混凝土面板堆石壩趾板的三維設計方法研究

董甲甲，藺志剛，王美齋，霍鶴飛

（黃河勘測規劃設計有限公司，河南 鄭州 450003）

趾板在混凝土面板堆石壩中是連接防滲面板和基礎防滲體的重要構件［1］，既是面板澆筑的基礎，又是基礎灌漿的工作平臺。趾板對基礎面的要求較高，空間位置受限于壩址處地形地質條件，其空間布置的特點和過渡段的處理給傳統設計方法帶來極大的困難，因此趾板應用三維手段進行設計十分必要。

1 趾板體型參數確定

在我國面板壩工程實踐中，一般以面板下游面與趾板基礎的交線，即“X”線作為趾板體型設計和基礎開挖的控制線［2］。為便于施工和基礎灌漿，趾板布置應首先采用平趾板，即趾板面等高線始終垂直與“X”線。趾板標準斷面如圖1所示。

圖1 趾板標準斷面

趾板的體型參數中，趾板的寬度DG按容許水力梯度確定，最小寬度不應小于3m；趾板的厚度GH宜與其連接的面板厚度相當，最小設計厚度應不小于0.3m；考慮到混凝土面板的滑模澆筑，趾板的上游面IA宜平行與混凝土面板上游面；趾板的下游面AC應垂直于面板下游面，以保證趾板均勻的承載混凝土面板傳來的力；趾板下游若與防滲板連接，則趾板的CD段應與防滲板的寬度相同，若趾板下游無防滲板，則趾板的CD段通常取0.3m；一般要求趾板的BE段大于90cm，使地基對面板的端部不產生硬性支承，不造成過大的彎曲應力。

由規范［3］可知混凝土面板的厚度隨壩高線性增加，而趾板體型參數與面板厚度有關，因此除河床水平段外，趾板在任意位置處的體形參數均是不同的。設計中通過調節DF的長度來滿足BE段長度的要求。同時趾板的AC段和IA段的長度和方向也隨DF段的變化而變化。

2 趾板三維設計實現方法

CATIA是一款功能強大的 CAD／CAE／CAM一體化軟件，其設計技術和解決方案在世界處于領先地位［4］。軟件的逆向工程、模板和參數化功能十分強大。

2.1 “X”線的三維定制

利用CATIA軟件的逆向工程模塊對壩址區的地形地質進行模擬。使趾板“X”線的定制直接以三維地形地質為基礎。三維直觀的“X”線設計方法，既保證了趾板建基面坐落在堅硬、不沖蝕和可灌漿的基巖上。又使“X”線的布置盡可能平順，不出現陡坎和反坡，如圖2所示。

圖2 “X”線的三維定制

2.2 直線段趾板的三維設計

“X”線直線段上的趾板體型是線性變化的。在靠近“X”線直線段兩端點的延長線上分別插入趾板典型斷面的CATIA模板，通過調整模板參數，滿足典型斷面的位置要求。再通過CATIA的“多截面實體”命令將兩個典型斷面擬合成三維模型，如圖3所示。

圖3 直線段趾板的三維設計

2.3 趾板間過渡段的三維處理方法

趾板沿“X”線布置，“X”線相鄰直線段趾板的過渡是趾板設計的難點，需借助三維手段對趾板過渡段進行有效準確的處理。延長趾板模型的直線段，使相鄰直線段的趾板自然相交，剪除外沿，即為過渡段，如圖4所示。

2.4 趾板在壩肩處的三維處理方法

趾板的寬度和水力梯度有關，換言之和作用水頭有關，壩肩處作用水頭較小，趾板的設計也可適當放寬，為了方便布置止水，封閉周邊縫，壩肩處的趾板往往與防浪墻相連。由于趾板典型斷面的位置要求，造成壩肩處趾板底面與防浪墻底面不共面，通常在趾板與防浪墻之間添加一個“三角板”使之平順過渡，如圖5所示。

3 應用實例

CCS混凝土面板堆石壩工程，壩頂高程1233.5m，最大壩高51m。1210m高程以上趾板寬5m，厚 0.6m；1210m高程以下趾板寬 6m，厚0.6m。用上述三維設計方法進行趾板設計，對趾板過渡段和壩肩進行處理，如圖6所示。

圖4 趾板間過渡段的三維處理方法

圖5 趾板在壩肩處的三維處理方法

圖6 趾板三維設計的應用實例

4 結論

運用三維設計方法進行趾板

設計優勢明顯。首先趾板設計滿足功能要求，準確的解決趾板復雜空間定位和過渡段布置問題；其次參數驅動模型更新，快速響應設計變更，以達到提高設計效率的目的；另外三維產品的附加值高，趾板模型的建立為后續的二維制圖、工程量計算和止水定位等提供便利。綜上所述，運用三維設計方法進行混凝土面板堆石壩趾板設計是切實可行值得推廣的。

［1］唐新軍，嚴和平，李曉慶.砼面板壩趾板CAD軟件的研制與應用［J］.新疆農業大學學報，2001（04）：38-43.

［2］肖化文，周忠蘭.混凝土面板壩趾板體型設計［J］.人民長江，2004（01）：10-13.

［3］SL 228-2013.混凝土面板堆石壩設計規范［S］.

［4］王登峰，黃博.CATIA V5機械（汽車）產品CAD／CAE／CAM全精通教材［M］.北京：人民交通出版社，2007.