CATIA软件在坝型选择中的应用

李佳 王云鹤

摘 要：本项目所选推荐坝线的左岸存在垭口，必须修建副坝。在初步设计过程中，坝型比选存在多种坝型组合比选的可能。若比选工作采用CATIA软件，对相关关键参数进行建模分析，在极大地节省设计周期的同时，使整个比选工作具有可视化、直观性、真实性、准确性等优势。

关键词：坝型比选;CATIA;重力坝;面板堆石坝

Abstract： The left bank of the recommended dam line selected for this project has a pass and a secondary dam must be built. In the preliminary design process of the dam type selection there are a variety of dam type combinations than the possibility of selection. If CATIA software is used to model and analyze the key parameters， it will greatly save the design cycle and make the whole selection process visual， intuitive， realistic and accurate.

Keywords： dam type selection; gravity dam; panel rockfill dam

1 坝区基本情况

本文研究的内容为贵州省黔东南州锦屏县某乡新建水库工程。水库建坝河段属低中山缓丘坡地地貌，上游下伏基岩为前震旦系板溪群隆里组第一段（Ptbnl1）浅灰、灰色变余砂岩夹粉砂质板岩，下游河段基岩为前震旦系板溪群清水江组第三段（Ptbnq3）浅灰、灰绿色变质砂岩夹砂质板岩，地质构造简单，岩层为单斜构造，岩层产状走向N38°～41°E，倾向SE，倾角18°～43°，无滑坡、崩塌等不良地质体分布，岸坡稳定性较好。推荐坝址选在马背组居民区的上游210 m，火把山北方高程469 m处。该河段中间为四面环山的开阔台地，是一个宽缓的盆腔，两库岸山体高大厚实，库区地势为东高西低，河曲发育，右岸坡较陡，左岸坡较缓。河谷左侧存在高程为490～495 m的垭口，因正常蓄水位为502.00 m，因此必须在该处修建副坝，副坝右岸坡较缓，左岸坡较陡。主、副坝库盆两边均为不对称的“U”字形峡谷。主坝右岸覆盖层较薄，左岸覆盖层較厚;副坝右岸覆盖层较厚，左岸覆盖层较薄。主、副坝两岸地形高程高于正常水位，两坝间山体覆盖层较厚，需要将主、副坝连成一体。总体上来看，库区整体稳定，库盆较大，库区征地较少，满足建坝要求。

2 坝型适应性分析

通过分析野外地质勘察结果、钻孔资料和室内物理力学实验成果可知，主坝基岩岩体较为完整，岩石为坚硬岩，其承载力、变形条件均满足建坝条件要求。由于河谷宽高比较大，加之左坝肩地形单薄，因此不适宜修建拱坝。主坝处坝高达到42 m，若修建土石坝，坝底宽要至少达到200 m，明显不经济，故主坝选择重力坝及面板堆石坝作为备选坝型。通过对坝址地形、地质条件及枢纽布置进行分析，主坝的适宜坝型为重力坝及面板堆石坝。

副坝坝址处为一低矮垭口，垭口高程490～500 m，为一鞍部地形，鞍部宽缓平台宽约50 m，左岸山顶高程539 m，地形坡角约36°;右岸地形坡角23°～32°。左岸下游约60 m发育一浅切冲沟，沟长约310 m，沟口方向为N39°E，上游约100 m发育一浅切冲沟，沟长约250 m，沟口方向为N44°E，山体浑圆。通过本阶段的深入勘察，副坝坝址上游库区高程较低且右岸山体较短，若修建土石坝，大坝上游右岸无法做防渗处理。因此，副坝采取面板堆石坝及重力坝作为比选方案。

3 坝型比选方案选择

通过大坝坝型适宜性分析，主、副坝均可采用重力坝、面板堆石坝的坝型作为比选坝型。通过排列组合，主要有以下4种方案：方案1，即主、副坝重力坝方案;方案2，即主坝重力坝、副坝面板堆石坝方案;方案3，即主坝面板堆石坝、副坝重力坝方案;方案4，即主、副坝面板堆石坝方案[1]。推荐坝线地质剖面、推荐坝线测量和航拍图如图1至图3所示。

4 坝型数据化建模

根据已有测量数据，利用CATIA生成地面三维模型，根据地质钻孔数据及现场勘察结果初步选取10 m作为平均覆盖层厚度，用于坝型比选。重力坝体型采取相关工程采用较多的成熟方案：其中，坝顶高程为505 m，坝顶宽为5 m，上游折坡点为476 m，坝坡坡度为1∶0.1，下游坝坡1∶0.75。面板堆石坝坝顶高程同为505 m，坝顶宽为7 m，上下游坝坡均为1∶1.4。各方案如下。

4.1 主、副坝重力坝方案

采用主、副坝重力坝方案建模后得出的相关数据为[2]：重力坝坝长为258.008 m，开挖量为30 952.2 m3，坝体砼填筑量为56 672.4 m3。具体体型建模见图4。

