水利水电工程地质计算机应用：土石坝三维设计

土石坝在我国水利水电工程中得到广泛的应用，尤其是混凝土面板堆石坝工程技术的应用和推广更进一步提高和发展了土石坝工程技术，并使其成熟和完善。土石坝坝高可以从几米到300m，如今我国已建成数以万计的土石坝工程，土石坝以其经济性和适用各种地形地质条件的优势，雄居各类坝型的首位。

15.3.1　　地形表面筑坝的土石坝三维设计

在三维地形实体模型上进行土石坝三维设计，特别适用于方案选择，使工程设计人员便于分析、比较，并且方便快捷，进而提高设计工作效率与设计质量，具体设计过程如下。

首先，在地形图上绘制一条大坝轴线，使用轻便多义线（LWPLINE），其标高为大坝底板高程或者是大坝坝顶高程，如图15-4所示。在坝轴线起点处，与坝轴线垂直绘制大坝标准剖面，大坝标准剖面中基本的分区结构和其他细部构造都绘制成闭合区域，以不同颜色表示，每个区域赋予一个属性，例如下游堆石区3C、上游堆石区3B等，如图15-5所示。各分区的属性可以使用“编辑扩展数据”进行编辑修改。在平面图菜单中，选择“三维功能”－“三维实体”－“拉伸”，大坝标准剖面各个分区的闭合区域作为拉伸对象，大坝轴线作为拉伸路径，依据大坝标准剖面不同分区的属性和颜色，绘制出标准的大坝三维实体模型，不同分区生成的是不同的实体，具有不同的属性和颜色，如图15-6所示。

图15-4　坝轴线和大坝标准剖面位置

图15-5　大坝标准剖面

图15-6　大坝标准三维实体模型

图15-7　实际建造大坝三维模型

将标准三维大坝实体放置在三维地形实体上，以三维大坝实体作为差集实体，以三维地形实体作为被差集实体，进行差集，其结果在地形表面建立起一座大坝，如图15-7所示。大坝是根据建筑材料的不同，由不同的三维实体组成的，具有各自的颜色和属性，在平面图菜单中，选择“三维功能”－“三维实体”－“计算若干实体的体积”，选择大坝各部分三维实体，计算结果如下：

在三维地形上设计的三维大坝如图15-8所示。

图15-8　三维地形和大坝

计算体积时，还可以根据不同高程计算各分区的体积；动态显示不同高程时，以坝体的修建变化情况来模拟施工进度。

可以使用并集（union）命令，将各分区三维实体合并为一个三维实体，在大坝的下游面用三维立体字书写水库名称。

计算表面积，可以分别计算上游面、下游面、坝基表面积。施工界线为地面工程建筑物的设计面与地表面的交线。设计土工建筑物时，有时建筑物高于地面，施工时需要填方，有时建筑物低于地面，施工时需要挖方。求施工界线的目的，在于确定填、挖方的范围，以便了解施工的界线和计算土方量。

以往在地形等高线上确定施工界限时，地貌是用等高线来表示的，因此土工构筑物的表面（一般为平整坡面、柱面或锥面）也可用等高线来表示。求施工界线，主要是求出土工建筑物表面的等高线与地形图上相应（高程相等）的等高线的交点，然后把所求得的一系列交点连接成线，就得到施工范围的界线，实际操作起来比较费时费力。现在进行三维设计，就变得非常简单了，因为三维大坝实体的边界线就是建筑物的施工界限。

15.3.2　　开挖地基上筑坝的土石坝三维设计(www.xing528.com)

在实际工程中，一般都要进行坝基的开挖，以下是在开挖地基上进行三维大坝的设计过程，包括开挖工程量的计算。

在三维地形实体模型的俯视图上，绘制一条坝轴线。通过大坝标准剖面生成的三维大坝实体模型放置在三维地形实体模型上，最好是放置在三维地形地质实体模型上，这样便于了解覆盖层厚度、地质构造等。选择“切制若干横剖面图”，选取坝轴线作为纵剖面线，计算机提示输入以下数据，如图15-9所示。

横断面就是控制断面，其数量是由横断面间距来决定的，应结合工程量计算、坝的结构计算以及与其他建筑物的布置来确定。横剖面的长度应大于大坝标准剖面的长度，高程上限、下限是横剖面的高程上下限，可根据需要选定。确定好以上数据以后，计算机自动完成纵剖面（沿坝轴线）和各横剖面的切制，形成一组三维立体剖面，如图15-10所示。

图15-9　确定剖面数据

图15-10　三维立体剖面

如图15-10所示各剖面存储在不同的图层上，选择“动态显示剖面图”，计算机会自动冻结相应的图层，依次在屏幕上显示各个剖面。选择“置当前剖面图”，出现选择剖面的界面如图15-11所示；另外，可以对每个剖面分别进行编辑修改，如图15-12所示。

图15-11　选择剖面

图15-12　编辑剖面

在选定的每一个横剖面上，系统自动进入当前剖面的UCS坐标系统，根据地形和地质条件，由设计人员绘制一条开挖界线，该线段在当前剖面是二维线，但在整个三维系统是一条三维线。当各个横剖面的开挖线确定好以后，以这些开挖线作为底板，向地表以上延伸一定高度，生成一个三维实体，该高度应确保拉伸后的三维实体在地表以上，以新生成的三维实体和三维地形实体进行相交计算，相交后产生的三维实体就是开挖体，此时可以很方便的计算开挖体的体积了。用三维地形实体差集掉开挖体，就相当于在地形上挖出的地基。然后把大坝标准三维实体模型放置在开挖地基以后的三维地形模型上，再进行相应的差集，生成建立在开挖后的地形上的三维大坝实体，通过对该实体的操作，可以计算出大坝的施工界限、大坝各个分区的体积及总体积、大坝各个分区的不同高程的体积和总体积，绘制出趾板线等，如图15-13～图15-16所示。

图15-13　剖面线

图15-14　开挖体

图15-15　三维大坝实体

图15-16　趾板线