基于CATIA三河口水利枢纽料场规划研究

付登辉，赵 玮

(陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001)

1 工程概况

陕西省引汉济渭工程为Ⅰ等工程，工程规模为大(一)型，三河口水利枢纽为引汉济渭工程的两大枢纽之一，主要由碾压混凝土双曲拱坝(高141.5m)、坝身泄洪放空系统、坝后引水发电系统和连接洞等组成。

三河口水利枢纽柳木沟砂石料场位于坝址上游黄泥包附近的左岸山梁上，距坝址约9.0km，采用野外调查、测绘、钻探、坑探、槽探及取样试验等综合方法进行了详查，其中钻孔12个、探槽6个。料源分布高程580.0～800.0m，地形较陡，山体高度大于200m，料场基岩裸露，储量较大。出露岩性为印支期混合花岗岩(γ51)，以石英、斜长石为主，内含有肉红色的钾长石斑晶及黑云母等暗色矿物，夹有薄层条带状石英岩脉，中粗粒结构，块状构造，致密坚硬。料场发育多条小沟壑，强风化垂直厚度不均一。

2 料源需求规划及设计存在问题

根据三河口水利枢纽设计，大坝混凝土量为121.2万m3，厂房混凝土量为7.4万m3，三河口水利枢纽主体工程骨料用量合计283万t。考虑砂石料系统还需向黄金峡水利枢纽提供骨料33.4万t，共计需要316.4万t混凝土骨料，折合需开采151.6万m3石料。根据规范详查阶段不小于设计需要量的1.5倍要求，结合本项目地质资料风化厚度及其中包含的暗色矿物条带(宽度≥1.0m)等不确定性因素并考虑开采损耗、运输损耗、堆存损耗、加工损耗等，实际料场规划按2倍考虑，即300万m3左右。

柳木沟骨料场依据风化厚度和开采条件分为两个区：Ⅰ区位于柳木沟右岸、蒲河上游侧；Ⅱ区位于柳木沟左岸、蒲河下游侧。各区试验指标满足规范对人工骨料的要求。

传统采用二维CAD串行设计采用“剖面法”，依据地形地质资料剖切多个二维剖面估算料场开挖总量及可利用料方量，进行方案设计及修改优化。该方法计算工作量较大，设计效率和精度偏低，后期调整需重新切剖面，方法耗时费力，严重制约设计工作效率。

3 CATIA三维设计在料场规划中的应用

3.1 生成料场区域三维地形面

料场区域三维地形面是进行三维设计的基础，具体生成如下:

(1)根据测量提供的地形资料，运用“DTOA”将地形线及高程点等数据转换为“*.asc”文件，需注意大地坐标系统、工程坐标系统的转换数值，以满足CATIA模型空间大小的要求。

(2)在CATIA中“Digitized Shape Editor”模块导入“*.asc”点云数据，运用“Mesh creation”命令将点云生成Mesh面，并应用“Mesh cleaner”和“Fill hole”等命令完成Mesh面的处理。

(3)在CATIA中“Quick Surface Reconstruction”模块将处理好的Mesh面转化成曲面，完成地形面的创建，见图1。

3.2 依据地形地质资料，完成开挖面的初次设计

根据现状地物地貌，依据地质钻探、坑探、槽探等提供的地质剖面资料，初步完成料场规划方案的设计，具体生成如下:①完成坐标系统创建，依据地质剖面坐标信息在模型中添加所有地质剖面；②依据料源分布高程580.0～800.0m，确定终采高程585.0m；根据强、弱风化线位置等，确定每一地质剖面各高程开挖坡比、坡高等，完成每一地质剖面水平向开挖深度及竖直向开挖坡比设计；③在创成设计模块，使用多截面曲面、扫略等命令，完成开挖面、开挖体初次设计，见图2。

图1 柳木沟料场区域三维地形面

图2 柳木沟料场开采区初次方案

3.3 通过对参数调整，完成方案优化

初次开挖模型经沟通研究后主要存在以下问题：①经在三维模型中对柳木沟料场初次开挖体测量，其可用料方量小于设计实际需求量；②根据地质参数，经边坡稳定计算，开挖坡比、坡高等参数不尽合理；③柳木沟料场上下游Ⅰ、Ⅱ区，由于风化厚度的不同导致剥离料厚度计算中亦不相同，初次设计方案取平均值，与实际不符。

图3 柳木沟料场开采区最终规划方案

针对上面提出的问题，在模型中首先对开挖剖面水平向开挖深度、竖直向开挖坡比、坡高设计参数调整，其次依据Ⅰ、Ⅱ区实际风化厚度确定两部分剥离厚度(其中，Ⅰ区按15m厚度剥离，Ⅱ区按35m厚度剥离)，通过多次反复调整相关参数，不断优化设计成果，最终完成料场规划方案设计。其中，Ⅰ区可利用总量84.8万m3，Ⅱ区可利用总量21.5万m3，合计299.7m3，基本满足料场规划总方量300万m3，见图3。依据三维设计模型工程制图模块，完成平面投影，经二维CAD标注，完成二维设计图纸。

3.4 施工期根据现场存在问题快速完成方案动态调整

目前该项目已进入施工期，实际施工过程料场存在较多动态问题，主要有以下几方面：①施工中依据原料场规划方案确定的征地范围，由于现场各种因素，局部存在征地问题，需根据现场实际征地范围重新调整料场规划方案；②Ⅱ区实际施工中750.0m高程以上出现裂缝，为确保施工安全，需调整边坡坡比、坡高，又带来新增征地等问题；③实际施工中，需按5m高程复核现场实际施工与规划方案工程量偏差。

针对上述实际施工中存在的问题或需求，依据料场原规划模型分别解决：①将现场实际征地范围二维点坐标导入CATIA，在三维中生成征地范围，做为料场开挖边界，通过调整各剖面水平向开挖深度满足实际征地范围；②结合征地范围，调整原规划方案坡比、坡高、马道宽度以适应现场实际开挖后稳定边坡现状，对局部存在边坡失稳处结合稳定计算优化边坡参数，最终完成裂缝处理方案设计及优化，见图4；③在三维模型中，按5m高程，生成相应平切体，测量获得其开挖总量和可利用料方案，与现场实际施工中相关工程量比对，完成工程量复核，见图5。

图4 依据征地范围调整料场设计方案

图5 依据三维模型获取5m高程间工程量(图中为610～615m)

4 结语

科学合理的料场规划直接影响着坝体混凝土填筑的施工进度和质量。本文基于BIM软件CATIA，完成三河口水利枢纽柳木沟料场规划方案设计及施工期方案调整。通过CAITA三维设计首先建立料场区域三维地形面；其次依据地形地质资料完成二维剖面设计，并拟合开挖面，生成开挖体，完成料场方案设计及优化调整；最后对施工期所遇问题和需求，利用原规划模型及软件功能完成方案修改及相关数据获取，实现了料场设计从项目前期到施工期的生命周期解决方案。应用BIM软件CATIA开展设计工作，不仅提高了设计人员工作效率，且其可视化的模型使参建各方易于熟悉设计意图，有利于提高沟通效率及项目质量。