付登輝，趙 瑋

(陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院，陜西 西安 710001)

1 工程概況

陜西省引漢濟渭工程為Ⅰ等工程，工程規(guī)模為大(一)型，三河口水利樞紐為引漢濟渭工程的兩大樞紐之一，主要由碾壓混凝土雙曲拱壩(高141.5m)、壩身泄洪放空系統(tǒng)、壩后引水發(fā)電系統(tǒng)和連接洞等組成。

三河口水利樞紐柳木溝砂石料場位于壩址上游黃泥包附近的左岸山梁上，距壩址約9.0km，采用野外調(diào)查、測繪、鉆探、坑探、槽探及取樣試驗等綜合方法進行了詳查，其中鉆孔12個、探槽6個。料源分布高程580.0～800.0m，地形較陡，山體高度大于200m，料場基巖裸露，儲量較大。出露巖性為印支期混合花崗巖(γ51)，以石英、斜長石為主，內(nèi)含有肉紅色的鉀長石斑晶及黑云母等暗色礦物，夾有薄層條帶狀石英巖脈，中粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，致密堅硬。料場發(fā)育多條小溝壑，強風(fēng)化垂直厚度不均一。

2 料源需求規(guī)劃及設(shè)計存在問題

根據(jù)三河口水利樞紐設(shè)計，大壩混凝土量為121.2萬m3，廠房混凝土量為7.4萬m3，三河口水利樞紐主體工程骨料用量合計283萬t?？紤]砂石料系統(tǒng)還需向黃金峽水利樞紐提供骨料33.4萬t，共計需要316.4萬t混凝土骨料，折合需開采151.6萬m3石料。根據(jù)規(guī)范詳查階段不小于設(shè)計需要量的1.5倍要求，結(jié)合本項目地質(zhì)資料風(fēng)化厚度及其中包含的暗色礦物條帶(寬度≥1.0m)等不確定性因素并考慮開采損耗、運輸損耗、堆存損耗、加工損耗等，實際料場規(guī)劃按2倍考慮，即300萬m3左右。

柳木溝骨料場依據(jù)風(fēng)化厚度和開采條件分為兩個區(qū)：Ⅰ區(qū)位于柳木溝右岸、蒲河上游側(cè)；Ⅱ區(qū)位于柳木溝左岸、蒲河下游側(cè)。各區(qū)試驗指標(biāo)滿足規(guī)范對人工骨料的要求。

傳統(tǒng)采用二維CAD串行設(shè)計采用“剖面法”，依據(jù)地形地質(zhì)資料剖切多個二維剖面估算料場開挖總量及可利用料方量，進行方案設(shè)計及修改優(yōu)化。該方法計算工作量較大，設(shè)計效率和精度偏低，后期調(diào)整需重新切剖面，方法耗時費力，嚴(yán)重制約設(shè)計工作效率。

3 CATIA三維設(shè)計在料場規(guī)劃中的應(yīng)用

3.1 生成料場區(qū)域三維地形面

料場區(qū)域三維地形面是進行三維設(shè)計的基礎(chǔ)，具體生成如下:

(1)根據(jù)測量提供的地形資料，運用“DTOA”將地形線及高程點等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為“*.asc”文件，需注意大地坐標(biāo)系統(tǒng)、工程坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換數(shù)值，以滿足CATIA模型空間大小的要求。

(2)在CATIA中“Digitized Shape Editor”模塊導(dǎo)入“*.asc”點云數(shù)據(jù)，運用“Mesh creation”命令將點云生成Mesh面，并應(yīng)用“Mesh cleaner”和“Fill hole”等命令完成Mesh面的處理。

(3)在CATIA中“Quick Surface Reconstruction”模塊將處理好的Mesh面轉(zhuǎn)化成曲面，完成地形面的創(chuàng)建，見圖1。

3.2 依據(jù)地形地質(zhì)資料，完成開挖面的初次設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)狀地物地貌，依據(jù)地質(zhì)鉆探、坑探、槽探等提供的地質(zhì)剖面資料，初步完成料場規(guī)劃方案的設(shè)計，具體生成如下:①完成坐標(biāo)系統(tǒng)創(chuàng)建，依據(jù)地質(zhì)剖面坐標(biāo)信息在模型中添加所有地質(zhì)剖面；②依據(jù)料源分布高程580.0～800.0m，確定終采高程585.0m；根據(jù)強、弱風(fēng)化線位置等，確定每一地質(zhì)剖面各高程開挖坡比、坡高等，完成每一地質(zhì)剖面水平向開挖深度及豎直向開挖坡比設(shè)計；③在創(chuàng)成設(shè)計模塊，使用多截面曲面、掃略等命令，完成開挖面、開挖體初次設(shè)計，見圖2。

