姬宏奎，張 楠

（河北省水利水電第二勘測設計研究院，石家莊 050021）

GEOPAK在開敞式溢洪道三維開挖設計中的應用

姬宏奎，張 楠

（河北省水利水電第二勘測設計研究院，石家莊 050021）

根據溢洪道的布置特點及地形條件，通過某水電站溢洪道開挖設計實例，介紹三維設計軟件GEOPAK在復雜地形中采用縱斷中心線投影法，對溢洪道陡槽段及多級馬道進行開挖處理的應用技術，為類似工程的三維輔助開挖設計提供借鑒。

溢洪道；開挖；多級馬道；三維建模

土石壩的開敞式溢洪道一般均需要繞過擋水建筑物，由側邊山體內下泄洪水。因此溢洪道在平面布置時彎折較多；縱向布置時槽體坡度較陡，高差較大；橫向布置時一側臨山、一側臨河。對于復雜的地形條件，在二維環(huán)境下繪制復雜地形條件下的工程開挖圖，一直都是比較艱巨的工作任務，需要設計者極高的空間想象能力，設計過程中很容易出現各種錯誤。

隨著三維技術的進步，國內外已有三維可視化軟件例如GOCAD、Earth Vision等［1］，還有在AutoCAD基礎上二次開發(fā)獲得三維可視化mesh面［2］，這些輔助工具能夠實現建模，但不能用于設計及優(yōu)化處理［3］。

三維輔助設計軟件GEOPAK可對工程場地進行設計開挖，對原地面進行操作得到設計場地模型，設計效率高，較為直觀，能夠更好地輔助設計；可以輸出三維模型、二維圖紙，在三維設計中已有較多應用；可以采用三維有限元分析軟件對開挖成果進行邊坡穩(wěn)定及計算分析，得出合理的支護方案。本文以某土石壩溢洪道工程為例，介紹GEOPAK三維輔助設計軟件在溢洪道工程開挖方面的應用情況。

1 工程概況

某土石壩坐落于“V”型峽谷，兩岸地勢十分險峻，山體坡度50°～60°，垂直落差達600m；壩址處河底高程690m，庫區(qū)正常蓄水位791.00m，最大壩高106m，設計總庫容3230萬m3，攔河壩為2級建筑物。

2 三維開挖設計

2.1 平面布置

開敞式溢洪道布置在左壩肩山體內，為3級建筑物，由進水段、閘室段、陡槽段組成，軸線總長287.00m。其中進水段為矩形斷面，底板高程762.00m，軸線長112m，彎曲平面布置，軸線轉彎半徑20m，兩側墻高19.0m。單孔閘室段長30m，布置有WES曲面溢流堰，堰高5.0m。泄槽段長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，設計縱斷線如圖2。

圖1 平面布置圖

圖2 設計縱段線

2.2 縱斷面處理

由于溢洪道縱向較長，高程沿程變化大，采用GEOPAK軟件的新建對象元素，賦予對象元素高程值模式是常規(guī)做法，但溢洪道高程變化較大，給每個元素逐個賦予高程值工作較繁瑣易出錯。采用放置縱斷面模式開挖，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，提取中心線的現狀縱斷線，將中心線縱斷面調整為設計縱斷線，替換原縱斷面即完成縱斷線處理，向兩邊無坡度投影即可獲得溢洪道主槽的開挖。

其過程首先用GEOPAK site的DTM工具將二維測量數據生成相應的tin文件。

2.2.1 新建文件設置參數

（1）新建開挖文件讀取tin文件并設置原地面基礎對象。

（2）設置容差，對后續(xù)的開挖工作非常必要。

（3）新建對象，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狀縱斷如圖2。

（2）將設計好的溢洪道縱斷線放在抽出的現狀縱斷線相應位置，確保高程正確，位置對應如圖2。

（3）利用Vertical Component Tools工具對現狀縱斷線進行編輯 （可進行畫平直段和縱坡及倒角操作）或重新畫出設計縱斷線，用此工具編輯或重畫的縱斷線即有縱斷線屬性與平面圖中心線自動關聯，本次設計為將設計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挖。

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

2.3 多級馬道處理

由于溢洪道兩側為巖體，兩側擋墻為直墻，采用side slope將溢洪道山體一側輪廓線在足夠小的水平距離內（0.01m）向上偏移至岸墻墻頂高程，根據地質報告建議采用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，即形成該級馬道，將馬道外邊線繼續(xù)向上放坡，重復以上工作就可以得到多級馬道的開挖面。兩級馬道之間易出現等高線異常的情況，此時應將兩級馬道連線做定點投影，等高線即可達到要求，開挖平面圖如圖4。

圖3 編輯縱段線

圖4 平面圖

本次設計之初馬道長度較短，通過開挖過程三維模型觀察發(fā)現兩級馬道之間馬道兩端高差較大，有突出部分且明顯沒有足夠支撐，于是加長馬道長度，消除兩端危險源。

在邊坡開挖設計中，偏移輪廓線，找相應等高線并截取馬道之間的部分與二維開挖是相同的，而又無需計算坡頂線水平投影距離去尋找坡頂線，對于地面起伏大、平面彎曲、立面陡降的溢洪道來說，這就省去了很大一部分工作，且不易出錯，只需要做簡單處理即可得到三維的成果。

2.4 開挖成果

開挖完成后利用analysis工具下的工程量統計可以精確獲得開挖量，若存在土石分界面可參照文獻［4］方法分別放坡獲得土方開挖及石方開挖量，本次設計工程量統計如表1。

表1 開挖工程量統計 單位：m3

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

圖5 三維軸側圖

3 三維開挖面與三維分析軟件midas數據傳遞

邊坡工程其應力應變計算宜采用有限單元法等數值方法計算，安全級別較高的邊坡抗滑穩(wěn)定及滲流穩(wěn)定宜采用數值分析方法進行計算［5］。采用Geopak開挖后形成的三維成果可以用于三維有限元分析軟件，進一步分析其應力應變及抗滑穩(wěn)定。三維開挖面完成之后導出dxf文件，獲得開挖后的等高線，采用midas地形生成工具導入上述生成的地形文件，結合midas已經建成的地層及地層屬性即可進行邊坡應力、應變、抗滑穩(wěn)定及滲流分析等。

4 結語

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

（1）找坡頂線不需要進行繁瑣的放坡計算；

（2）自動尋找坡頂線，精確計算開挖工程量；

（3）邊坡設計過程易把握，能及時發(fā)現錯誤并加以修正；

（4）三維開挖模型成果真實可見，能夠準確表達二維圖紙難以清晰表示的部位；

（5）生成的開挖面可傳遞到Midas軟件進行邊坡分析計算。

［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程分析［J］.河海大學學報（自然科學版），2009（1）.

［3］楊彪，羅周全，陸廣，等.露天礦山三維設計方法應用研究［J］.工程設計學報，2011，18（1）:48-52.

［4］張海陽.GEOPAK三維邊坡設計中地質條件處理探討［J］.建筑工程技術與設計，2014（22）.

［5］SL386—2007，水利水電工程邊坡設計規(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，主要從事水工結構設計工作，（Tel）15369361794。