CATIA软件在滇中引水工程中的应用

2014-03-24马丹璇程方权张良平

资源环境与工程 2014年4期

韩　旭, 马丹璇, 程方权, 张良平

(长江岩土工程总公司(武汉),湖北武汉　430010)

0　引言

CATIA是由法国Dassault公司开发的集CADCAMCAE于一体的三维设计系统,广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子电器、消费品等行业。2003年,加拿大QUEBEC电力公司首次采用该软件进行Mercier水电站设计,成功的将该软件应用于水利水电行业三维地质建模、大坝及厂房设计、机电设备及施工布置等专业[1]。2006年,CATIA三维设计软件被引入国内水利水电行业,目前该软件凭借其强大的功能,在行业内应用效果良好。

滇中引水工程位于青藏高原东南隅,输水线路总长近850 km,线路跨越金沙江、澜沧江二大水系,穿越横断山系高山、中山地貌区,地形地质条件十分复杂。本文基于CATIA软件,重点阐述滇中引水工程复杂地质环境的三维地质建模、图片及材料渲染、切割地质剖面、虚拟钻孔、施工开挖计算以及数值分析等方面的实践及应用。

1　三维地质建模的流程

建立三维地质模型,需要有完善多样的地质资料,为此,本公司开发了“水利水电工程勘测三维可视化信息系统”,该系统包括“野外地质信息采集系统”、“三维可视化地表扫描系统”、“工程地质数据库管理系统”以及“三维地质建模技术及可视化系统”四个子系统。

作为“三维地质建模技术及可视化系统”的一部分,三维地质建模包括地形模型和地质模型的建立,整个创建流程如图1所示。

1.1　三维地形建模

滇中引水工程线路长、数据量庞大,若采用曲面建模方法,普通的计算机设备承担不了这么大的计算数据。因此,要首先根据地形地质条件,把整个线路划分为若干段,然后采用网格面的形式,进行分段建模。

图1　三维地质建模流程图

首先由三维可视化地表扫描系统直接获取地形数据,或者由二次开发工具提取CAD地形图等高线及高程点数据,导入到CATIA数字外形编辑模块;利用网格面工具条生成地形面;然后建立凸台,将凸台网格化后与地形面做分割或布尔运算,即可建立三维地形(图2)。

图2　三维地形

1.2　三维地质建模

地质模型的建立应根据地层的分布及新老关系,先创建覆盖层,后建立断层及岩体模型。首先由野外地质信息采集系统采集地质数据,建立地质数据管理系统;将地质剖面图及柱状图导入CATIA,建立覆盖层底面;覆盖层底面与三维地形做分割或布尔运算,产生覆盖层模型;利用剖面及钻孔数据创建断层面及岩层分界面;再用断层面及岩层面分割地形,形成断层模型及岩体模型。地质模型建立后,可用不同的颜色对地质体进行区分。滇中引水工程三维地质模型如图3所示。

图3　三维地质模型

2　模型渲染

2.1　地形渲染

若采用航拍照片来渲染某电站小范围的坝址地形,传统的方法是将航片一张张的渲染上去,工作量小,简单易行。滇中引水工程所拍航片一万多张,文件庞大。若采用传统渲染方式,工作量太大,过程过于繁琐,而且现有普通设备不可能完成这样海量的计算任务。通过二次开发,可将一万多张航片进行快速拼接,然后在CATIA软件Photo Studio模块下,可以对超长线路地形进行快速渲染。地形渲染的逼真效果如图4所示。

图4　地形渲染效果图

2.2　材料渲染

地质模型不仅可以用不同的颜色加以区分,通过CATIA软件自身的材料库(图5),也可以将不同的地层和岩性应用不同的材料加以渲染。通过各种材料不同的图案或纹理,可以更加直观地看出各地层的属性和分布(图6)。另外也可以在材料库模块下,根据需要自行编辑材料,创建新的材料和材料库。

图5　材料库

图6　地质模型材料渲染效果图

3　模型的应用

3.1　剖面切割

在基于CATIA创建三维地质模型的基础上,通过CATIA软件工程制图模块的自身功能,可以实现二维地质剖面的输出,并可以为剖面图建立图框、图块以及进行标注等。

需要说明一点,在工程制图模块下网格模型不能直接输出地质剖面,需要将网格模型转化为曲面或者实体模型。

相对于工程制图模块,在装配设计模块下不仅可以实现剖面输出,而且交互性更强、操作更简单,实现三维模型向平面图纸的快速转换。并可以动态查看剖面的输出效果,实时显示地下隧洞所处的地质情况,真实展现地质模型内部的地层分布(图7)。

剖面输出后,结合二次开发工具,可以为剖面自动添加图框、图名、图签、标尺以及钻孔等信息,快速生成标准化的地质剖面图。

图7　切割剖面

3.2　虚拟钻孔

三维地质模型建立后,可以在模型的任意位置布置虚拟钻孔,提取钻孔岩芯(图8),查看该位置的地层岩性,进行工程地质分析。同时,结合实测钻孔和地质剖面,也可以校核地质模型的准确性及合理性。

图8　虚拟钻孔

3.3　开挖计算

建立三维地质模型,不仅可以优化工程设计,而且可以进行工程的施工开挖计算,比如隧洞、大坝基坑、导流洞进出口边坡以及料场的开挖等。下面以引水隧洞出口边坡开挖计算为例,简述计算的过程。

引水隧洞出口开挖计算,首先根据出口边坡设计参数建立出口边坡的开挖曲面(图9-a),将开挖曲面按设计坐标及高程置入地质模型(图9-b),分离出要开挖的地质体(图9-c),然后采用测量工具即可计算出所开挖地质体的体积(图9-d)。

3.4　数值分析

CATIA自带的Analysis & Simulation模块可进行简单的静、动力分析及热分析,但该模块的单元类型和本构关系还不能满足水利水电工程的要求,尤其是缺乏岩土计算的本构模型和客观的评价标准。因此对于较复杂的模型或非线性有限元分析,为了得到较好的分析结果,可以与其它有限元软件结合起来,如FLAC3D软件。

FLAC3D软件是以拉格朗日法为基础编写的有限差分程序,是基于三维显式的有限差分法数值分析软件,它可以模拟岩土或其他材料的三维力学行为,比如边坡的稳定性分析[2]、坝肩抗滑稳定分析[3]、洞室的围岩应力分析、地下水渗流分析及有效应力计算等。通过二次开发,可以实现CATIA与FLAC3D软件的接口(图10、图11),各司其职。