三維正向設計在土石壩沉降監測中的應用

李 菁， 馮 立

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

在水電工程土石壩監測設計與資料分析過程中，沉降監測設計及相關資料分析是監測人員關注的重點之一，對掌控土石壩的沉降發展及穩定性評價至關重要。

目前，土石壩的沉降監測主要分為外部變形監測和內部變形監測[1]，必須在最大壩高或河床處、地形突變處、地質條件復雜處至少選取3個監測橫斷面；在壩頂上下游兩側，下游壩坡1/2壩高以上宜布置1～3個監測縱斷面，在1/2壩高以下宜布置1～2個監測縱斷面，外部變形監測主要采用外部變形觀測墩沿監測斷面在壩頂及壩后馬道布置；內部變形監測主要采用水管式沉降儀在每個監測斷面分3～5個高程布置測線，每條測線間距20～50 m布置測點。在土石壩監測設計中，沉降測點的數量一般為150個以上，測點之間的空間關系復雜。在二維環境進行監測設計時采用大比例圖例表示，存在儀器位置表達不完全準確、儀器之間相對位置不直觀的問題。

在土石壩沉降監測資料分析中，通常需要繪制沉降變形分布圖以輔助設計人員了解大壩變形的分布規律，但傳統二維CAD繪制水管式沉降儀的沉降分布圖只能按橫斷面展示而無法展示同一高程的沉降分布規律，局限性較大。此外，每次沉降測值變化時CAD無法同步數據，需要手工修改沉降分布圖，重復工作性強；當需要云圖展示水管式沉降儀沉降分布時，只能在CAD中先描點、再導入suffer軟件進行繪制，導入導出數據增大了工作量。

闡述了應用土石壩變形監測最重要的兩種儀器進行三維正向設計的過程。采用三維設計軟件及其自帶的知識工程模塊，不但可以準確地展示各測點的空間位置關系，還可以生成沉降分布圖，且其隨著沉降數據的變化而更新，方法簡單易行，高效、準確。

2 土石壩沉降監測三維正向設計思路

由于沉降監測正向設計的特殊性，很多使用場景需要二次開發，其開發周期長，目前已完成的、可進行全生命周期監測的三維設計僅有基于CATIA二次開發的水電站平面監測控制網監測模塊[2]。而土石壩沉降監測三維正向設計無需二次開發即可實現所需的要求，在已有的水工或地質專業模型中進行土石壩沉降三維監測正向設計[3]，實現參數化的全生命周期監測三維模型。以某礫石土心墻壩1∶1000三維模型為例，介紹了土石壩沉降監測三維正向設計的步驟。

2.1 監測測點的設計

該礫石土心墻壩為在深厚覆蓋層上修建的、高達240 m的高土石壩，壩頂高程為1 697 m。在壩頂上游設置有1.2 m高的防浪墻并與心墻可靠連接，防浪墻頂高程為1 698.2 m。

壩體基本剖面：礫石土直心墻壩頂高程為1 697 m，心墻上、下游側為反濾層，反濾層外側設置過渡層，過渡層外側為堆石體壩殼。根據壩基地質條件，確定心墻最低建基面高程為1 457 m，最大壩高240 m，壩頂長度為497.94 m。

壩體分為土質防滲體、反濾層、過渡層及壩殼四大區。土質防滲體采用礫石土直心墻，壩殼采用堆石填筑，心墻與上、下游壩殼堆石之間均設有反濾層、過渡層，下游堆石體與覆蓋層壩基間設有水平反濾層。

根據該工程規模及相關規范，所采用的沉降監測方式主要為表面位移監測和內部變形監測。

大壩表面位移測點按間距30～80 m設置，測點樁號為(縱)0+000.00、(縱)0+080.00、(縱)0+137.00、(縱)0+193.00、(縱)0+223.29、(縱)0+253.72、(縱)0+290.00、(縱)0+330.00、(縱)0+360.00、(縱)0+394.00、(縱)0+444.00、(縱)0+490.72。水平位移測點與垂直位移測點同墩布置。

上游壩坡1 585 m高程在樁號(縱)0+253.00、(縱)0+330.00、(縱)0+394.00、(縱)0+444.00、(縱)0+490.00處各布置了1個簡易水準測點，共布置了5個臨時沉降測點；在 1 615 m、1 645 m、1 695 m高程各布置了1排外部變形觀測墩；在大壩壩頂上下游側各布置了1排外部變形觀測墩；下游壩坡在1 510 m、1 545 m、1 585 m、1 615 m、1 645 m、1 672 m高程處各布置了1排外部變形觀測墩。共布置了97個外部變形觀測墩，5個簡易水準點。

