基于CATIA三河口水利樞紐料場規劃研究

付登輝，趙 瑋

(陜西省水利電力勘測設計研究院，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、壩后引水發電系統和連接洞等組成。

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，中粗粒結構，塊狀構造，致密堅硬。料場發育多條小溝壑，強風化垂直厚度不均一。

2 料源需求規劃及設計存在問題

根據三河口水利樞紐設計，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。考慮砂石料系統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。根據規范詳查階段不小于設計需要量的1.5倍要求，結合本項目地質資料風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，實際料場規劃按2倍考慮，即300萬m3左右。

柳木溝骨料場依據風化厚度和開采條件分為兩個區：Ⅰ區位于柳木溝右岸、蒲河上游側；Ⅱ區位于柳木溝左岸、蒲河下游側。各區試驗指標滿足規范對人工骨料的要求。

傳統采用二維CAD串行設計采用“剖面法”，依據地形地質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，進行方案設計及修改優化。該方法計算工作量較大，設計效率和精度偏低，后期調整需重新切剖面，方法耗時費力，嚴重制約設計工作效率。

3 CATIA三維設計在料場規劃中的應用

3.1 生成料場區域三維地形面

料場區域三維地形面是進行三維設計的基礎，具體生成如下:

(1)根據測量提供的地形資料，運用“DTOA”將地形線及高程點等數據轉換為“*.asc”文件，需注意大地坐標系統、工程坐標系統的轉換數值，以滿足CATIA模型空間大小的要求。

(2)在CATIA中“Digitized Shape Editor”模塊導入“*.asc”點云數據，運用“Mesh creation”命令將點云生成Mesh面，并應用“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面轉化成曲面，完成地形面的創建，見圖1。

3.2 依據地形地質資料，完成開挖面的初次設計

根據現狀地物地貌，依據地質鉆探、坑探、槽探等提供的地質剖面資料，初步完成料場規劃方案的設計，具體生成如下:①完成坐標系統創建，依據地質剖面坐標信息在模型中添加所有地質剖面；②依據料源分布高程580.0～800.0m，確定終采高程585.0m；根據強、弱風化線位置等，確定每一地質剖面各高程開挖坡比、坡高等，完成每一地質剖面水平向開挖深度及豎直向開挖坡比設計；③在創成設計模塊，使用多截面曲面、掃略等命令，完成開挖面、開挖體初次設計，見圖2。

圖1 柳木溝料場區域三維地形面

圖2 柳木溝料場開采區初次方案

3.3 通過對參數調整，完成方案優化

初次開挖模型經溝通研究后主要存在以下問題：①經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計實際需求量；②根據地質參數，經邊坡穩定計算，開挖坡比、坡高等參數不盡合理；③柳木溝料場上下游Ⅰ、Ⅱ區，由于風化厚度的不同導致剝離料厚度計算中亦不相同，初次設計方案取平均值，與實際不符。

圖3 柳木溝料場開采區最終規劃方案

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、坡高設計參數調整，其次依據Ⅰ、Ⅱ區實際風化厚度確定兩部分剝離厚度(其中，Ⅰ區按15m厚度剝離，Ⅱ區按35m厚度剝離)，通過多次反復調整相關參數，不斷優化設計成果，最終完成料場規劃方案設計。其中，Ⅰ區可利用總量84.8萬m3，Ⅱ區可利用總量21.5萬m3，合計299.7m3，基本滿足料場規劃總方量300萬m3，見圖3。依據三維設計模型工程制圖模塊，完成平面投影，經二維CAD標注，完成二維設計圖紙。

3.4 施工期根據現場存在問題快速完成方案動態調整

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問題，主要有以下幾方面：①施工中依據原料場規劃方案確定的征地范圍，由于現場各種因素，局部存在征地問題，需根據現場實際征地范圍重新調整料場規劃方案；②Ⅱ區實際施工中750.0m高程以上出現裂縫，為確保施工安全，需調整邊坡坡比、坡高，又帶來新增征地等問題；③實際施工中，需按5m高程復核現場實際施工與規劃方案工程量偏差。

針對上述實際施工中存在的問題或需求，依據料場原規劃模型分別解決：①將現場實際征地范圍二維點坐標導入CATIA，在三維中生成征地范圍，做為料場開挖邊界，通過調整各剖面水平向開挖深度滿足實際征地范圍；②結合征地范圍，調整原規劃方案坡比、坡高、馬道寬度以適應現場實際開挖后穩定邊坡現狀，對局部存在邊坡失穩處結合穩定計算優化邊坡參數，最終完成裂縫處理方案設計及優化，見圖4；③在三維模型中，按5m高程，生成相應平切體，測量獲得其開挖總量和可利用料方案，與現場實際施工中相關工程量比對，完成工程量復核，見圖5。

圖4 依據征地范圍調整料場設計方案

圖5 依據三維模型獲取5m高程間工程量(圖中為610～615m)

4 結語

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