韓　旭, 馬丹璇, 程方權(quán), 張良平

(長(zhǎng)江巖土工程總公司(武漢),湖北 武漢　430010)

0　引言

CATIA是由法國(guó)Dassault公司開發(fā)的集CADCAMCAE于一體的三維設(shè)計(jì)系統(tǒng),廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、造船、機(jī)械制造、電子電器、消費(fèi)品等行業(yè)。2003年,加拿大QUEBEC電力公司首次采用該軟件進(jìn)行Mercier水電站設(shè)計(jì),成功的將該軟件應(yīng)用于水利水電行業(yè)三維地質(zhì)建模、大壩及廠房設(shè)計(jì)、機(jī)電設(shè)備及施工布置等專業(yè)[1]。2006年,CATIA三維設(shè)計(jì)軟件被引入國(guó)內(nèi)水利水電行業(yè),目前該軟件憑借其強(qiáng)大的功能,在行業(yè)內(nèi)應(yīng)用效果良好。

滇中引水工程位于青藏高原東南隅,輸水線路總長(zhǎng)近850 km,線路跨越金沙江、瀾滄江二大水系,穿越橫斷山系高山、中山地貌區(qū),地形地質(zhì)條件十分復(fù)雜。本文基于CATIA軟件,重點(diǎn)闡述滇中引水工程復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境的三維地質(zhì)建模、圖片及材料渲染、切割地質(zhì)剖面、虛擬鉆孔、施工開挖計(jì)算以及數(shù)值分析等方面的實(shí)踐及應(yīng)用。

1　三維地質(zhì)建模的流程

建立三維地質(zhì)模型,需要有完善多樣的地質(zhì)資料,為此,本公司開發(fā)了“水利水電工程勘測(cè)三維可視化信息系統(tǒng)”,該系統(tǒng)包括“野外地質(zhì)信息采集系統(tǒng)”、“三維可視化地表掃描系統(tǒng)”、“工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)”以及“三維地質(zhì)建模技術(shù)及可視化系統(tǒng)”四個(gè)子系統(tǒng)。

作為“三維地質(zhì)建模技術(shù)及可視化系統(tǒng)”的一部分,三維地質(zhì)建模包括地形模型和地質(zhì)模型的建立,整個(gè)創(chuàng)建流程如圖1所示。

1.1　三維地形建模

滇中引水工程線路長(zhǎng)、數(shù)據(jù)量龐大,若采用曲面建模方法,普通的計(jì)算機(jī)設(shè)備承擔(dān)不了這么大的計(jì)算數(shù)據(jù)。因此,要首先根據(jù)地形地質(zhì)條件,把整個(gè)線路劃分為若干段,然后采用網(wǎng)格面的形式,進(jìn)行分段建模。

圖1　三維地質(zhì)建模流程圖

首先由三維可視化地表掃描系統(tǒng)直接獲取地形數(shù)據(jù),或者由二次開發(fā)工具提取CAD地形圖等高線及高程點(diǎn)數(shù)據(jù),導(dǎo)入到CATIA數(shù)字外形編輯模塊;利用網(wǎng)格面工具條生成地形面;然后建立凸臺(tái),將凸臺(tái)網(wǎng)格化后與地形面做分割或布爾運(yùn)算,即可建立三維地形(圖2)。

圖2　三維地形

1.2　三維地質(zhì)建模

地質(zhì)模型的建立應(yīng)根據(jù)地層的分布及新老關(guān)系,先創(chuàng)建覆蓋層,后建立斷層及巖體模型。首先由野外地質(zhì)信息采集系統(tǒng)采集地質(zhì)數(shù)據(jù),建立地質(zhì)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng);將地質(zhì)剖面圖及柱狀圖導(dǎo)入CATIA,建立覆蓋層底面;覆蓋層底面與三維地形做分割或布爾運(yùn)算,產(chǎn)生覆蓋層模型;利用剖面及鉆孔數(shù)據(jù)創(chuàng)建斷層面及巖層分界面;再用斷層面及巖層面分割地形,形成斷層模型及巖體模型。地質(zhì)模型建立后,可用不同的顏色對(duì)地質(zhì)體進(jìn)行區(qū)分。滇中引水工程三維地質(zhì)模型如圖3所示。

圖3　三維地質(zhì)模型

2　模型渲染

2.1　地形渲染

若采用航拍照片來(lái)渲染某電站小范圍的壩址地形,傳統(tǒng)的方法是將航片一張張的渲染上去,工作量小,簡(jiǎn)單易行。滇中引水工程所拍航片一萬(wàn)多張,文件龐大。若采用傳統(tǒng)渲染方式,工作量太大,過(guò)程過(guò)于繁瑣,而且現(xiàn)有普通設(shè)備不可能完成這樣海量的計(jì)算任務(wù)。通過(guò)二次開發(fā),可將一萬(wàn)多張航片進(jìn)行快速拼接,然后在CATIA軟件Photo Studio模塊下,可以對(duì)超長(zhǎng)線路地形進(jìn)行快速渲染。地形渲染的逼真效果如圖4所示。

圖4　地形渲染效果圖

2.2　材料渲染

地質(zhì)模型不僅可以用不同的顏色加以區(qū)分,通過(guò)CATIA軟件自身的材料庫(kù)(圖5),也可以將不同的地層和巖性應(yīng)用不同的材料加以渲染。通過(guò)各種材料不同的圖案或紋理,可以更加直觀地看出各地層的屬性和分布(圖6)。另外也可以在材料庫(kù)模塊下,根據(jù)需要自行編輯材料,創(chuàng)建新的材料和材料庫(kù)。

