CATIA在官地電站危巖體治理中的應(yīng)用

覃祥建，袁 瓊

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

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CATIA在官地電站危巖體治理中的應(yīng)用

覃祥建，袁 瓊

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

官地水電站處于高山峽谷河段。在消力池左岸邊坡上部，分布約9塊危巖體、危石和危石群。2015年8月24日，官地水電站大壩左壩肩下游邊坡發(fā)生崩塌，崩塌塊石順L1便道沖溝滾落，毀壞被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)及攔石墻后，在L1便道沖溝口形成倒石堆，少量大塊石順坡滾落至消力池，威脅到消力池安全運(yùn)行。本文針對(duì)其中最大危巖體W6進(jìn)行了專項(xiàng)治理設(shè)計(jì)，利用Catia的云點(diǎn)設(shè)計(jì)功能，生成三維地形圖，采用創(chuàng)成式設(shè)計(jì)功能，設(shè)計(jì)了錨索及框格梁，最終利用Catia的工程制圖功能生成平面施工圖。

官地水電站；危巖體；錨索；Catia

1 概 述

1.1 工程簡介

官地水電站位于四川省涼山彝族自治州西昌市和鹽源縣交界的打羅村境內(nèi)，電站為碾壓混凝土重力壩，壩高168.0 m，裝機(jī)容量4×600 MW，總庫容7.6億m3。依據(jù)《水電樞紐工程等級(jí)劃分及設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)》(DL5180-2003)，官地水電站工程為一等大(1)型工程，大壩、廠房、引水尾水系統(tǒng)等永久性主要建筑物為1級(jí)建筑物，永久性次要建筑物為3級(jí)建筑物，臨時(shí)性建筑物按4級(jí)設(shè)計(jì)。

L1便道位于左岸壩后、消力池左岸邊坡高程1 330 m附近。1 330 m高程以上發(fā)育沖溝，上部危石主要位于沖溝的兩側(cè)及沖溝頂部附近。

2015年8月24日，L1便道上部沖溝內(nèi)危石失穩(wěn)崩塌墜落，砸壞溝內(nèi)的兩道被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)和一道攔石墻，在L1便道與沖溝交匯處形成倒石堆，方量約150 m3。其中，少量塊石順坡滾落，砸壞1 240 m高程的消力池防浪墻掉入消力池內(nèi)。

2015年11月2～15日,成勘院地質(zhì)處對(duì)左岸壩肩下游L1便道上部危石及沖溝開展了地形圖測量、地質(zhì)測繪、危石調(diào)查、危巖體剖面實(shí)測。對(duì)危巖體及沖溝周邊巖石群進(jìn)行針對(duì)性治理設(shè)計(jì)。

L1便道上部最大危巖體W6，巖壁陡峭，近乎直立。消力池位于L1便道下部，為確保安全，施工中超過20 cm大小的巖石不允許順坡滾落。工程治理難度大，需要進(jìn)行精細(xì)支護(hù)設(shè)計(jì)。

傳統(tǒng)的CAD制圖，不能利用測量點(diǎn)繪制陡壁的等高線地形平面圖，無法準(zhǔn)確描述危巖體。一般只是利用剖面圖繪制錨索典型設(shè)計(jì)圖，無法準(zhǔn)確繪制錨索布置圖，不能滿足業(yè)主提出的對(duì)巖體針對(duì)性設(shè)計(jì)要求。圖1為W6危巖體具體形狀。

圖1 W6危巖體

利用Catia強(qiáng)大的三維設(shè)計(jì)功能，可以針對(duì)巖壁測量散點(diǎn)，準(zhǔn)確繪制巖體陡壁形狀、危巖體切割面、裂隙等地質(zhì)特征，最終生成地質(zhì)三維模型。

1.2 Catia主要功能模塊

針對(duì)危巖設(shè)計(jì)。Catia可以采用的模塊主要有：用于地形三維建模的數(shù)字曲面編輯器(Ditigized Shape Editor，DSE)、創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)(Generative Shape Design，GSD)、快速曲面重建(Quick Surface Reconstruction)和雕刻(Shape Sculptor)模塊。

DSE模塊處理測量的點(diǎn)云文件，利用Inport和Expot功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入輸出，并最終生成數(shù)字曲面。

