CATIA在官地电站危岩体治理中的应用

覃祥建，袁 琼

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)



CATIA在官地电站危岩体治理中的应用

覃祥建，袁 琼

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

官地水电站处于高山峡谷河段。在消力池左岸边坡上部，分布约9块危岩体、危石和危石群。2015年8月24日，官地水电站大坝左坝肩下游边坡发生崩塌，崩塌块石顺L1便道冲沟滚落，毁坏被动防护网及拦石墙后，在L1便道冲沟口形成倒石堆，少量大块石顺坡滚落至消力池，威胁到消力池安全运行。本文针对其中最大危岩体W6进行了专项治理设计，利用Catia的云点设计功能，生成三维地形图，采用创成式设计功能，设计了锚索及框格梁，最终利用Catia的工程制图功能生成平面施工图。

官地水电站；危岩体；锚索；Catia

1 概 述

1.1 工程简介

官地水电站位于四川省凉山彝族自治州西昌市和盐源县交界的打罗村境内，电站为碾压混凝土重力坝，坝高168.0 m，装机容量4×600 MW，总库容7.6亿m3。依据《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》(DL5180-2003)，官地水电站工程为一等大(1)型工程，大坝、厂房、引水尾水系统等永久性主要建筑物为1级建筑物，永久性次要建筑物为3级建筑物，临时性建筑物按4级设计。

L1便道位于左岸坝后、消力池左岸边坡高程1 330 m附近。1 330 m高程以上发育冲沟，上部危石主要位于冲沟的两侧及冲沟顶部附近。

2015年8月24日，L1便道上部冲沟内危石失稳崩塌坠落，砸坏沟内的两道被动防护网和一道拦石墙，在L1便道与冲沟交汇处形成倒石堆，方量约150 m3。其中，少量块石顺坡滚落，砸坏1 240 m高程的消力池防浪墙掉入消力池内。

2015年11月2～15日,成勘院地质处对左岸坝肩下游L1便道上部危石及冲沟开展了地形图测量、地质测绘、危石调查、危岩体剖面实测。对危岩体及冲沟周边岩石群进行针对性治理设计。

L1便道上部最大危岩体W6，岩壁陡峭，近乎直立。消力池位于L1便道下部，为确保安全，施工中超过20 cm大小的岩石不允许顺坡滚落。工程治理难度大，需要进行精细支护设计。

传统的CAD制图，不能利用测量点绘制陡壁的等高线地形平面图，无法准确描述危岩体。一般只是利用剖面图绘制锚索典型设计图，无法准确绘制锚索布置图，不能满足业主提出的对岩体针对性设计要求。图1为W6危岩体具体形状。

图1 W6危岩体

利用Catia强大的三维设计功能，可以针对岩壁测量散点，准确绘制岩体陡壁形状、危岩体切割面、裂隙等地质特征，最终生成地质三维模型。

1.2 Catia主要功能模块

针对危岩设计。Catia可以采用的模块主要有：用于地形三维建模的数字曲面编辑器(Ditigized Shape Editor，DSE)、创成式外形设计(Generative Shape Design，GSD)、快速曲面重建(Quick Surface Reconstruction)和雕刻(Shape Sculptor)模块。

DSE模块处理测量的点云文件，利用Inport和Expot功能实现数据的输入输出，并最终生成数字曲面。

2 危岩体地质模型

2.1 点云和网格模型

采用成勘院自行开发的转换程序将大地测量等高线和散点图，生成可被Catia识别asc文件，再利用DSE的Inport功能将asc文件生成为点云图。等高线图转换为点云图前后效果见图2、3。

图2 等高线和散点CAD图 图3 等高线转换成点云图

利用DSE的Mesh Creation功能建立网格，然后利用强大的网格编辑功能进行网格修复、合并、光滑、清洁、优化等处理，最终生成满足需要的网格面，见图4。

2.2 危岩体地质模型

利用快速曲面重建(Quick Surface Reconstruction)的Automatic Surface功能，将生成的网格图转换为曲面图，见图5。

图4 网格(Mesh) 图5 由网格生成的曲面图

生成曲面图后，即可以利用创成式外形设计(Generative Shape Design，GSD)和雕刻(Shape Sculptor)模块等进行危岩体的下一步设计。

在W6危岩体区域范围，采用GSD的多重提取功能，提取曲面参数。见图6。

在危岩体表面下部，创建水平面草图，将提取的W6危岩体曲面投影到草图面上，对投影轮廓拉伸形成实体，利用多重提取曲面对实体进行分割操作，就形成W6危岩体的三维实体图，见图7。

图6 W6危岩体地形曲面 图7 W6危岩体三维实体

采用同样的方法，可生成裂隙、切割面等岩体特征模型。对这些地质特征模型与W6地形三维模型进行布尔运算操作，即可生成带地质特征的三维模型。图8为带裂隙切割面的W6危岩体三维模型。

