三維正向設(shè)計(jì)在沱澮河航道整治工程的應(yīng)用

楊志

（安徽省現(xiàn)代交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230011）

沱澮河航道貫通豫皖兩省，通過淮河、京杭運(yùn)河與長江航道銜接，具有聯(lián)系沿海，發(fā)展中部的功能和區(qū)位特征。李口至臨渙段是沱澮河進(jìn)入安徽境內(nèi)的第一段航道，也是安徽段最后一段未實(shí)施的航段，具有承上啟下的作用。本次李口至臨渙段按Ⅳ級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)，航道尺度45×3.2×320m，航道線路基本沿原有河道進(jìn)行，對局部不滿足航道尺度的航段通過切灘、切嘴和裁彎取直等工程措施，使其滿足船舶通航要求。整治里程約29.59km，主要建設(shè)內(nèi)容包括疏浚工程、護(hù)坡工程、橋梁改建及防撞防護(hù)工程、航標(biāo)工程等。

1 航道選線的制約因素

1.1 航道等級

據(jù)安徽省人民政府辦公廳皖政辦秘〔2017〕132 號(hào)文批準(zhǔn)的《安徽省水路建設(shè)規(guī)劃（2017—2021 年）》，安徽省交通運(yùn)輸廳頒布的《安徽省水運(yùn)“十四五”發(fā)展規(guī)劃》、安徽省人民政府頒布的《安徽省干線航道網(wǎng)規(guī)劃（2018—2030 年）》，沱澮河航道規(guī)劃等級為Ⅳ級，根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》并結(jié)合下游已建航道的建設(shè)尺度論證，本段航道的建設(shè)尺度最小為45m×3.2m×320m（底寬×水深×彎曲半徑），兩個(gè)相鄰反向彎道之間的直線段長度不小于200m。

1.2 河道現(xiàn)狀

澮河臨渙至臨渙閘段經(jīng)過中小河流治理后，現(xiàn)狀河道排水能力達(dá)到規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)，水面寬度滿足四級航道的標(biāo)準(zhǔn)但水深不滿足，需要對航道進(jìn)行疏浚。省界至臨渙段長約26.7km，從未經(jīng)過治理，河道底寬約10m，河底高程23.8m～20.3m，起伏較大，邊坡1:2～1:1:8，極不規(guī)則，河道呈復(fù)式斷面型式，自上而下存在劉集、岳集、余大橋等7 處較為彎曲的河道，航道整治需要按照Ⅳ級航道標(biāo)準(zhǔn)對不滿足平面布置的彎曲河道采取切灘及裁彎取直的工程措施，同時(shí)為了減少船舶航行對岸坡的影響，工程對新疏浚的航道兩岸進(jìn)行防護(hù)。

1.3 基本農(nóng)田分布

根據(jù)濉溪縣土地利用總體規(guī)劃調(diào)整完善數(shù)據(jù)庫、永久基本農(nóng)田數(shù)據(jù)庫及土地利用現(xiàn)狀變更調(diào)查數(shù)據(jù)庫等數(shù)據(jù)分析，濉溪縣耕地面積為138438.98 公頃，永久基本農(nóng)田面積為120380.00 公頃，永久基本農(nóng)田占耕地面積的86.96%，全縣永久基本農(nóng)田比例較高。項(xiàng)目所在區(qū)域永久基本農(nóng)田分布廣泛，航道整治難以完全避讓占用永久基本農(nóng)田。

1.4 沿線橋梁

本航道沿線共有12 座橋梁，本次航道整治對趙莊橋、劉集橋、岳集橋、臨渙里橋、臨渙碼頭橋、韓村北橋等6 座跨河公路橋梁及青阜鐵路橋上行線進(jìn)行改建。余大老橋及青海鐵路橋拆除老橋。余大橋和S06 泗許高速橋現(xiàn)狀利用。根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》要求，考慮橋區(qū)航道的安全，橋梁上下游直線段長度分別不小于4 倍和2 倍單船長度的要求。航道沿線橋區(qū)航道需為直線段的要求對航道整體線型存在一定的約束。

綜上所述，本航道制約因素眾多，首先從通航安全角度而言，航道選線要滿足內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)等規(guī)范的要求，保障橋區(qū)航道的安全；從集約和節(jié)約土地角度工程要減少征地和占用基本農(nóng)田；從河勢穩(wěn)定的角度，需要減小切灘強(qiáng)度，減少對河勢穩(wěn)定的影響。因此，設(shè)計(jì)過程中需要對航道線型進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化，進(jìn)而獲得滿足通航安全、減少占用基本農(nóng)田、降低河勢影響的最優(yōu)布置。傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)方法在面對線型調(diào)整時(shí)，設(shè)計(jì)過程繁瑣、工作量大，且存在一定的設(shè)計(jì)誤差。通過將Autodesk 系列三維設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用到航道的設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)航道整治工程的三維正向設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程前后關(guān)聯(lián)及疏浚與護(hù)岸的三維協(xié)同智能化參數(shù)化設(shè)計(jì)，快速獲得最新的設(shè)計(jì)成果，提高了設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)精度。

