三维设计软件在施工组织设计中的应用

2016-08-04严屹人淡松敏

东北水利水电 2016年5期

关键词：开挖三维

严屹人，淡松敏

（上海勘测设计研究院有限公司，上海200080）

三维设计软件在施工组织设计中的应用

严屹人，淡松敏

（上海勘测设计研究院有限公司，上海200080）

［摘要］在水利水电工程中，场地开挖设计是一项复杂繁琐的工作。一般使用二维CAD等软件进行设计时，存在开挖量计算不够精确、开挖情况展示不形象等问题。文中基于GEOPAK Site三维设计软件对某水电站工程进行场地三维设计，大大提升了场地开挖设计的效率和准确性。

［关键词］三维；GEOPAK Site；场地；开挖

在水利水电工程中，场地开挖设计是一项复杂繁琐的工作。传统设计时往往通过二维CAD等软件，按典型断面进行设计计算。在一些地形地质条件较为复杂的工程中，场地挖填工程量的计算也会成为一项繁重任务，耗费设计人员大量的时间和精力，且其设计成果是否精确还有待验证，在后期的施工过程中甚至可能带来一系列难题。

GEOPAK Site是一种适用于工程基础项目的三维设计软件，具有一整体套场地设计模块，广泛应用于各类基础开挖项目，其强大的三维可视化功能、出色的计算功能和灵活的操作界面，大大提升了场地开挖设计的效率和准确性。

借助GEOPAK Site强大的三维分析运算能力，对巴基斯坦某水电站工程进行场地三维设计，介绍应用该三维设计软件进行施工组织设计的全过程。

1　工程资料

1.1工程概况

某水电站工程位于巴基斯坦旁遮普（Punjab）省和阿扎德查谟克什米尔地区（Azad Jammu and Kashmir，AJK）交界的吉拉姆河上，为吉拉姆河梯级开发的第2级。该水电站坝址位于玛尔河和吉拉姆河交汇处上游约5 km处。

工程为Ⅱ等大（2）型工程，挡水、泄洪、引水及发电等永久性主要水工建筑物为2级建筑物，次要建筑物为3级建筑物。

1.2自然条件

吉拉姆河流域内的气候可分为东北季风季节（12月～2月）、热季（3月～5月）、西南季风季节（6 月～9月）和10月～11月的过渡期等四季。受地形和季节影响，降雨时空分配不均。

坝址段河谷为纵向谷，河谷两岸山体雄厚，近不对称的“V”型谷。坝址区河流顺直，河流由北向南，枯水期河水面高程约518 m，河床宽40～60 m，正常蓄水位585 m对应河谷宽约260 m。坝址区基岩主要为砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、泥岩或粉砂质泥岩，受差异风化的作用，一般泥岩或泥质岩分布段成谷或沟槽状，砂岩分布段突出呈脊状，坝址区山体坡面呈波状起伏。坡面多冲沟、雨淋沟槽或残留滑坡床，坡面地形完整性较差、较复杂。

2　三维协同辅助设计

2.1导流隧洞进出口开挖三维辅助设计

根据坝址区水文特性、地形地质条件、水工建筑物布置特点以及施工工期、安全度汛等因素，工程施工拟考虑采用围堰一次拦断河床、隧洞导流的方式。综合考虑地形地质条件及洪水设计标准等，合理布置导流隧洞洞线、确定洞径及进出口高程等隧洞参数。在该工程中，由于隧洞断面尺寸大、进出口地质条件较差，导致隧洞明挖量及边坡开挖高差较大，借助GEOPAK Site的开挖功能进行辅助设计，能够合理并形象反映进出口开挖情况，其主要流程如下：①三维场地建模；②提取开挖对象；③根据设计要求，拟定开挖方案；④按照开挖方案，分步开挖；⑤整理开挖模型，输出数据结果；⑥分析研究，进行方案比选。