W6危岩体三维图完成后，即可利用GSD等模块的强大三维设计功能，进行锚索结构设计和布置。

3 锚索设计

3.1 锚索结构设计

根据岩体稳定计算，确定了锚索锚固力为1 000 kN，锚索长度35 m、倾角10°，锚索间排距为4 m×4 m，具体计算从略。

锚墩结构采用常用的台体结构，底宽1.5 m×1.5 m，顶宽0.4 m×0.4 m，高度0.8 m。

根据W6岩体裂隙切割面等地质参数赤平投影图，确定锚索最佳走向为N10°W。W6赤平投影见图9。

图8 带切割面的W6危岩体三维实体 图9 W6危岩体赤平投影

按照锚墩底面与锚索垂直进行锚墩设计。捕捉岩体曲面上一点，建立锚墩底面草图，需要注意的是，锚墩底面草图所在平面需要结合锚索走向和倾角计算，确保锚墩底面与锚索正交。

锚墩三维图建立完成后，捕捉锚墩顶部中心建立锚索草图，生成锚索实体。通过布尔运算，将锚索和锚墩结合为一个实体，以便于接下来的锚索布置。

3.2 锚索布置

单个锚索设计完成后，参照危岩体曲面形状，利用GSD强大的平移功能，将锚索沿垂直方向(Z向)、锚墩边走向(水平向)进行平移，平移距离按照4 m进行控制。

由于危岩体表面的复杂性，平移后的锚索一般不在危岩体面上，还需要通过进一步平移，将锚索移动到危岩体表面上。此时需要注意这一步移动是水平移动，方向与锚索方向一致，以确保平移的锚索在同一个高程上。

遇到不适合布置锚索的地方，可以通过XYZ方向局部调整锚索位置，但是不管怎样调整，都要保证锚索走向和倾向满足设计要求。

图10、11为W6危岩体锚索结构及布置图。

图10 W6危岩体锚索布置 图11 W6危岩体锚索结构

4 框格梁设计

根据地质资料，W6危岩体下部可能出现压碎破坏，造成危岩体失稳滑落，需要增加框格梁加固。由于此处施工难度大，材料运输艰难，综合考虑在1 473.24 m、1 477.25 m高程设计两道0.6 m×0.6 m的框格梁进行加固保护。框格梁两端与锚墩相接，框格梁底面与岩壁相接。

由于锚墩底面与危岩体表面大都不能贴近，这些部位需要进行混凝土回填，有些框格梁甚至只能与这些回填混凝土进行结合，需要完善回填混凝土的模型。通过GSD提取锚墩底面、拉伸、与地形曲面分割、合并，可完成这项工作。

同理，利用锚墩结构，通过投影、包络体操作、分割，可建立框格梁沿地形的实体结构。需要注意的是，以框格梁实体最小断面高度满足0.6 m要求建立框格梁实体。框格梁三维实体见图12。

图12 框格梁三维图

通过Catia三维设计，锚索、框格梁支护以最贴近岩体的构造和布置形式反映出来。框格梁受地形限制，可看出是异形的实体，这在CAD平面图设计上是无法实现的。

对于每个独立的框格梁，可以利用成勘院开发的Catia钢筋三维图设计进行配筋设计。这部分工作将在下一阶段进行。

锚索及框格梁设计完成后，利用测量项，测量每个锚墩的大地坐标和高程，建立锚索的坐标表。

利用工程制图模块，可以将锚索、框格梁布置图作为二维图输出。并可精确测量锚墩和框格梁的混凝土实际工程量。

图13、14为W6危岩体最终支护图。

5 结 语

图13 W6危岩体框格梁及锚索结构

图14 W6危岩体框格梁及锚索布置

三维锚索设计精度主要取决于危岩体的测量精度，同时三维网格图平滑处理过程也会影响地质模型精度，在今后类似工程设计中，在严格要求测量精度的同时，需要利用Catia的逆向工程技术，进一步研究围岩面处理，更准确反映危岩体的实际特征。

Catia的三维设计在锚索布置中可以准确设计每个锚墩和锚索，保证了锚索对滑动面的最佳锚固，可直观避免锚索的交叉影响。同时Catia的准确设计特点，替代了锚索布置中CAD制图一贯采用的典型剖面描述的粗糙方法。Catia三维设计方法对工程危岩治理的精确化设计具有不可替代的作用。

[1] 中华人民共和国国家发展和改革委员会.《水电水利工程边坡设计规范》(DL/T5353-2006)[S].2006.

[2] 中华人民共和国国家经济贸易委员会.《水电工程预应力锚固设计规范》(DL/T5176-2003)[S].2003.

[3] 刘冰.CATIA V5-6 R2014从入门到精通[M].电子工业出版社，2015.

2015-12-31

覃祥建(1964-)，男，四川郫县人，高级工程师，从事水工结构设计工作。

TV221.2；TP391.7

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1003-9805(2016)04-0011-04