迫切的數(shù)字化需求。地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)數(shù)字化系統(tǒng)開發(fā)的第一步是建立包含基礎(chǔ)巖體及建筑物的3D 可視化模型，即根據(jù)用CAD 設(shè)計(jì)的2D 圖生成3D 圖。由于巖石工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，3D可視化工作難度較大。法國(guó)Nancy 大學(xué)的Mallet 教授提出離散光滑插值（discrete smooth interpolation，DSI）方法。該方法基于對(duì)目標(biāo)體的離散化，用一系列具有幾何和物理特性的互相連接的節(jié)點(diǎn)來模擬地質(zhì)體，進(jìn)而開發(fā)出應(yīng)用最廣泛的地質(zhì)工程建模軟件GOCAD[3-4]。國(guó)內(nèi)學(xué)者在地質(zhì)工程的 3D 可視化研究方面也取得了很大進(jìn)展[5-6]。天津大學(xué)鐘登華院士課題組開發(fā)出Visual GEO 系統(tǒng)，基于NURBS 技術(shù)提出實(shí)現(xiàn)工程地質(zhì)信息3D 可視化重建的新途徑[7-9]。

目前常用的CAD 二次開發(fā)工具有Auto LISP/Visual LISP、Object ARX、VBA 等[10-12]。相比于其他開發(fā)工具，VBA 的功能更強(qiáng)大、更簡(jiǎn)便易行。因此，本文選用VBA 為開發(fā)工具，并以 Excel 作為數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)處理工具，基于某CAD 軟件編譯了地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)數(shù)字化系統(tǒng)。

1 地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)數(shù)字化系統(tǒng)工作框架

地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)中使用的基本設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可以儲(chǔ)存在數(shù)字化系統(tǒng)中供查詢使用。試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，系統(tǒng)可以對(duì)試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理和分析，供試驗(yàn)人員決策和對(duì)模型試驗(yàn)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。該系統(tǒng)借助于CAD 的3D 模型，可以更加直觀、明了地展示試驗(yàn)結(jié)果。地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的數(shù)字化系統(tǒng)由四大模塊組成，每部分又有若干的小模塊。

（1）試驗(yàn)設(shè)計(jì)信息查詢模塊。在試驗(yàn)前會(huì)將特定的試驗(yàn)設(shè)計(jì)信息——例如地質(zhì)條件、試驗(yàn)?zāi)康募爸攸c(diǎn)區(qū)域、測(cè)點(diǎn)布置情況、體型參數(shù)等——儲(chǔ)存在特定的位置，供試驗(yàn)過程及試驗(yàn)結(jié)果展示中的查詢。

（2）3D 模型控制模塊。該模塊有圖層控制和測(cè)量信息導(dǎo)入2 項(xiàng)功能。通過關(guān)閉某些暫時(shí)不用的圖層，可以加快計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度。另外，可以根據(jù)儲(chǔ)存在Excel表格中的測(cè)點(diǎn)和千斤頂坐標(biāo)，自動(dòng)批量地向2D 圖及3D圖中導(dǎo)入測(cè)點(diǎn)、千斤頂符號(hào)，避免了手動(dòng)導(dǎo)入的麻煩。

（3）實(shí)時(shí)觀測(cè)和查詢模塊：該模塊是地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)數(shù)學(xué)字化系統(tǒng)的重點(diǎn)，它可以將試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供的原始 txt 文檔自動(dòng)導(dǎo)入 Excel 中并實(shí)時(shí)更新；通過VBA 調(diào)用Excel 實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、繪制曲線圖等。在試驗(yàn)過程中，可以根據(jù)需要選擇察看特定測(cè)點(diǎn)組或者監(jiān)控某一軟弱結(jié)構(gòu)面的所有測(cè)點(diǎn)信息，也可以繪制出壩面的應(yīng)力矢量圖和位移圖。

（4）試驗(yàn)成果展示模塊：該模塊分為典型測(cè)點(diǎn)分析、軟弱結(jié)構(gòu)面分析、壩體整體分析3 部分，并與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，使試驗(yàn)結(jié)果更直觀、清晰地展示。

2 3D 模型的建立

高拱壩工程圖紙是各高程的 2D 平切圖。由于巖體工程地質(zhì)條件復(fù)雜，山體邊坡形狀、斷層分布等沒有規(guī)律，而且?guī)r石工程建筑種類繁多，內(nèi)部結(jié)構(gòu)錯(cuò)綜復(fù)雜，因而高拱壩工程3D 建模異常復(fù)雜。本文的3D建模流程如圖1 所示。

