姬宏奎，張 楠

（河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，石家莊 050021）

GEOPAK在開(kāi)敞式溢洪道三維開(kāi)挖設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

姬宏奎，張 楠

（河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，石家莊 050021）

根據(jù)溢洪道的布置特點(diǎn)及地形條件，通過(guò)某水電站溢洪道開(kāi)挖設(shè)計(jì)實(shí)例，介紹三維設(shè)計(jì)軟件GEOPAK在復(fù)雜地形中采用縱斷中心線投影法，對(duì)溢洪道陡槽段及多級(jí)馬道進(jìn)行開(kāi)挖處理的應(yīng)用技術(shù)，為類(lèi)似工程的三維輔助開(kāi)挖設(shè)計(jì)提供借鑒。

溢洪道；開(kāi)挖；多級(jí)馬道；三維建模

土石壩的開(kāi)敞式溢洪道一般均需要繞過(guò)擋水建筑物，由側(cè)邊山體內(nèi)下泄洪水。因此溢洪道在平面布置時(shí)彎折較多；縱向布置時(shí)槽體坡度較陡，高差較大；橫向布置時(shí)一側(cè)臨山、一側(cè)臨河。對(duì)于復(fù)雜的地形條件，在二維環(huán)境下繪制復(fù)雜地形條件下的工程開(kāi)挖圖，一直都是比較艱巨的工作任務(wù)，需要設(shè)計(jì)者極高的空間想象能力，設(shè)計(jì)過(guò)程中很容易出現(xiàn)各種錯(cuò)誤。

隨著三維技術(shù)的進(jìn)步，國(guó)內(nèi)外已有三維可視化軟件例如GOCAD、Earth Vision等［1］，還有在AutoCAD基礎(chǔ)上二次開(kāi)發(fā)獲得三維可視化mesh面［2］，這些輔助工具能夠?qū)崿F(xiàn)建模，但不能用于設(shè)計(jì)及優(yōu)化處理［3］。

三維輔助設(shè)計(jì)軟件GEOPAK可對(duì)工程場(chǎng)地進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)挖，對(duì)原地面進(jìn)行操作得到設(shè)計(jì)場(chǎng)地模型，設(shè)計(jì)效率高，較為直觀，能夠更好地輔助設(shè)計(jì)；可以輸出三維模型、二維圖紙，在三維設(shè)計(jì)中已有較多應(yīng)用；可以采用三維有限元分析軟件對(duì)開(kāi)挖成果進(jìn)行邊坡穩(wěn)定及計(jì)算分析，得出合理的支護(hù)方案。本文以某土石壩溢洪道工程為例，介紹GEOPAK三維輔助設(shè)計(jì)軟件在溢洪道工程開(kāi)挖方面的應(yīng)用情況。

1 工程概況

某土石壩坐落于“V”型峽谷，兩岸地勢(shì)十分險(xiǎn)峻，山體坡度50°～60°，垂直落差達(dá)600m；壩址處河底高程690m，庫(kù)區(qū)正常蓄水位791.00m，最大壩高106m，設(shè)計(jì)總庫(kù)容3230萬(wàn)m3，攔河壩為2級(jí)建筑物。

2 三維開(kāi)挖設(shè)計(jì)

2.1 平面布置

開(kāi)敞式溢洪道布置在左壩肩山體內(nèi)，為3級(jí)建筑物，由進(jìn)水段、閘室段、陡槽段組成，軸線總長(zhǎng)287.00m。其中進(jìn)水段為矩形斷面，底板高程762.00m，軸線長(zhǎng)112m，彎曲平面布置，軸線轉(zhuǎn)彎半徑20m，兩側(cè)墻高19.0m。單孔閘室段長(zhǎng)30m，布置有WES曲面溢流堰，堰高5.0m。泄槽段長(zhǎng)145.00m，以1∶3.5縱坡和鼻坎反弧相切連接。

