CATIA在官地電站危巖體治理中的應用

覃祥建，袁 瓊

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

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CATIA在官地電站危巖體治理中的應用

覃祥建，袁 瓊

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，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，毀壞被動防護網及攔石墻后，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行。本文針對其中最大危巖體W6進行了專項治理設計，利用Catia的云點設計功能，生成三維地形圖，采用創(chuàng)成式設計功能，設計了錨索及框格梁，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，電站為碾壓混凝土重力壩，壩高168.0 m，裝機容量4×600 MW，總庫容7.6億m3。依據《水電樞紐工程等級劃分及設計安全標準》(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級建筑物，永久性次要建筑物為3級建筑物，臨時性建筑物按4級設計。

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及沖溝頂部附近。

2015年8月24日，L1便道上部沖溝內危石失穩(wěn)崩塌墜落，砸壞溝內的兩道被動防護網和一道攔石墻，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。

2015年11月2～15日,成勘院地質處對左岸壩肩下游L1便道上部危石及沖溝開展了地形圖測量、地質測繪、危石調查、危巖體剖面實測。對危巖體及沖溝周邊巖石群進行針對性治理設計。

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，需要進行精細支護設計。

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

圖1 W6危巖體

利用Catia強大的三維設計功能，可以針對巖壁測量散點，準確繪制巖體陡壁形狀、危巖體切割面、裂隙等地質特征，最終生成地質三維模型。

1.2 Catia主要功能模塊

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

DSE模塊處理測量的點云文件，利用Inport和Expot功能實現數據的輸入輸出，并最終生成數字曲面。

2 危巖體地質模型

2.1 點云和網格模型

采用成勘院自行開發(fā)的轉換程序將大地測量等高線和散點圖，生成可被Catia識別asc文件，再利用DSE的Inport功能將asc文件生成為點云圖。等高線圖轉換為點云圖前后效果見圖2、3。

圖2 等高線和散點CAD圖 圖3 等高線轉換成點云圖

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

2.2 危巖體地質模型

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

圖4 網格(Mesh) 圖5 由網格生成的曲面圖

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

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。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，對投影輪廓拉伸形成實體，利用多重提取曲面對實體進行分割操作，就形成W6危巖體的三維實體圖，見圖7。

圖6 W6危巖體地形曲面 圖7 W6危巖體三維實體

采用同樣的方法，可生成裂隙、切割面等巖體特征模型。對這些地質特征模型與W6地形三維模型進行布爾運算操作，即可生成帶地質特征的三維模型。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等模塊的強大三維設計功能，進行錨索結構設計和布置。

3 錨索設計

3.1 錨索結構設計

根據巖體穩(wěn)定計算，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，具體計算從略。

錨墩結構采用常用的臺體結構，底寬1.5 m×1.5 m，頂寬0.4 m×0.4 m，高度0.8 m。

根據W6巖體裂隙切割面等地質參數赤平投影圖，確定錨索最佳走向為N10°W。W6赤平投影見圖9。

圖8 帶切割面的W6危巖體三維實體 圖9 W6危巖體赤平投影

按照錨墩底面與錨索垂直進行錨墩設計。捕捉巖體曲面上一點，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合錨索走向和傾角計算，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，生成錨索實體。通過布爾運算，將錨索和錨墩結合為一個實體，以便于接下來的錨索布置。

3.2 錨索布置

單個錨索設計完成后，參照危巖體曲面形狀，利用GSD強大的平移功能，將錨索沿垂直方向(Z向)、錨墩邊走向(水平向)進行平移，平移距離按照4 m進行控制。

由于危巖體表面的復雜性，平移后的錨索一般不在危巖體面上，還需要通過進一步平移，將錨索移動到危巖體表面上。此時需要注意這一步移動是水平移動，方向與錨索方向一致，以確保平移的錨索在同一個高程上。

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

圖10、11為W6危巖體錨索結構及布置圖。

圖10 W6危巖體錨索布置 圖11 W6危巖體錨索結構

4 框格梁設計

根據地質資料，W6危巖體下部可能出現壓碎破壞，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，材料運輸艱難，綜合考慮在1 473.24 m、1 477.25 m高程設計兩道0.6 m×0.6 m的框格梁進行加固保護。框格梁兩端與錨墩相接，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，這些部位需要進行混凝土回填，有些框格梁甚至只能與這些回填混凝土進行結合，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，可完成這項工作。

同理，利用錨墩結構，通過投影、包絡體操作、分割，可建立框格梁沿地形的實體結構。需要注意的是，以框格梁實體最小斷面高度滿足0.6 m要求建立框格梁實體。框格梁三維實體見圖12。

圖12 框格梁三維圖

通過Catia三維設計，錨索、框格梁支護以最貼近巖體的構造和布置形式反映出來。框格梁受地形限制，可看出是異形的實體，這在CAD平面圖設計上是無法實現的。

對于每個獨立的框格梁，可以利用成勘院開發(fā)的Catia鋼筋三維圖設計進行配筋設計。這部分工作將在下一階段進行。

錨索及框格梁設計完成后，利用測量項，測量每個錨墩的大地坐標和高程，建立錨索的坐標表。

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際工程量。

圖13、14為W6危巖體最終支護圖。

5 結 語

圖13 W6危巖體框格梁及錨索結構

圖14 W6危巖體框格梁及錨索布置

三維錨索設計精度主要取決于危巖體的測量精度，同時三維網格圖平滑處理過程也會影響地質模型精度，在今后類似工程設計中，在嚴格要求測量精度的同時，需要利用Catia的逆向工程技術，進一步研究圍巖面處理，更準確反映危巖體的實際特征。

Catia的三維設計在錨索布置中可以準確設計每個錨墩和錨索，保證了錨索對滑動面的最佳錨固，可直觀避免錨索的交叉影響。同時Catia的準確設計特點，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三維設計方法對工程危巖治理的精確化設計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.《水電水利工程邊坡設計規(guī)范》(DL/T5353-2006)[S].2006.

[2] 中華人民共和國國家經濟貿易委員會.《水電工程預應力錨固設計規(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，高級工程師，從事水工結構設計工作。

TV221.2；TP391.7

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1003-9805(2016)04-0011-04