2 三維正向設(shè)計(jì)流程

三維設(shè)計(jì)主要利用Autodesk 公司推出Civil3D 及其配套插件Subassembly Composer（部件編輯器）。Civil 3D 是Autodesk 公司為土木與基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)提供的三維設(shè)計(jì)解決方案，主要用于線性工程的三維建模，本次航道整治中的疏浚工程和護(hù)岸工程均為線型工程，采用Civil 3D 具有天然的優(yōu)勢。Subassembly Composer 提供了自定義線性工程橫斷面的功能，使用戶根據(jù)需要對設(shè)計(jì)橫斷面進(jìn)行邏輯編譯，設(shè)計(jì)流程見圖1。

圖1 疏浚工程三維設(shè)計(jì)流程

圖2 航道標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖

圖3 航道工程的三維可視化

（1）建立三維地形曲面。將本航道工程實(shí)測1:2000的地形圖中高程點(diǎn)、等高線等高程信息進(jìn)行提取轉(zhuǎn)換，利用CIVIL3d 的曲面功能建立工程區(qū)河道的三維地形曲面作為航道設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)地形。

（2）平面設(shè)計(jì)。根據(jù)河道現(xiàn)狀條件、航道的設(shè)計(jì)尺度、基本農(nóng)田分布、河勢影響等方面因素，利用Civil 3D 中的路線編輯器工具，初步選定合適的線路走向，后期可在此基礎(chǔ)對線型進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

（3）縱斷面設(shè)計(jì)。航道縱斷面按平坡設(shè)計(jì)，不設(shè)縱坡，航道設(shè)計(jì)底高程均為19.3m，根據(jù)航道線路里程及設(shè)計(jì)底高程即可制作縱斷面文件。

（4）橫斷面設(shè)計(jì)。

疏浚斷面根據(jù)灘地高程分別確定，當(dāng)疏浚邊坡上口線高程在25.0m 以上時(shí)，航道斷面采用復(fù)式斷面，灘地25.0m 高程處設(shè)2m 平臺(tái)，以上邊坡1:3，以下航槽邊坡1：4，同時(shí)對疏浚邊坡進(jìn)行斜坡式護(hù)岸，▽25.0 平臺(tái)以上采用砼預(yù)制互鎖塊（空心，孔內(nèi)植草）結(jié)構(gòu)型式，平臺(tái)以下采用鉸鏈排結(jié)構(gòu)型式。當(dāng)疏浚邊坡上口線高程在25.0m 以下時(shí)，航道斷面采用單一梯形斷面，邊坡1：4，不進(jìn)行防護(hù)。

利用部件編輯器二次開發(fā)定制本航道疏浚與護(hù)岸工程的聯(lián)合橫斷面。在對橫斷面進(jìn)行編譯時(shí)，需首先分析橫斷面中點(diǎn)線面的邏輯關(guān)系，進(jìn)而根據(jù)邏輯關(guān)系將每一個(gè)點(diǎn)線面要素進(jìn)行定義和設(shè)定。底寬可以作為邏輯目標(biāo)對應(yīng)平面設(shè)計(jì)中的航道底邊線，邊坡的坡比、通航水位、壓頂高程、護(hù)岸墊層厚度等參數(shù)作為設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)根據(jù)實(shí)際需求而定。

通過對橫斷面的編碼，可在模型自動(dòng)實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）橫斷面能夠在平面上與航道中心線、航道底邊線進(jìn)行邏輯關(guān)聯(lián)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)疏浚和護(hù)岸與航道線的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，當(dāng)航道線型發(fā)生優(yōu)化調(diào)整時(shí)護(hù)岸部位隨之改變，進(jìn)而獲得工程最新的設(shè)計(jì)成果。

2）當(dāng)疏浚邊坡上口線高程在25.0m 以下時(shí)，自動(dòng)選擇為單一梯形的疏浚斷面，同時(shí)可自動(dòng)識(shí)別斷面內(nèi)低于設(shè)計(jì)航道底高程的部分而不進(jìn)行開挖，

3）當(dāng)疏浚邊坡上口線高程在25.0m 以上時(shí)，自動(dòng)選擇為復(fù)式斷面的疏浚斷面，并通過斷面參數(shù)控制調(diào)整疏浚與護(hù)岸設(shè)計(jì)斷面。