2.1.1三维场地建模

GEOPAK Site为使用者提供了多种数据接口，既可根据文本文件信息生成三维地形，也可通过平面CAD地形及数字高程图生成三维地形。在实际施工组织设计工作中，常利用勘测专业提供的CAD地形图。在GEOPAK Site软件中直接参考所需的CAD文件，提取地形图中含有高程信息的等高线或高程点，生成.dat文件，软件将.dat文件转换为.tin三角网格文件。利用软件对网格文件进行优化，去除不合理部分，以减少地形数据量并提高后期软件的处理速度。软件利用优化后的三角网格文件形成.gsf地形文件，该文件作为后期开挖工作的基础。

根据已拟定的隧洞进出口位置，可在基础地形上确定出开挖对象的边界，建议从原先绘制的平面图纸中直接导入隧洞进出口位置。

2.1.2开挖及优化设计

以导流隧洞出口为例，对其开挖方案进行分析。隧洞出口底板高程为513.00 m，洞顶高程为527.00 m。根据工程区域的地质条件，隧洞出口处地质条件较差，因此在高程542.00 m以下采用1∶0.75坡比开挖，高程542.00 m以上采用1∶1坡比开挖。在开挖过程中，建议利用“Side Slope”命令先将隧洞出口开挖至洞顶高程542.00 m，控制开挖坡比，并对开挖后形成的边线进行裁剪优化，可形成直立的掌子面；然后再加入马道，完成边坡整体开挖，提高设计精度。

该方案开挖底高程为513.00 m，软件显示顶部开挖边线的高程为653.70 m，开挖面积达22 240 m2。开挖边坡沿着山坡线直至坡顶，形成了约126.7 m的高边坡。在地质条件较差的工程区域，进行高边坡开挖存在较大的风险，且相应的边坡支护处理较复杂，工程投资大，需要进行优化设计。在满足规范要求和地质条件允许的情况下，将导流隧洞出口向远离坝轴线的方向稍作移动，使其靠近山脊线，具备提前进洞的条件。经调整后，隧洞洞身长度增加，石方洞挖量增大，但优化后的方案顶部开挖边线的高程降低56 m至597.7 m，开挖面积为12 729 m2，大大降低了开挖边坡高度，一定程度上降低了施工难度，并减少工程投资。优化后的方案缩短了明渠长度，软件显示明挖量仅90 778 m3，与前一方案相比，优化后的方案技术及经济优势均较大。

2.2弃渣场三维辅助设计

工程的弃渣场主要考虑利用左右岸坝址附近的现有冲沟。根据现场地形，左岸弃渣主要利用距离坝址上游较近的冲沟，右岸弃渣主要利用上游卡斯沟以及坝址下游台地附近冲沟。根据施工交通条件及地形地质条件等因素，初步选定坝址附近的四处冲沟作为弃渣场地，其中有三处分布在左岸，一处分布在右岸，从上游至下游依次为：左岸1号渣场、右岸渣场、左岸2号渣场和左岸3号渣场。

利用GEOPAK Site进行三维辅助设计，渣场回填的设计流程与之前的开挖流程基本一致。前期作方案比选时，需要对各渣场设定不同的堆渣高程进行计算。设计中需要提取不同的高程线，绘制弃渣场的设计边线。此步骤可在CAD中完成，然后参考到GEOPAK Site中，再通过Building对象实现渣场三维模型的建立。设计过程中：①通过“Raise/ Lower”命令，可以轻松地抬高或者降低堆渣高程，提高设计效率；②弃渣场的边坡坡率及马道的设置可以通过“Side Slope”命令来控制。设计过程中，选取560 m、570 m、580 m和590 m四个不同的堆渣高程，分别计算四个渣场的容量。

2.3成果整理

GEOPAK Site三维辅助设计的成果整理工作主要分为工程量统计和图纸两部分。

2.3.1工程量统计

GEOPAK Site软件提供了分析模块，能够方便快捷的计算出所需的工程量，内容包括：开挖及回填工程量、计算面积等。

经软件分析计算，两种方案的隧洞出口开挖量、开挖面积及开挖边坡高度见表1，各堆渣高程下弃渣场的容量计算见表2。