2 危巖體地質(zhì)模型

2.1 點(diǎn)云和網(wǎng)格模型

采用成勘院自行開發(fā)的轉(zhuǎn)換程序?qū)⒋蟮販y量等高線和散點(diǎn)圖，生成可被Catia識(shí)別asc文件，再利用DSE的Inport功能將asc文件生成為點(diǎn)云圖。等高線圖轉(zhuǎn)換為點(diǎn)云圖前后效果見圖2、3。

圖2 等高線和散點(diǎn)CAD圖 圖3 等高線轉(zhuǎn)換成點(diǎn)云圖

利用DSE的Mesh Creation功能建立網(wǎng)格，然后利用強(qiáng)大的網(wǎng)格編輯功能進(jìn)行網(wǎng)格修復(fù)、合并、光滑、清潔、優(yōu)化等處理，最終生成滿足需要的網(wǎng)格面，見圖4。

2.2 危巖體地質(zhì)模型

利用快速曲面重建(Quick Surface Reconstruction)的Automatic Surface功能，將生成的網(wǎng)格圖轉(zhuǎn)換為曲面圖，見圖5。

圖4 網(wǎng)格(Mesh) 圖5 由網(wǎng)格生成的曲面圖

生成曲面圖后，即可以利用創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)(Generative Shape Design，GSD)和雕刻(Shape Sculptor)模塊等進(jìn)行危巖體的下一步設(shè)計(jì)。

在W6危巖體區(qū)域范圍，采用GSD的多重提取功能，提取曲面參數(shù)。見圖6。

在危巖體表面下部，創(chuàng)建水平面草圖，將提取的W6危巖體曲面投影到草圖面上，對(duì)投影輪廓拉伸形成實(shí)體，利用多重提取曲面對(duì)實(shí)體進(jìn)行分割操作，就形成W6危巖體的三維實(shí)體圖，見圖7。

圖6 W6危巖體地形曲面 圖7 W6危巖體三維實(shí)體

采用同樣的方法，可生成裂隙、切割面等巖體特征模型。對(duì)這些地質(zhì)特征模型與W6地形三維模型進(jìn)行布爾運(yùn)算操作，即可生成帶地質(zhì)特征的三維模型。圖8為帶裂隙切割面的W6危巖體三維模型。

W6危巖體三維圖完成后，即可利用GSD等模塊的強(qiáng)大三維設(shè)計(jì)功能，進(jìn)行錨索結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布置。

3 錨索設(shè)計(jì)

3.1 錨索結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)巖體穩(wěn)定計(jì)算，確定了錨索錨固力為1 000 kN，錨索長度35 m、傾角10°，錨索間排距為4 m×4 m，具體計(jì)算從略。

錨墩結(jié)構(gòu)采用常用的臺(tái)體結(jié)構(gòu)，底寬1.5 m×1.5 m，頂寬0.4 m×0.4 m，高度0.8 m。

根據(jù)W6巖體裂隙切割面等地質(zhì)參數(shù)赤平投影圖，確定錨索最佳走向?yàn)镹10°W。W6赤平投影見圖9。

圖8 帶切割面的W6危巖體三維實(shí)體 圖9 W6危巖體赤平投影

按照錨墩底面與錨索垂直進(jìn)行錨墩設(shè)計(jì)。捕捉巖體曲面上一點(diǎn)，建立錨墩底面草圖，需要注意的是，錨墩底面草圖所在平面需要結(jié)合錨索走向和傾角計(jì)算，確保錨墩底面與錨索正交。

錨墩三維圖建立完成后，捕捉錨墩頂部中心建立錨索草圖，生成錨索實(shí)體。通過布爾運(yùn)算，將錨索和錨墩結(jié)合為一個(gè)實(shí)體，以便于接下來的錨索布置。

3.2 錨索布置

單個(gè)錨索設(shè)計(jì)完成后，參照危巖體曲面形狀，利用GSD強(qiáng)大的平移功能，將錨索沿垂直方向(Z向)、錨墩邊走向(水平向)進(jìn)行平移，平移距離按照4 m進(jìn)行控制。

由于危巖體表面的復(fù)雜性，平移后的錨索一般不在危巖體面上，還需要通過進(jìn)一步平移，將錨索移動(dòng)到危巖體表面上。此時(shí)需要注意這一步移動(dòng)是水平移動(dòng)，方向與錨索方向一致，以確保平移的錨索在同一個(gè)高程上。