圖1 地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)中3D 模型建模流程

2.1 3D 建模的預(yù)處理

工程平切圖是工程每個(gè)高程的水平圖，高度差2～50 m 不等，如圖2 所示大崗山拱壩1135 m 高程原始平切圖。將各高程的平切圖按照高度差層疊起來，就構(gòu)成該工程的 3D 線框圖。但是，一般獲得的原始平切圖并不是專門為了建立 3D 模型而制作，其構(gòu)圖特點(diǎn)、圖中內(nèi)容都和構(gòu)建 3D 模型所需要的平切圖有很大的差異。因此需要先對(duì)平切圖做一定的修改。

修改的內(nèi)容包括：

（1）剔除圖層無用信息；

（2）將Z 坐標(biāo)移動(dòng)到正無窮大處，再移動(dòng)到Z 向負(fù)無窮大處，實(shí)現(xiàn)將所有圖層Z 坐標(biāo)清零；

（3）統(tǒng)一圖框大小及范圍；

（4）將3D 模型中各高程的相同山體地質(zhì)線都重新設(shè)定到同一圖層中[13]。

圖2 大崗山拱壩1135 m 高程原始平切圖

3D 建模預(yù)處理過程涉及大量的重復(fù)性工作，可在CAD 軟件中通過VBA 編程批量處理。

2.2 后續(xù)建模方法和工具

通過一系列建模預(yù)處理程序，各個(gè)高程的平切圖已經(jīng)可以用來進(jìn)行建模。建模工作可以概括為：

（1）在 CAD 的3D 草圖工作空間，將各個(gè)高程的平切圖按照其各自的高程間隔疊放在一起；

（2）使用直紋網(wǎng)格和邊界網(wǎng)格功能將簡(jiǎn)單的 3D線條構(gòu)建成曲面和體，再用渲染功能對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)匿秩荆?/p>

（3）構(gòu)建工程3D 模型周圍的包絡(luò)線框。

高拱壩工程3D 建模的步驟如下：

（2）利用3D 的CAD 直紋網(wǎng)格功能和邊界網(wǎng)格功能化線為面，當(dāng)兩條地質(zhì)線在水平面投影夾角較大時(shí)，可能造成網(wǎng)格的空間關(guān)系混亂，可通過使用邊界網(wǎng)格解決[10]；

（3）使用CAD 自帶的渲染功能對(duì)壩體、各斷層、邊坡進(jìn)行渲染。最終完成的高拱壩工程3D 模型如圖3所示。

圖3 高拱壩工程3D 模型

3 地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)數(shù)字化操作系統(tǒng)

3.1 試驗(yàn)信息查詢

試驗(yàn)信息查詢分為模型試驗(yàn)原始資料查詢和模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)展示查詢兩部分，使用VBA 實(shí)現(xiàn)多頁控件、文本框、圖像控件等功能。試驗(yàn)前，可以將試驗(yàn)的相關(guān)資料儲(chǔ)存在指定的文本框、文件或文件夾中，根據(jù)需要調(diào)用試驗(yàn)的原始資料和試驗(yàn)設(shè)計(jì)的相關(guān)資料。

模型設(shè)計(jì)基本信息界面如圖4 所示，可以察看試驗(yàn)的地質(zhì)平切圖、各材料的力學(xué)參數(shù)、試驗(yàn)比尺等。本部分將圖片儲(chǔ)存在指定的文件夾，通過文件名選擇和調(diào)用文件；也可在CAD 圖中詳細(xì)察看地質(zhì)平切圖。在測(cè)點(diǎn)布置界面，可以察看儲(chǔ)存在 Excel 表格中的測(cè)點(diǎn)布置信息，也可以察看內(nèi)部位移計(jì)的位置圖。

圖4 模型設(shè)計(jì)基本信息界面

3.2 CAD 模型圖操作

在使用地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)數(shù)字化系統(tǒng)時(shí)，需要對(duì)CAD 模型圖進(jìn)行操作，例如圖層控制、千斤頂導(dǎo)入和測(cè)點(diǎn)導(dǎo)入。

（1）圖層控制。3D 模型中包含有壩體、斷層、邊坡、框體等海量的信息，如果顯示全部信息，會(huì)造成 CAD 軟件運(yùn)行緩慢，不利于對(duì)某一局部區(qū)域的觀測(cè)。所以在使用 3D 模型時(shí)，經(jīng)常需要關(guān)閉暫時(shí)不用的圖層。但是，CAD 的 3D 圖中圖層多（一般 50 個(gè)以上），使用CAD 自帶的關(guān)閉圖層工具比較麻煩。本系統(tǒng)特增加圖層控制界面，在此界面控制 3D 模型圖中的圖層。