4.2 主坝重力坝、副坝面板堆石坝方案

采用主坝重力坝、副坝面板堆石坝方案建模后得出的相关数据为：主坝重力坝坝长为135.663 m，开挖量为20 814.5 m3，坝体砼填筑量为40 631.1 m3;副坝面板堆石坝坝长为123.239 m，开挖量为47 161.5 m3，坝体堆石料填筑量为65 705.1 m3，趾、面板砼填筑量为2 179.8 m3。具体体型建模见图5。

4.3 主坝面板堆石坝、副坝重力坝方案

采用主坝面板堆石坝、副坝重力坝方案建模后得出的相关数据为：主坝面板堆石坝坝长为136.702 m，开挖量为100 507 m3，坝体堆石料填筑量为182 180.9 m3，趾、面板砼填筑量为3 671.2 m3;副坝重力坝坝长为123.617 m，开挖量为10 528 m3，坝体砼填筑量为15 808.1 m3。具体体型建模见图6。

4.4 主、副坝面板堆石坝方案

采用主、副坝面板堆石坝方案建模后得出的相关数据为：面板堆石坝坝长260.2 m，开挖量152 129.4 m3，坝体堆石料填筑量253 471.3 m3，趾、面板砼填筑量为6 101.9 m3[3]。具体体型建模见图7。

5 各坝型方案数据化比较

经过现场勘察了解，选定料场灰色中厚层～厚层块状生物碎屑灰岩夹铁质砂岩及白云岩，选定重力坝筑坝材料为C15砼砌毛石。面板堆石坝趾板、面板选定材料为C20砼，面板选定厚度为0.4 m。根据概算专业核算，本工程开挖综合单价为66.81元/m3，C15砼砌毛石综合单价为530.13元/m3，面板堆石坝堆石综合单价为153.85元/m3，C20砼综合单价为561.22元/m3。各方案重要数据对比如表1所示。

5.1 各坝型布置比较

通过建模布置后分析，方案1占地面积最小，泄洪及取水建筑物布置在主坝位置无限制条件。方案2占地较方案1大，泄洪及取水建筑物布置条件与方案1相同。方案3因主坝为面板堆石坝，导致泄洪建筑物和取水建筑物必须布置在副坝或主坝左山体鞍部。结合副坝下部及鞍部覆盖层较厚，此方案会产生大量的开挖、砼填筑工程量，明显不经济。方案4的主、副坝均为面板堆石坝，因此，泄洪及取水建筑物只能布置在主坝右岸、两坝间鞍部山体、副坝左岸。建模后发现，主坝右岸山体较薄，无法修建泄洪建筑物，且山体下游外扩明显，不利于面板堆石坝下游堆石施工及排水系统布置;两坝肩鞍部山体覆盖层较厚，且向下游方向山体逐渐增高，如修建泄洪或取水建筑物则会產生较大开挖及边坡支护工程量。副坝左岸山顶高程539 m，地形坡角约36°，如修建泄洪及取水建筑物则边坡开挖量较大，明显不经济。通过模型分析，综合比选各坝型布置方案，发现方案1最优。

5.2 各坝型投资比较

经初步估算，各方案的估算投资分别为：方案1的估算投资为3 158.153万元;方案2的估算投资为3 741.332万元;方案3的估算投资为4 588.748万元;方案4的估算投资为5 258.483万元。投资方面，方案1最优。

各坝型比较方案主要数据对比如图8所示。

5.3 建模与施工航拍对比照片

通过对模型和得出数据进行对比发现，方案1最优。目前，本项目正在施工中。其中，各坝段均已开挖完成，副坝浇筑过半，通过航拍图发现，现场与CATIA建模形成的形态差距不大，成果较为可靠。施工航拍照片与建模图对比见图9。

通过CATIA可以将测量地形、选定坝线和所需比选坝型进行分别建模，预估开挖面对标准坝型进行切割，得到与实际较为相符的关键数据和真实坝型布置模型。通过对数据和模型的分析最终确定最优坝型方案[4]。

本文用到的CATIA软件是工程建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）中使用较为广泛的一个软件。本模型不仅可以展示设计、施工成果，而且可以在设计过程中修改各项参数优化模型，从而完善设计方案，在方案比选时有较强的操作性，极大地提高了工作效率。

参考文献：

[1]中华人民共和国水利部.水利水电工程初步设计报告编制规程：SL 619—2013[S].北京.中国水利水电出版社，2014.

[2]中华人民共和国水利部.混凝土重力坝设计规范：SL 319—2018[S].北京.中国水利水电出版社，2018.

[3]中华人民共和国水利部.砌石坝设计规范：SL 25—2006[S].北京.中国水利水电出版社，2006.

[4]张德文.CATIA水利水电工程三维设计技术[M].武汉：长江出版社，2014：45.