平面布置圖如圖1，設(shè)計(jì)縱斷線如圖2。

圖1 平面布置圖

圖2 設(shè)計(jì)縱段線

2.2 縱斷面處理

由于溢洪道縱向較長(zhǎng)，高程沿程變化大，采用GEOPAK軟件的新建對(duì)象元素，賦予對(duì)象元素高程值模式是常規(guī)做法，但溢洪道高程變化較大，給每個(gè)元素逐個(gè)賦予高程值工作較繁瑣易出錯(cuò)。采用放置縱斷面模式開(kāi)挖，可以省去大量工作。做好溢洪道平面布置后，將溢洪道中心線整體投影到原地面，提取中心線的現(xiàn)狀縱斷線，將中心線縱斷面調(diào)整為設(shè)計(jì)縱斷線，替換原縱斷面即完成縱斷線處理，向兩邊無(wú)坡度投影即可獲得溢洪道主槽的開(kāi)挖。

其過(guò)程首先用GEOPAK site的DTM工具將二維測(cè)量數(shù)據(jù)生成相應(yīng)的tin文件。

2.2.1 新建文件設(shè)置參數(shù)

（1）新建開(kāi)挖文件讀取tin文件并設(shè)置原地面基礎(chǔ)對(duì)象。

（2）設(shè)置容差，對(duì)后續(xù)的開(kāi)挖工作非常必要。

（3）新建對(duì)象，此處為溢洪道。

2.2.2 縱斷線處理

（1）將布置好的溢洪道中心線整體投影到現(xiàn)狀地面線上，采用道路創(chuàng)建工具中的編輯工具，用profile cell setting將縱斷線抽出獲得現(xiàn)狀縱斷如圖2。

（2）將設(shè)計(jì)好的溢洪道縱斷線放在抽出的現(xiàn)狀縱斷線相應(yīng)位置，確保高程正確，位置對(duì)應(yīng)如圖2。

（3）利用Vertical Component Tools工具對(duì)現(xiàn)狀縱斷線進(jìn)行編輯 （可進(jìn)行畫(huà)平直段和縱坡及倒角操作）或重新畫(huà)出設(shè)計(jì)縱斷線，用此工具編輯或重畫(huà)的縱斷線即有縱斷線屬性與平面圖中心線自動(dòng)關(guān)聯(lián)，本次設(shè)計(jì)為將設(shè)計(jì)縱斷在該模式下重新描繪出如圖2。

（4）將新縱斷線替換掉舊的縱斷線，即完成縱斷布置。

（5）然后用new element下的工具，將縱斷高程投影到兩條輪廓線即完成溢洪道主槽開(kāi)挖。

由此可見(jiàn)，使用中心線開(kāi)挖模式進(jìn)行溢洪道主槽的開(kāi)挖，明顯優(yōu)于常規(guī)賦予元素高程值的做法，能夠提高效率且準(zhǔn)確性高。主槽分段齒墻開(kāi)挖在上述開(kāi)挖面上進(jìn)行二次開(kāi)挖即可。

2.3 多級(jí)馬道處理

由于溢洪道兩側(cè)為巖體，兩側(cè)擋墻為直墻，采用side slope將溢洪道山體一側(cè)輪廓線在足夠小的水平距離內(nèi)（0.01m）向上偏移至岸墻墻頂高程，根據(jù)地質(zhì)報(bào)告建議采用1∶0.3的坡比放坡至固定高程值781m，采用copy parallel工具平行復(fù)制馬道寬度2.5m，如圖3 load 781m高程等高線，賦予其781m高程值，與馬道兩條邊線相交，用馬道線裁剪781m高程線，將高程線只保留馬道之間的部分，即形成該級(jí)馬道，將馬道外邊線繼續(xù)向上放坡，重復(fù)以上工作就可以得到多級(jí)馬道的開(kāi)挖面。兩級(jí)馬道之間易出現(xiàn)等高線異常的情況，此時(shí)應(yīng)將兩級(jí)馬道連線做定點(diǎn)投影，等高線即可達(dá)到要求，開(kāi)挖平面圖如圖4。

圖3 編輯縱段線

圖4 平面圖

本次設(shè)計(jì)之初馬道長(zhǎng)度較短，通過(guò)開(kāi)挖過(guò)程三維模型觀察發(fā)現(xiàn)兩級(jí)馬道之間馬道兩端高差較大，有突出部分且明顯沒(méi)有足夠支撐，于是加長(zhǎng)馬道長(zhǎng)度，消除兩端危險(xiǎn)源。