（2）千斤頂導(dǎo)入。常規(guī)的地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)僅模擬水荷載，并且荷載可以近似為三角形荷載。例如大崗山地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)中采用27 個(gè)自制的小千斤頂，上下共分5 層模擬荷載。每組千斤頂均與分油器相連，用7 個(gè)精密壓力表來測(cè)量各層的外油壓。在模型圖中可以準(zhǔn)確地顯示千斤頂?shù)奈恢门c實(shí)際荷載，并通過在CAD 圖中捕獲千斤頂中心顯示千斤頂位置等信息，方便了解試驗(yàn)進(jìn)程及對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的理解。在模型試驗(yàn)中，試驗(yàn)人員一般只提供壩面平面圖中的千斤頂坐標(biāo)，而且在CAD 中3D 圖往往運(yùn)行緩慢，所以本系統(tǒng)也有在2D 圖中導(dǎo)入千斤頂符號(hào)功能。千斤頂導(dǎo)入界面如圖5所示。

(3)P=p′∪Process∪Procedure∪Step，其中：Process表示工藝節(jié)點(diǎn)的集合，Procedure表示工序節(jié)點(diǎn)的集合，Step表示工步節(jié)點(diǎn)的集合。工藝由多個(gè)工序組成，工序又由多個(gè)工步組成。

圖5 千斤頂導(dǎo)入界面

（3）測(cè)點(diǎn)導(dǎo)入。在模型試驗(yàn)中需要各種測(cè)點(diǎn)的布置圖。按照測(cè)量目的的不同，測(cè)點(diǎn)分為3 種：①應(yīng)變片，有a、b、c、d4 個(gè)方向；②位移計(jì)，有x、y2 個(gè)方向；③內(nèi)部位移計(jì)及拐點(diǎn)位移計(jì)，1 個(gè)方向。設(shè)立測(cè)點(diǎn)導(dǎo)入界面，可以根據(jù)測(cè)點(diǎn)的不同性質(zhì)批量導(dǎo)入不同類型的測(cè)點(diǎn)。

3.3 實(shí)時(shí)分析

實(shí)時(shí)分析是地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)數(shù)字化系統(tǒng)的核心功能，包括對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理、分析與查詢，使試驗(yàn)進(jìn)程更加清晰、直觀地展示，以便于試驗(yàn)人員實(shí)時(shí)做出決策，減少試驗(yàn)中依靠經(jīng)驗(yàn)盲目決策的現(xiàn)象。本部分由千斤頂實(shí)時(shí)查詢界面和試驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析處理界面構(gòu)成。

3.3.1 千斤頂實(shí)時(shí)查詢界面

該界面用于千斤頂坐標(biāo)、直徑、荷載等信息的查詢，既可以輸入千斤頂編號(hào)進(jìn)行查詢，也可以通過在2D 圖或3D 圖捕獲千斤頂中心進(jìn)行查詢，如圖6 所示。該界面具有在模型圖中消隱千斤頂、顯示千斤頂布置圖、顯示加載過程的功能。在試驗(yàn)中如果需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，可打開保存千斤頂數(shù)據(jù)的 Excel 文檔進(jìn)行修改，這些可完全滿足試驗(yàn)的需求。

圖6 3D 圖中千斤頂信息查詢效果圖

3.3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析處理

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和處理是地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)數(shù)字化系統(tǒng)中最核心的功能，也是功能最多的部分，并有2 個(gè)輔助界面。用于試驗(yàn)時(shí)，對(duì)實(shí)時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的更新、處理，并供查詢，便于試驗(yàn)人員決策，可大大減少?zèng)Q策的盲目性。該界面由5 個(gè)基本部分組成，如圖7 所示。

圖7 試驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析處理界面

（1）試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入。功能是將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到的txt 文檔進(jìn)行初步處理并導(dǎo)入Excel 表格中。

（2）繪制與顯示測(cè)點(diǎn)加載倍數(shù)-應(yīng)變/位移曲線。功能是根據(jù)實(shí)時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制1 個(gè)或者多個(gè)測(cè)點(diǎn)的加載倍數(shù)-應(yīng)變/位移曲線（可通過多個(gè)測(cè)點(diǎn)反映某一軟弱帶的錯(cuò)動(dòng)情況），一次可繪制最多 10 個(gè)測(cè)點(diǎn)的位移/應(yīng)變曲線。曲線圖以特定的名稱儲(chǔ)存在指定的文件夾中，方便試驗(yàn)結(jié)果的分析。