遇到不適合布置錨索的地方，可以通過XYZ方向局部調(diào)整錨索位置，但是不管怎樣調(diào)整，都要保證錨索走向和傾向滿足設(shè)計(jì)要求。

圖10、11為W6危巖體錨索結(jié)構(gòu)及布置圖。

圖10 W6危巖體錨索布置 圖11 W6危巖體錨索結(jié)構(gòu)

4 框格梁設(shè)計(jì)

根據(jù)地質(zhì)資料，W6危巖體下部可能出現(xiàn)壓碎破壞，造成危巖體失穩(wěn)滑落，需要增加框格梁加固。由于此處施工難度大，材料運(yùn)輸艱難，綜合考慮在1 473.24 m、1 477.25 m高程設(shè)計(jì)兩道0.6 m×0.6 m的框格梁進(jìn)行加固保護(hù)?？蚋窳簝啥伺c錨墩相接，框格梁底面與巖壁相接。

由于錨墩底面與危巖體表面大都不能貼近，這些部位需要進(jìn)行混凝土回填，有些框格梁甚至只能與這些回填混凝土進(jìn)行結(jié)合，需要完善回填混凝土的模型。通過GSD提取錨墩底面、拉伸、與地形曲面分割、合并，可完成這項(xiàng)工作。

同理，利用錨墩結(jié)構(gòu)，通過投影、包絡(luò)體操作、分割，可建立框格梁沿地形的實(shí)體結(jié)構(gòu)。需要注意的是，以框格梁實(shí)體最小斷面高度滿足0.6 m要求建立框格梁實(shí)體?？蚋窳喝S實(shí)體見圖12。

圖12 框格梁三維圖

通過Catia三維設(shè)計(jì)，錨索、框格梁支護(hù)以最貼近巖體的構(gòu)造和布置形式反映出來。框格梁受地形限制，可看出是異形的實(shí)體，這在CAD平面圖設(shè)計(jì)上是無法實(shí)現(xiàn)的。

對(duì)于每個(gè)獨(dú)立的框格梁，可以利用成勘院開發(fā)的Catia鋼筋三維圖設(shè)計(jì)進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。這部分工作將在下一階段進(jìn)行。

錨索及框格梁設(shè)計(jì)完成后，利用測量項(xiàng)，測量每個(gè)錨墩的大地坐標(biāo)和高程，建立錨索的坐標(biāo)表。

利用工程制圖模塊，可以將錨索、框格梁布置圖作為二維圖輸出。并可精確測量錨墩和框格梁的混凝土實(shí)際工程量。

圖13、14為W6危巖體最終支護(hù)圖。

5 結(jié) 語

圖13 W6危巖體框格梁及錨索結(jié)構(gòu)

圖14 W6危巖體框格梁及錨索布置

三維錨索設(shè)計(jì)精度主要取決于危巖體的測量精度，同時(shí)三維網(wǎng)格圖平滑處理過程也會(huì)影響地質(zhì)模型精度，在今后類似工程設(shè)計(jì)中，在嚴(yán)格要求測量精度的同時(shí)，需要利用Catia的逆向工程技術(shù)，進(jìn)一步研究圍巖面處理，更準(zhǔn)確反映危巖體的實(shí)際特征。

Catia的三維設(shè)計(jì)在錨索布置中可以準(zhǔn)確設(shè)計(jì)每個(gè)錨墩和錨索，保證了錨索對(duì)滑動(dòng)面的最佳錨固，可直觀避免錨索的交叉影響。同時(shí)Catia的準(zhǔn)確設(shè)計(jì)特點(diǎn)，替代了錨索布置中CAD制圖一貫采用的典型剖面描述的粗糙方法。Catia三維設(shè)計(jì)方法對(duì)工程危巖治理的精確化設(shè)計(jì)具有不可替代的作用。

[1] 中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會(huì).《水電水利工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T5353-2006)[S].2006.

[2] 中華人民共和國國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì).《水電工程預(yù)應(yīng)力錨固設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T5176-2003)[S].2003.

[3] 劉冰.CATIA V5-6 R2014從入門到精通[M].電子工業(yè)出版社，2015.

2015-12-31

覃祥建(1964-)，男，四川郫縣人，高級(jí)工程師，從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

TV221.2；TP391.7

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1003-9805(2016)04-0011-04