在邊坡開(kāi)挖設(shè)計(jì)中，偏移輪廓線，找相應(yīng)等高線并截取馬道之間的部分與二維開(kāi)挖是相同的，而又無(wú)需計(jì)算坡頂線水平投影距離去尋找坡頂線，對(duì)于地面起伏大、平面彎曲、立面陡降的溢洪道來(lái)說(shuō)，這就省去了很大一部分工作，且不易出錯(cuò)，只需要做簡(jiǎn)單處理即可得到三維的成果。

2.4 開(kāi)挖成果

開(kāi)挖完成后利用analysis工具下的工程量統(tǒng)計(jì)可以精確獲得開(kāi)挖量，若存在土石分界面可參照文獻(xiàn)［4］方法分別放坡獲得土方開(kāi)挖及石方開(kāi)挖量，本次設(shè)計(jì)工程量統(tǒng)計(jì)如表1。

表1 開(kāi)挖工程量統(tǒng)計(jì) 單位：m3

開(kāi)挖后平面圖，三維軸側(cè)圖如圖4、圖5。開(kāi)挖完成后創(chuàng)建繪圖及圖紙，剖切典型斷面圖，添加適當(dāng)標(biāo)注即可出圖，添加標(biāo)注可以將高程標(biāo)注制作為單元逐個(gè)放置較為方便。

圖5 三維軸側(cè)圖

3 三維開(kāi)挖面與三維分析軟件midas數(shù)據(jù)傳遞

邊坡工程其應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算宜采用有限單元法等數(shù)值方法計(jì)算，安全級(jí)別較高的邊坡抗滑穩(wěn)定及滲流穩(wěn)定宜采用數(shù)值分析方法進(jìn)行計(jì)算［5］。采用Geopak開(kāi)挖后形成的三維成果可以用于三維有限元分析軟件，進(jìn)一步分析其應(yīng)力應(yīng)變及抗滑穩(wěn)定。三維開(kāi)挖面完成之后導(dǎo)出dxf文件，獲得開(kāi)挖后的等高線，采用midas地形生成工具導(dǎo)入上述生成的地形文件，結(jié)合midas已經(jīng)建成的地層及地層屬性即可進(jìn)行邊坡應(yīng)力、應(yīng)變、抗滑穩(wěn)定及滲流分析等。

4 結(jié)語(yǔ)

三維開(kāi)挖軟件，采用中心線投影模式開(kāi)挖優(yōu)于逐個(gè)賦予元素高程值的方法。與二維開(kāi)挖相比其特點(diǎn)：

（1）找坡頂線不需要進(jìn)行繁瑣的放坡計(jì)算；

（2）自動(dòng)尋找坡頂線，精確計(jì)算開(kāi)挖工程量；

（3）邊坡設(shè)計(jì)過(guò)程易把握，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤并加以修正；

（4）三維開(kāi)挖模型成果真實(shí)可見(jiàn)，能夠準(zhǔn)確表達(dá)二維圖紙難以清晰表示的部位；

（5）生成的開(kāi)挖面可傳遞到Midas軟件進(jìn)行邊坡分析計(jì)算。

［1］徐佳，吳繼敏，張勤，等.錦屏水電站邊坡三維可視化模型構(gòu)建［J］.水力發(fā)電，2008（11）.

［2］鄭文棠，張勇平，李明衛(wèi).基于三維可視化模型的高邊坡演化過(guò)程分析［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009（1）.

［3］楊彪，羅周全，陸廣，等.露天礦山三維設(shè)計(jì)方法應(yīng)用研究［J］.工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2011，18（1）:48-52.

［4］張海陽(yáng).GEOPAK三維邊坡設(shè)計(jì)中地質(zhì)條件處理探討［J］.建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2014（22）.

［5］SL386—2007，水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

Application of GEOPAK in the excavation design of open-air spillway

JI Hong-kui,ZHANG Nan
（The Second Design and Research Institute of Water Conservancy and Hydropower of Hebei Province,Shijiazhuang 050021，China）

According to the layout characteristics of the spillway and terrain conditions,through a spillway excavation design examples,introduce three-dimensional design software GEOPAK,using the longitudinal centerline projection method in complex terrain,on the spillway chute and multi-stage bridleways process of excavation application technology,provide a reference for three-dimensional auxiliary excavation design of similar projects.

spillway;excavation；multi-stage bridleways;three-dimensional modeling

TV5

B

1672-9900（2015）06-0078-03

2015-10-08

姬宏奎（1986-），男（漢族），河南商丘人，工程師，主要從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，（Tel）15369361794。