（3）測(cè)點(diǎn)信息查詢。功能是查詢測(cè)點(diǎn)（位移計(jì)或者應(yīng)變片）的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可以手動(dòng)輸入測(cè)點(diǎn)名稱，也可以進(jìn)入 CAD 界面通過捕獲測(cè)點(diǎn)查詢，系統(tǒng)可根據(jù)測(cè)量值自動(dòng)計(jì)算出實(shí)時(shí)主應(yīng)變和主應(yīng)力。

（4）監(jiān)控結(jié)構(gòu)面/壩體測(cè)點(diǎn)組位移曲線的查詢。功能是顯示監(jiān)控某一局部位移的所有位移計(jì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線，進(jìn)而反映模型試驗(yàn)中某一軟弱結(jié)構(gòu)面或壩體局部的變形情況。

（5）繪制壩體 2D 應(yīng)力矢量圖。功能是計(jì)算壩面的實(shí)時(shí)應(yīng)力情況，并繪制壩面實(shí)時(shí)應(yīng)力矢量圖。由于模型試驗(yàn)中部分壩面應(yīng)變片會(huì)由于多種非測(cè)量原因失效，出現(xiàn)異常的大數(shù)值，所以本部分特設(shè)置了自動(dòng)剔除功能，剔除測(cè)量值過大的測(cè)點(diǎn)。

3.4 結(jié)果分析展示

本部分由測(cè)量值分析展示、軟弱結(jié)構(gòu)面分析展示和壩體整體分析展示3 部分構(gòu)成。通過調(diào)用CAD、Word、Excel 等應(yīng)用軟件，分析并展示模型試驗(yàn)的成果，取代了以前單調(diào)的 Word 試驗(yàn)報(bào)告，可以更加直觀、方便地分析與展示試驗(yàn)成果。

（1）測(cè)量值分析展示部分。如圖8 所示，本部分結(jié)合CAD 的2D/3D 模型展示位移計(jì)/應(yīng)變片的最終測(cè)量結(jié)果與分析結(jié)論；也可以察看單一測(cè)點(diǎn)或監(jiān)控某一軟弱面的測(cè)點(diǎn)組的最終測(cè)量數(shù)據(jù)及分析結(jié)論。

（2）軟弱結(jié)構(gòu)面分析部分。本功能用于展示軟弱結(jié)構(gòu)面相關(guān)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量曲線及分析結(jié)論。壩肩巖體軟弱結(jié)構(gòu)面的穩(wěn)定性是地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的主要考察對(duì)象，通過相關(guān)位移計(jì)的加載倍數(shù)-位移曲線圖，可以分析各超載情況下軟弱結(jié)構(gòu)面的穩(wěn)定性。

圖8 內(nèi)部位移計(jì)剖面圖捕獲效果圖

（3）壩體整體分析展示部分。可以展示正常水載下的壩體位移、壩體應(yīng)力、壩肩巖體的變形與開裂、壩體整體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、模型的結(jié)論與建議等內(nèi)容。

本部分充分利用CAD 和Excel 的互相調(diào)用優(yōu)勢(shì)，使試驗(yàn)結(jié)果的展示更加方便、快捷并且簡(jiǎn)單明了。

4 結(jié)論

地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)數(shù)字化操作系統(tǒng)基本滿足了現(xiàn)有條件下地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)對(duì)信息化、可視化、自動(dòng)化的要求，大大提高了地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的質(zhì)量與效率。

（1）使用CAD 軟件可進(jìn)行巖體工程的3D 建模，基本滿足了地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)數(shù)字化系統(tǒng)的需求。

（2）在需要大量雜亂數(shù)據(jù)處理的地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)中，基于 VBA 語言，以 CAD 軟件為平臺(tái)，并以Excel 作為數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)處理工具，具有較大的優(yōu)越性；CAD 突出的模型展示能力、Excel 自有的對(duì)數(shù)據(jù)處理功能和VBA 強(qiáng)大的編譯能力相結(jié)合，可以快速、簡(jiǎn)便地完成對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理、分析與展示。

（3）通過CAD、Excel 等常規(guī)軟件可簡(jiǎn)單易行的輔助工程實(shí)踐。