下游堆石區內部沉降監測采用水管式沉降儀。分別在壩(縱)0+137.00、(縱)0+193.00、(縱)0+253.00、(縱)0+330.00、(縱)0+394.00樁號剖面，下游壩殼1 645 m、1 615 m、1 585 m、1 530 m、1 5130 m高程布置了17個沉降觀測條帶，在每個觀測條帶下游壩坡出口位置各設觀測房一座，并采用外部變形觀測值進行基準校核。

2.2 監測測點骨架的建立

由于設計過程存在一定的不確定性，監測測點的位置經常需要根據水工模型進行動態調整，從而需要監測測點與水工模型具有關聯性。

監測測點骨架的設置是參考結構骨架設計[4]TOP-DOWN而來，主要為各監測測點中心點、中心線、監測測線的參考幾何因素，監測測點的布置需參考骨架，而更改骨架可以迅速調整監測測點的位置，實現實時更新，節約設計時間。

監測測點骨架的建立首先在結構樹根據測點類型和部位建立幾何圖形集，該工程需建立2個幾何圖形集，分別為外部變形觀測墩定位坐標圖形集和水管式沉降儀定位坐標圖形集。

根據監測設備的幾何特征，其外部變形觀測墩采用各測點墩底面中心點坐標作為骨架參考點。水管式沉降儀采用安裝高程面、測線長度及終點坐標作為骨架參考點。需要注意的是：由于監測測點眾多，在建立監測測點骨架時，需要對每一個幾何元素進行重命名(如外部變形觀測墩TP77被命名為TP77-中心點)，以便于后續設計工作的開展。

2.3 監測儀器建模

在三維環境下進行監測測點模型的布置可以采用陣列、零件模板、工程鏈接等方法。根據該工程的具體情況，需要大量重復在水工模型不同部位布置同一類型的監測儀器，故最終采用零件模板方法較為合適。

鑒于監測儀器的建模采用CATIA零件模板(User Definde Feature)，即UDF，將監測儀器幾何特征的創建過程記錄下來以達到重復利用的目的。

由于該工程用于土石壩沉降監測的外部變形觀測墩形狀尺寸固定，因此，新建了一個part，再新建了一個平面和中心點，在新建平面上建立了外部變形觀測墩底面，再根據該底面偏移平面建立了觀測墩頂面，最后按比例繪制出一個多截面實體。建模時，選取觀測墩底面中點為輸出特征即可。

水管式沉降儀在土石壩內部按高程布置測線，每條測線的長度及測點數量不完全相同，測線與水平面具有一定的角度，建模時，一般選取下游側測線的終點測點為起點，采用知識工程陣列的方法批量建立水管式沉降儀測點，模型輸出特征為測線端點和水管式沉降儀數量。

2.4 監測測點的布置

監測測點的布置是三維正向監測設計中的重要一環。由于該工程的外部變形測點及水管式沉降儀的自身體積較大，在大比例尺水工模型中也可以清晰展示，最終采用1∶1的比例在三維水工模型中進行布置。

完成監測骨架及監測儀器建模后，在土石壩三維模型中進行監測測點的布置就變得非常便捷，只需在對應的坐標點選取所需要的監測UDF模型即可快速導入。為便于在三維環境中展示，應對所有實例化UDF模型插入平行于屏幕的編號替換默認白色字體及顏色以便于后期分布圖使用；同時，對結構樹對應的UDF模型進行重命名(如外部變形觀測墩被命名為TPi)，從而完成監測測點的布置。

2.5 沉降分布圖的繪制

沉降分布圖的主要設計思路沿用二維環境的分布圖方法。但利用三維環境可以更好地展示下游壩坡外部變形沉降分布的情況，同時可以擬合沉降曲面，提高工作效率。

(1)沉降分布曲線建模。沉降分布曲線是將每個監測測點的沉降值連成一條曲線，從而可以直觀地找到同一高程上沉降的最大點，依此分析沉降量和沉降分布規律。

沉降分布曲線需要選取測點中心點為端點，垂直Z軸方向做直線(直線長度為沉降測值)，之后將相同高程的沉降直線端點用折線連接，最后需對每條沉降直線在結構樹上進行編號以方便后續工作。

(2)沉降分布曲面建模。傳統的CAD沉降分布圖只能展示沉降分布曲線。而在三維環境下其可以生成沉降分布曲面，從而更直觀地分析堆石區內部的沉降分布規律。

對于同高程、不同斷面的水管式沉降儀沉降測值，若測點數量比較多，可以利用CAITIA自由曲面設計模塊先將同一高程已有的幾條沉降曲線擬合成曲面，再利用外形分析功能查詢曲面與測點高程平面的關系，即可生成曲面的云圖，展示同高程變形分布。