表1 護(hù)岸與疏浚橫斷面參數(shù)表

此外，對于地質(zhì)條件較差或者有特殊要求的河段，需要調(diào)整斷面的坡比、平臺(tái)高程、護(hù)岸結(jié)構(gòu)尺寸時(shí)，只需在平面中進(jìn)行定位，在斷面參數(shù)表中更改相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，即可完成設(shè)計(jì)模型的更新。

（5）三維航道模型及工程量計(jì)算。在完成地形曲面及航道平面縱斷面和橫斷面設(shè)計(jì)后、即可利用civil3d“道路建?！惫δ苌珊降滥Ｐ停⑼瓿梢罁?jù)三維模型計(jì)算各部分工程量以及生成需要的二維圖紙等。

3 三維設(shè)計(jì)成果的可視化

本航道為線性工程，在空間上呈帶狀分布，航道不可避免占用沿線基本農(nóng)田，在彎曲河段航道整治需要對現(xiàn)狀河道進(jìn)行裁彎取直或者切灘的整治措施，另外航道沿線跨河橋梁、管線、沿河涵閘、溝渠等交叉建筑物眾多，在說明航道整治與周圍環(huán)境相對位置關(guān)系時(shí)，有必要將設(shè)計(jì)成果進(jìn)行三維表達(dá)，實(shí)現(xiàn)航道整治工程的三維可視化，提高設(shè)計(jì)表達(dá)和溝通效率。

利用Autodesk 公司的可視化軟件Infraworks 可實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)成果和空間地理信息的融合，全面展示航道的設(shè)計(jì)成果及周圍環(huán)境。在Infraworks 中，可將航道穿越區(qū)域內(nèi)的衛(wèi)星云圖、地形數(shù)據(jù)、各種設(shè)計(jì)三維成果進(jìn)行導(dǎo)入并精準(zhǔn)定位，同時(shí)還可以將航道沿線基本農(nóng)田、橋梁、涵閘等導(dǎo)入可視化模型從而實(shí)現(xiàn)航道周圍的真實(shí)環(huán)境的還原，建立航道整治工程的電子沙盤，從而以一種三維的方式形象地反映航道與周圍環(huán)境的相互關(guān)系。

4 二維設(shè)計(jì)成果的提取

在生成二維圖形時(shí)，對Civil 3D 提供了自定義圖形樣式格式的功能，用戶可根據(jù)自身行業(yè)特點(diǎn)及相關(guān)出圖要求，對二維圖形要顯示的標(biāo)簽、標(biāo)注的樣式進(jìn)行設(shè)置。二維平面圖形的標(biāo)簽樣式主要包括路線里程樁號(hào)及直線段、曲線段、交點(diǎn)標(biāo)注等（圖4）；橫斷面的標(biāo)簽樣式主要包括底寬、坡比、填挖方面積、里程標(biāo)注等（圖5）；縱斷面的標(biāo)注主要包括里程樁號(hào)、設(shè)計(jì)高程、地面高程等的標(biāo)注。

圖4 定制標(biāo)簽后的平面圖

圖5 定制標(biāo)簽后的斷面圖

由于二維圖紙與三維模型具有關(guān)聯(lián)性，當(dāng)三維模型的設(shè)計(jì)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，二維圖紙中的標(biāo)注及工程量隨之改變，本工程在設(shè)計(jì)中，由于航道選線制約因素眾多，需反復(fù)調(diào)整航道線路走向及設(shè)計(jì)參數(shù)，三維設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)過程的前后關(guān)聯(lián)，大大減小了由于設(shè)計(jì)參數(shù)變化增加的工作量，大大提高了設(shè)計(jì)效率。

5 結(jié)語

（1）本航道項(xiàng)目具有設(shè)計(jì)期限短、制約因素眾多、變更頻繁的特點(diǎn)，傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)方法在處理方案變化時(shí)，效率低下且存在一定的誤差，無法滿足實(shí)際需要。通過將三維正向設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到本航道的設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)護(hù)岸專業(yè)與疏浚專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)航道整治工程的智能化參數(shù)化設(shè)計(jì)，在實(shí)踐應(yīng)用均取得了滿意的效果，大大提高生產(chǎn)力。

（2）在三維正向設(shè)計(jì)中，航道平面、縱斷面、橫斷面的參數(shù)、航道模型以及基于模型提取的二維圖紙與工程量之間是前后動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)的，當(dāng)航道線路走向或斷面設(shè)計(jì)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，二維圖紙及工程量會(huì)自動(dòng)隨之變化，提高了設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)精度。

（3）通過將航道模型、衛(wèi)星云圖、地形數(shù)據(jù)、沿線基本農(nóng)田、橋梁、涵閘等關(guān)鍵信息導(dǎo)入Infraworks 可視化平臺(tái)，建立航道工程的電子沙盤，形象地展示了航道整治與周圍環(huán)境相對位置關(guān)系，提高設(shè)計(jì)表達(dá)和溝通效率。