圖1 柳木溝料場區(qū)域三維地形面

圖2 柳木溝料場開采區(qū)初次方案

3.3 通過對參數(shù)調(diào)整，完成方案優(yōu)化

初次開挖模型經(jīng)溝通研究后主要存在以下問題：①經(jīng)在三維模型中對柳木溝料場初次開挖體測量，其可用料方量小于設(shè)計實際需求量；②根據(jù)地質(zhì)參數(shù)，經(jīng)邊坡穩(wěn)定計算，開挖坡比、坡高等參數(shù)不盡合理；③柳木溝料場上下游Ⅰ、Ⅱ區(qū)，由于風(fēng)化厚度的不同導(dǎo)致剝離料厚度計算中亦不相同，初次設(shè)計方案取平均值，與實際不符。

圖3 柳木溝料場開采區(qū)最終規(guī)劃方案

針對上面提出的問題，在模型中首先對開挖剖面水平向開挖深度、豎直向開挖坡比、坡高設(shè)計參數(shù)調(diào)整，其次依據(jù)Ⅰ、Ⅱ區(qū)實際風(fēng)化厚度確定兩部分剝離厚度(其中，Ⅰ區(qū)按15m厚度剝離，Ⅱ區(qū)按35m厚度剝離)，通過多次反復(fù)調(diào)整相關(guān)參數(shù)，不斷優(yōu)化設(shè)計成果，最終完成料場規(guī)劃方案設(shè)計。其中，Ⅰ區(qū)可利用總量84.8萬m3，Ⅱ區(qū)可利用總量21.5萬m3，合計299.7m3，基本滿足料場規(guī)劃總方量300萬m3，見圖3。依據(jù)三維設(shè)計模型工程制圖模塊，完成平面投影，經(jīng)二維CAD標(biāo)注，完成二維設(shè)計圖紙。

3.4 施工期根據(jù)現(xiàn)場存在問題快速完成方案動態(tài)調(diào)整

目前該項目已進入施工期，實際施工過程料場存在較多動態(tài)問題，主要有以下幾方面：①施工中依據(jù)原料場規(guī)劃方案確定的征地范圍，由于現(xiàn)場各種因素，局部存在征地問題，需根據(jù)現(xiàn)場實際征地范圍重新調(diào)整料場規(guī)劃方案；②Ⅱ區(qū)實際施工中750.0m高程以上出現(xiàn)裂縫，為確保施工安全，需調(diào)整邊坡坡比、坡高，又帶來新增征地等問題；③實際施工中，需按5m高程復(fù)核現(xiàn)場實際施工與規(guī)劃方案工程量偏差。

針對上述實際施工中存在的問題或需求，依據(jù)料場原規(guī)劃模型分別解決：①將現(xiàn)場實際征地范圍二維點坐標(biāo)導(dǎo)入CATIA，在三維中生成征地范圍，做為料場開挖邊界，通過調(diào)整各剖面水平向開挖深度滿足實際征地范圍；②結(jié)合征地范圍，調(diào)整原規(guī)劃方案坡比、坡高、馬道寬度以適應(yīng)現(xiàn)場實際開挖后穩(wěn)定邊坡現(xiàn)狀，對局部存在邊坡失穩(wěn)處結(jié)合穩(wěn)定計算優(yōu)化邊坡參數(shù)，最終完成裂縫處理方案設(shè)計及優(yōu)化，見圖4；③在三維模型中，按5m高程，生成相應(yīng)平切體，測量獲得其開挖總量和可利用料方案，與現(xiàn)場實際施工中相關(guān)工程量比對，完成工程量復(fù)核，見圖5。

圖4 依據(jù)征地范圍調(diào)整料場設(shè)計方案

圖5 依據(jù)三維模型獲取5m高程間工程量(圖中為610～615m)

4 結(jié)語

科學(xué)合理的料場規(guī)劃直接影響著壩體混凝土填筑的施工進度和質(zhì)量。本文基于BIM軟件CATIA，完成三河口水利樞紐柳木溝料場規(guī)劃方案設(shè)計及施工期方案調(diào)整。通過CAITA三維設(shè)計首先建立料場區(qū)域三維地形面；其次依據(jù)地形地質(zhì)資料完成二維剖面設(shè)計，并擬合開挖面，生成開挖體，完成料場方案設(shè)計及優(yōu)化調(diào)整；最后對施工期所遇問題和需求，利用原規(guī)劃模型及軟件功能完成方案修改及相關(guān)數(shù)據(jù)獲取，實現(xiàn)了料場設(shè)計從項目前期到施工期的生命周期解決方案。應(yīng)用BIM軟件CATIA開展設(shè)計工作，不僅提高了設(shè)計人員工作效率，且其可視化的模型使參建各方易于熟悉設(shè)計意圖，有利于提高溝通效率及項目質(zhì)量。