CATIA軟件在壩型選擇中的應(yīng)用

李佳 王云鶴

摘 要：本項(xiàng)目所選推薦壩線的左岸存在埡口，必須修建副壩。在初步設(shè)計(jì)過(guò)程中，壩型比選存在多種壩型組合比選的可能。若比選工作采用CATIA軟件，對(duì)相關(guān)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行建模分析，在極大地節(jié)省設(shè)計(jì)周期的同時(shí)，使整個(gè)比選工作具有可視化、直觀性、真實(shí)性、準(zhǔn)確性等優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：壩型比選;CATIA;重力壩;面板堆石壩

Abstract： The left bank of the recommended dam line selected for this project has a pass and a secondary dam must be built. In the preliminary design process of the dam type selection there are a variety of dam type combinations than the possibility of selection. If CATIA software is used to model and analyze the key parameters， it will greatly save the design cycle and make the whole selection process visual， intuitive， realistic and accurate.

Keywords： dam type selection; gravity dam; panel rockfill dam

1 壩區(qū)基本情況

本文研究的內(nèi)容為貴州省黔東南州錦屏縣某鄉(xiāng)新建水庫(kù)工程。水庫(kù)建壩河段屬低中山緩丘坡地地貌，上游下伏基巖為前震旦系板溪群隆里組第一段（Ptbnl1）淺灰、灰色變余砂巖夾粉砂質(zhì)板巖，下游河段基巖為前震旦系板溪群清水江組第三段（Ptbnq3）淺灰、灰綠色變質(zhì)砂巖夾砂質(zhì)板巖，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，巖層為單斜構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀走向N38°～41°E，傾向SE，傾角18°～43°，無(wú)滑坡、崩塌等不良地質(zhì)體分布，岸坡穩(wěn)定性較好。推薦壩址選在馬背組居民區(qū)的上游210 m，火把山北方高程469 m處。該河段中間為四面環(huán)山的開(kāi)闊臺(tái)地，是一個(gè)寬緩的盆腔，兩庫(kù)岸山體高大厚實(shí)，庫(kù)區(qū)地勢(shì)為東高西低，河曲發(fā)育，右岸坡較陡，左岸坡較緩。河谷左側(cè)存在高程為490～495 m的埡口，因正常蓄水位為502.00 m，因此必須在該處修建副壩，副壩右岸坡較緩，左岸坡較陡。主、副壩庫(kù)盆兩邊均為不對(duì)稱的“U”字形峽谷。主壩右岸覆蓋層較薄，左岸覆蓋層較厚;副壩右岸覆蓋層較厚，左岸覆蓋層較薄。主、副壩兩岸地形高程高于正常水位，兩壩間山體覆蓋層較厚，需要將主、副壩連成一體。總體上來(lái)看，庫(kù)區(qū)整體穩(wěn)定，庫(kù)盆較大，庫(kù)區(qū)征地較少，滿足建壩要求。

2 壩型適應(yīng)性分析

通過(guò)分析野外地質(zhì)勘察結(jié)果、鉆孔資料和室內(nèi)物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)成果可知，主壩基巖巖體較為完整，巖石為堅(jiān)硬巖，其承載力、變形條件均滿足建壩條件要求。由于河谷寬高比較大，加之左壩肩地形單薄，因此不適宜修建拱壩。主壩處壩高達(dá)到42 m，若修建土石壩，壩底寬要至少達(dá)到200 m，明顯不經(jīng)濟(jì)，故主壩選擇重力壩及面板堆石壩作為備選壩型。通過(guò)對(duì)壩址地形、地質(zhì)條件及樞紐布置進(jìn)行分析，主壩的適宜壩型為重力壩及面板堆石壩。