2.6 沉降分布圖的更新方法

在實際工作中，需要對歷次沉降分布測值進行對比分析。如該工程在一期蓄水后沉降量有所變化，因而需要分析對比蓄水前后的沉降分布，而傳統的CAD只能手動重新繪制沉降分布圖，其工作效率低下且易出錯。

為實現沉降分布圖的自動更新功能，可以利用CATIA的參數化關聯設計，將沉降曲線和沉降數據以參數化的方式建立并保持關聯，當沉降數據更新時，沉降分布圖可以同步調整，進而提高了工作效率。

具體的操作方法：進入知識工程模塊，新建一個單值長度的參數類型，設定其長度為第一次沉降測值，所對應的沉降曲線需要先對尺寸進行約束，再右鍵打開編輯公式選項，選取長度參數，將尺寸與參數進行關聯，并由當前參數創建設計表[5]導出表格，后續更新設計表數據后即可利用excel表格驅動沉降分布圖的修改。

2.7 沉降監測數據分析

根據三維模型獲取的數據及歷次變形分布規律可以得出以下結論：

(1)上游壩坡最大累計沉降量發生在樁號(縱)0+287.23，1 695 m高程的TP77測點，累計沉降量為212.1 mm，一期蓄水以來變化量為204.3 mm(下沉)。下游壩坡累計最大沉降量發生在樁號(縱)0+253.83，1 615 m高程的BM43測點，累計沉降量為505.45 mm，一期蓄水以來變化量為49.30 mm(下沉)。壩頂最大累計沉降量發生在心墻頂部樁號(縱)0+253.72的BML17測點，累計沉降量為197.3 mm，一期蓄水以來的變化量為173.9 mm(下沉)。

各測點沉降量隨壩體填筑高程的增加逐漸增大，其整體分布呈現出由河床中部向兩岸遞減的趨勢。各層的沉降速率分布為：填筑初期沉降速率相對較大，后期漸緩；同一時段內高高程沉降速率較大，低高程沉降速率較緩，符合變形規律。

(2)上游壩坡測點向上游變形，累計變形量位于-47.93～-6.6 mm范圍。下游壩坡大部分測點向下游變形，累計變形量位于4.33～167.77 mm范圍。壩頂上游堆石區大部分測點向上游變形，累計變形量位于-45.66～6.6 mm范圍。壩頂心墻測點向上游變形，累計變形量位于-63.12～-12.63 mm范圍。壩頂下游堆石區測點向上游變形，累計變形量位于-61.75～1.18 mm范圍。

壩體表面位移隨填筑高程的增加而持續增加，變形趨勢符合一般規律；順河向位移具有河床中部大、兩岸岸坡小的分布特征，左右岸位移分布表現為由兩岸向河床中部靠攏的趨勢，總體符合壩體表面變形的一般規律。

(3)大壩心墻內部累計最大沉降值為2 261.5 mm，發生在(縱)0+256.00斷面心墻1 590.5 m高程處，該處蓄水后至今沉降了130.1 mm；堆石體內部累計最大沉降量為2 716.1 mm，發生在樁號(壩)0+138.00、(縱)0+330.00，1 550 m高程的C95測點處，該處蓄水后至今沉降了28.4 mm。

對比同類工程大壩心墻填筑期的沉降變形，瀑布溝水電站大壩(含覆蓋層)心墻和堆石的最大沉降量分別占其心墻和堆石填筑高度的比例約為0.8%和1.15%，糯扎渡水電站大壩(無覆蓋層)心墻和堆石的最大沉降量分別占其心墻和堆石填筑高度的比例約為1.21%和0.5%，長河壩水電站心墻及堆石區的沉降量同期均與瀑布溝水電站相近；與糯扎渡水電站相比，其心墻最大沉降量占心墻填筑高度比偏低，堆石的最大變形占堆石填筑高度比偏高。

3 結 語

由于所監測的三維實體模型較小且測點很多，其在大比例尺的水工模型中無法顯示。目前，三維正向監測設計工作的開展對CATIA軟件二次開發的依賴性較強，受開發周期制約導致三維監測正向設計起步較晚。

文中闡述的土石壩沉降監測的三維正向設計方法對于部分自身體積較大的監測儀器在水工模型中可以清晰地表達，即可利用軟件自帶功能進行一些有針對性的監測設計，且其設計過程簡便，特別是沉降分布圖的繪制，可以減少大量的重復工作，提高效率，減少人工失誤，對其他方面的三維正向監測設計，如土石壩超孔隙水壓力三維正向設計、邊坡變形三維正向設計等具有一定的參考價值。今后，應進一步探索三維監測正向設計方法，比如利用點云數據精確建模，繼續挖掘監測三維正向設計的價值。