圖5　材料庫(kù)

圖6　地質(zhì)模型材料渲染效果圖

3　模型的應(yīng)用

3.1　剖面切割

在基于CATIA創(chuàng)建三維地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上,通過(guò)CATIA軟件工程制圖模塊的自身功能,可以實(shí)現(xiàn)二維地質(zhì)剖面的輸出,并可以為剖面圖建立圖框、圖塊以及進(jìn)行標(biāo)注等。

需要說(shuō)明一點(diǎn),在工程制圖模塊下網(wǎng)格模型不能直接輸出地質(zhì)剖面,需要將網(wǎng)格模型轉(zhuǎn)化為曲面或者實(shí)體模型。

相對(duì)于工程制圖模塊,在裝配設(shè)計(jì)模塊下不僅可以實(shí)現(xiàn)剖面輸出,而且交互性更強(qiáng)、操作更簡(jiǎn)單,實(shí)現(xiàn)三維模型向平面圖紙的快速轉(zhuǎn)換。并可以動(dòng)態(tài)查看剖面的輸出效果,實(shí)時(shí)顯示地下隧洞所處的地質(zhì)情況,真實(shí)展現(xiàn)地質(zhì)模型內(nèi)部的地層分布(圖7)。

剖面輸出后,結(jié)合二次開發(fā)工具,可以為剖面自動(dòng)添加圖框、圖名、圖簽、標(biāo)尺以及鉆孔等信息,快速生成標(biāo)準(zhǔn)化的地質(zhì)剖面圖。

圖7　切割剖面

3.2　虛擬鉆孔

三維地質(zhì)模型建立后,可以在模型的任意位置布置虛擬鉆孔,提取鉆孔巖芯(圖8),查看該位置的地層巖性,進(jìn)行工程地質(zhì)分析。同時(shí),結(jié)合實(shí)測(cè)鉆孔和地質(zhì)剖面,也可以校核地質(zhì)模型的準(zhǔn)確性及合理性。

圖8　虛擬鉆孔

3.3　開挖計(jì)算

建立三維地質(zhì)模型,不僅可以優(yōu)化工程設(shè)計(jì),而且可以進(jìn)行工程的施工開挖計(jì)算,比如隧洞、大壩基坑、導(dǎo)流洞進(jìn)出口邊坡以及料場(chǎng)的開挖等。下面以引水隧洞出口邊坡開挖計(jì)算為例,簡(jiǎn)述計(jì)算的過(guò)程。

引水隧洞出口開挖計(jì)算,首先根據(jù)出口邊坡設(shè)計(jì)參數(shù)建立出口邊坡的開挖曲面(圖9-a),將開挖曲面按設(shè)計(jì)坐標(biāo)及高程置入地質(zhì)模型(圖9-b),分離出要開挖的地質(zhì)體(圖9-c),然后采用測(cè)量工具即可計(jì)算出所開挖地質(zhì)體的體積(圖9-d)。

3.4　數(shù)值分析

CATIA自帶的Analysis & Simulation模塊可進(jìn)行簡(jiǎn)單的靜、動(dòng)力分析及熱分析,但該模塊的單元類型和本構(gòu)關(guān)系還不能滿足水利水電工程的要求,尤其是缺乏巖土計(jì)算的本構(gòu)模型和客觀的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。因此對(duì)于較復(fù)雜的模型或非線性有限元分析,為了得到較好的分析結(jié)果,可以與其它有限元軟件結(jié)合起來(lái),如FLAC3D軟件。

FLAC3D軟件是以拉格朗日法為基礎(chǔ)編寫的有限差分程序,是基于三維顯式的有限差分法數(shù)值分析軟件,它可以模擬巖土或其他材料的三維力學(xué)行為,比如邊坡的穩(wěn)定性分析[2]、壩肩抗滑穩(wěn)定分析[3]、洞室的圍巖應(yīng)力分析、地下水滲流分析及有效應(yīng)力計(jì)算等。通過(guò)二次開發(fā),可以實(shí)現(xiàn)CATIA與FLAC3D軟件的接口(圖10、圖11),各司其職。

圖9　開挖計(jì)算

圖10　CATIA地質(zhì)模型

圖11　有限元分析模型

4　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在滇中引水工程中的實(shí)踐及應(yīng)用,證明了CATIA軟件不但具有強(qiáng)大的建模功能,還可以實(shí)現(xiàn)虛擬仿真、切割剖面、開挖計(jì)算以及支持二次開發(fā)數(shù)據(jù)接口等多種功能,完全可以滿足地質(zhì)專業(yè)建模及可視化的需求,而且可以作為多專業(yè)的三維設(shè)計(jì)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)各專業(yè)之間的三維協(xié)同設(shè)計(jì)[4],在水利水電行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn):

[1]韓旭,馮明權(quán),蘇小寧,等.基于CATIA的地質(zhì)模型可視化仿真技術(shù)的應(yīng)用研究[J].人民長(zhǎng)江,2013,44(22):72-75.

[2]李希龍,彭成佳,曾樹元.CATIA在巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定計(jì)算中的應(yīng)用[J].水力發(fā)電,2008,34(7):47-51.

[3]張燕,周圍,唐忠敏.基于CATIA三維設(shè)計(jì)軟件的拱壩壩肩抗滑穩(wěn)定分析[J].水電站設(shè)計(jì),2011,27(3):18-21.

[4]王進(jìn)豐,李小帥,傅尤杰.CATIA軟件在水電工程三維協(xié)同設(shè)計(jì)中應(yīng)用[J].人民長(zhǎng)江,2009,40(4):68-70.