副壩壩址處為一低矮埡口，埡口高程490～500 m，為一鞍部地形，鞍部寬緩平臺(tái)寬約50 m，左岸山頂高程539 m，地形坡角約36°;右岸地形坡角23°～32°。左岸下游約60 m發(fā)育一淺切沖溝，溝長(zhǎng)約310 m，溝口方向?yàn)镹39°E，上游約100 m發(fā)育一淺切沖溝，溝長(zhǎng)約250 m，溝口方向?yàn)镹44°E，山體渾圓。通過(guò)本階段的深入勘察，副壩壩址上游庫(kù)區(qū)高程較低且右岸山體較短，若修建土石壩，大壩上游右岸無(wú)法做防滲處理。因此，副壩采取面板堆石壩及重力壩作為比選方案。

3 壩型比選方案選擇

通過(guò)大壩壩型適宜性分析，主、副壩均可采用重力壩、面板堆石壩的壩型作為比選壩型。通過(guò)排列組合，主要有以下4種方案：方案1，即主、副壩重力壩方案;方案2，即主壩重力壩、副壩面板堆石壩方案;方案3，即主壩面板堆石壩、副壩重力壩方案;方案4，即主、副壩面板堆石壩方案[1]。推薦壩線地質(zhì)剖面、推薦壩線測(cè)量和航拍圖如圖1至圖3所示。

4 壩型數(shù)據(jù)化建模

根據(jù)已有測(cè)量數(shù)據(jù)，利用CATIA生成地面三維模型，根據(jù)地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)果初步選取10 m作為平均覆蓋層厚度，用于壩型比選。重力壩體型采取相關(guān)工程采用較多的成熟方案：其中，壩頂高程為505 m，壩頂寬為5 m，上游折坡點(diǎn)為476 m，壩坡坡度為1∶0.1，下游壩坡1∶0.75。面板堆石壩壩頂高程同為505 m，壩頂寬為7 m，上下游壩坡均為1∶1.4。各方案如下。

4.1 主、副壩重力壩方案

采用主、副壩重力壩方案建模后得出的相關(guān)數(shù)據(jù)為[2]：重力壩壩長(zhǎng)為258.008 m，開(kāi)挖量為30 952.2 m3，壩體砼填筑量為56 672.4 m3。具體體型建模見(jiàn)圖4。

4.2 主壩重力壩、副壩面板堆石壩方案

采用主壩重力壩、副壩面板堆石壩方案建模后得出的相關(guān)數(shù)據(jù)為：主壩重力壩壩長(zhǎng)為135.663 m，開(kāi)挖量為20 814.5 m3，壩體砼填筑量為40 631.1 m3;副壩面板堆石壩壩長(zhǎng)為123.239 m，開(kāi)挖量為47 161.5 m3，壩體堆石料填筑量為65 705.1 m3，趾、面板砼填筑量為2 179.8 m3。具體體型建模見(jiàn)圖5。

4.3 主壩面板堆石壩、副壩重力壩方案

采用主壩面板堆石壩、副壩重力壩方案建模后得出的相關(guān)數(shù)據(jù)為：主壩面板堆石壩壩長(zhǎng)為136.702 m，開(kāi)挖量為100 507 m3，壩體堆石料填筑量為182 180.9 m3，趾、面板砼填筑量為3 671.2 m3;副壩重力壩壩長(zhǎng)為123.617 m，開(kāi)挖量為10 528 m3，壩體砼填筑量為15 808.1 m3。具體體型建模見(jiàn)圖6。

4.4 主、副壩面板堆石壩方案

采用主、副壩面板堆石壩方案建模后得出的相關(guān)數(shù)據(jù)為：面板堆石壩壩長(zhǎng)260.2 m，開(kāi)挖量152 129.4 m3，壩體堆石料填筑量253 471.3 m3，趾、面板砼填筑量為6 101.9 m3[3]。具體體型建模見(jiàn)圖7。

5 各壩型方案數(shù)據(jù)化比較

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察了解，選定料場(chǎng)灰色中厚層～厚層塊狀生物碎屑灰?guī)r夾鐵質(zhì)砂巖及白云巖，選定重力壩筑壩材料為C15砼砌毛石。面板堆石壩趾板、面板選定材料為C20砼，面板選定厚度為0.4 m。根據(jù)概算專業(yè)核算，本工程開(kāi)挖綜合單價(jià)為66.81元/m3，C15砼砌毛石綜合單價(jià)為530.13元/m3，面板堆石壩堆石綜合單價(jià)為153.85元/m3，C20砼綜合單價(jià)為561.22元/m3。各方案重要數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示。

5.1 各壩型布置比較

通過(guò)建模布置后分析，方案1占地面積最小，泄洪及取水建筑物布置在主壩位置無(wú)限制條件。方案2占地較方案1大，泄洪及取水建筑物布置條件與方案1相同。方案3因主壩為面板堆石壩，導(dǎo)致泄洪建筑物和取水建筑物必須布置在副壩或主壩左山體鞍部。結(jié)合副壩下部及鞍部覆蓋層較厚，此方案會(huì)產(chǎn)生大量的開(kāi)挖、砼填筑工程量，明顯不經(jīng)濟(jì)。方案4的主、副壩均為面板堆石壩，因此，泄洪及取水建筑物只能布置在主壩右岸、兩壩間鞍部山體、副壩左岸。建模后發(fā)現(xiàn)，主壩右岸山體較薄，無(wú)法修建泄洪建筑物，且山體下游外擴(kuò)明顯，不利于面板堆石壩下游堆石施工及排水系統(tǒng)布置;兩壩肩鞍部山體覆蓋層較厚，且向下游方向山體逐漸增高，如修建泄洪或取水建筑物則會(huì)產(chǎn)生較大開(kāi)挖及邊坡支護(hù)工程量。副壩左岸山頂高程539 m，地形坡角約36°，如修建泄洪及取水建筑物則邊坡開(kāi)挖量較大，明顯不經(jīng)濟(jì)。通過(guò)模型分析，綜合比選各壩型布置方案，發(fā)現(xiàn)方案1最優(yōu)。

5.2 各壩型投資比較

經(jīng)初步估算，各方案的估算投資分別為：方案1的估算投資為3 158.153萬(wàn)元;方案2的估算投資為3 741.332萬(wàn)元;方案3的估算投資為4 588.748萬(wàn)元;方案4的估算投資為5 258.483萬(wàn)元。投資方面，方案1最優(yōu)。

各壩型比較方案主要數(shù)據(jù)對(duì)比如圖8所示。

5.3 建模與施工航拍對(duì)比照片

通過(guò)對(duì)模型和得出數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，方案1最優(yōu)。目前，本項(xiàng)目正在施工中。其中，各壩段均已開(kāi)挖完成，副壩澆筑過(guò)半，通過(guò)航拍圖發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)與CATIA建模形成的形態(tài)差距不大，成果較為可靠。施工航拍照片與建模圖對(duì)比見(jiàn)圖9。

通過(guò)CATIA可以將測(cè)量地形、選定壩線和所需比選壩型進(jìn)行分別建模，預(yù)估開(kāi)挖面對(duì)標(biāo)準(zhǔn)壩型進(jìn)行切割，得到與實(shí)際較為相符的關(guān)鍵數(shù)據(jù)和真實(shí)壩型布置模型。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)和模型的分析最終確定最優(yōu)壩型方案[4]。

本文用到的CATIA軟件是工程建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）中使用較為廣泛的一個(gè)軟件。本模型不僅可以展示設(shè)計(jì)、施工成果，而且可以在設(shè)計(jì)過(guò)程中修改各項(xiàng)參數(shù)優(yōu)化模型，從而完善設(shè)計(jì)方案，在方案比選時(shí)有較強(qiáng)的操作性，極大地提高了工作效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)水利部.水利水電工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告編制規(guī)程：SL 619—2013[S].北京.中國(guó)水利水電出版社，2014.

[2]中華人民共和國(guó)水利部.混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范：SL 319—2018[S].北京.中國(guó)水利水電出版社，2018.

[3]中華人民共和國(guó)水利部.砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范：SL 25—2006[S].北京.中國(guó)水利水電出版社，2006.

[4]張德文.CATIA水利水電工程三維設(shè)計(jì)技術(shù)[M].武漢：長(zhǎng)江出版社，2014：45.