姬宏奎，张 楠

（河北省水利水电第二勘测设计研究院，石家庄 050021）

GEOPAK在开敞式溢洪道三维开挖设计中的应用

姬宏奎，张 楠

（河北省水利水电第二勘测设计研究院，石家庄 050021）

根据溢洪道的布置特点及地形条件，通过某水电站溢洪道开挖设计实例，介绍三维设计软件GEOPAK在复杂地形中采用纵断中心线投影法，对溢洪道陡槽段及多级马道进行开挖处理的应用技术，为类似工程的三维辅助开挖设计提供借鉴。

溢洪道；开挖；多级马道；三维建模

土石坝的开敞式溢洪道一般均需要绕过挡水建筑物，由侧边山体内下泄洪水。因此溢洪道在平面布置时弯折较多；纵向布置时槽体坡度较陡，高差较大；横向布置时一侧临山、一侧临河。对于复杂的地形条件，在二维环境下绘制复杂地形条件下的工程开挖图，一直都是比较艰巨的工作任务，需要设计者极高的空间想象能力，设计过程中很容易出现各种错误。

随着三维技术的进步，国内外已有三维可视化软件例如GOCAD、Earth Vision等［1］，还有在AutoCAD基础上二次开发获得三维可视化mesh面［2］，这些辅助工具能够实现建模，但不能用于设计及优化处理［3］。

三维辅助设计软件GEOPAK可对工程场地进行设计开挖，对原地面进行操作得到设计场地模型，设计效率高，较为直观，能够更好地辅助设计；可以输出三维模型、二维图纸，在三维设计中已有较多应用；可以采用三维有限元分析软件对开挖成果进行边坡稳定及计算分析，得出合理的支护方案。本文以某土石坝溢洪道工程为例，介绍GEOPAK三维辅助设计软件在溢洪道工程开挖方面的应用情况。

1 工程概况

某土石坝坐落于“V”型峡谷，两岸地势十分险峻，山体坡度50°～60°，垂直落差达600m；坝址处河底高程690m，库区正常蓄水位791.00m，最大坝高106m，设计总库容3230万m3，拦河坝为2级建筑物。

2 三维开挖设计

2.1 平面布置

开敞式溢洪道布置在左坝肩山体内，为3级建筑物，由进水段、闸室段、陡槽段组成，轴线总长287.00m。其中进水段为矩形断面，底板高程762.00m，轴线长112m，弯曲平面布置，轴线转弯半径20m，两侧墙高19.0m。单孔闸室段长30m，布置有WES曲面溢流堰，堰高5.0m。泄槽段长145.00m，以1∶3.5纵坡和鼻坎反弧相切连接。

平面布置图如图1，设计纵断线如图2。

图1 平面布置图

图2 设计纵段线

2.2 纵断面处理

由于溢洪道纵向较长，高程沿程变化大，采用GEOPAK软件的新建对象元素，赋予对象元素高程值模式是常规做法，但溢洪道高程变化较大，给每个元素逐个赋予高程值工作较繁琐易出错。采用放置纵断面模式开挖，可以省去大量工作。做好溢洪道平面布置后，将溢洪道中心线整体投影到原地面，提取中心线的现状纵断线，将中心线纵断面调整为设计纵断线，替换原纵断面即完成纵断线处理，向两边无坡度投影即可获得溢洪道主槽的开挖。

其过程首先用GEOPAK site的DTM工具将二维测量数据生成相应的tin文件。

2.2.1 新建文件设置参数

（1）新建开挖文件读取tin文件并设置原地面基础对象。

（2）设置容差，对后续的开挖工作非常必要。

（3）新建对象，此处为溢洪道。

2.2.2 纵断线处理

（1）将布置好的溢洪道中心线整体投影到现状地面线上，采用道路创建工具中的编辑工具，用profile cell setting将纵断线抽出获得现状纵断如图2。

（2）将设计好的溢洪道纵断线放在抽出的现状纵断线相应位置，确保高程正确，位置对应如图2。

（3）利用Vertical Component Tools工具对现状纵断线进行编辑 （可进行画平直段和纵坡及倒角操作）或重新画出设计纵断线，用此工具编辑或重画的纵断线即有纵断线属性与平面图中心线自动关联，本次设计为将设计纵断在该模式下重新描绘出如图2。

（4）将新纵断线替换掉旧的纵断线，即完成纵断布置。

（5）然后用new element下的工具，将纵断高程投影到两条轮廓线即完成溢洪道主槽开挖。

由此可见，使用中心线开挖模式进行溢洪道主槽的开挖，明显优于常规赋予元素高程值的做法，能够提高效率且准确性高。主槽分段齿墙开挖在上述开挖面上进行二次开挖即可。

2.3 多级马道处理

由于溢洪道两侧为岩体，两侧挡墙为直墙，采用side slope将溢洪道山体一侧轮廓线在足够小的水平距离内（0.01m）向上偏移至岸墙墙顶高程，根据地质报告建议采用1∶0.3的坡比放坡至固定高程值781m，采用copy parallel工具平行复制马道宽度2.5m，如图3 load 781m高程等高线，赋予其781m高程值，与马道两条边线相交，用马道线裁剪781m高程线，将高程线只保留马道之间的部分，即形成该级马道，将马道外边线继续向上放坡，重复以上工作就可以得到多级马道的开挖面。两级马道之间易出现等高线异常的情况，此时应将两级马道连线做定点投影，等高线即可达到要求，开挖平面图如图4。

图3 编辑纵段线

图4 平面图

本次设计之初马道长度较短，通过开挖过程三维模型观察发现两级马道之间马道两端高差较大，有突出部分且明显没有足够支撑，于是加长马道长度，消除两端危险源。

在边坡开挖设计中，偏移轮廓线，找相应等高线并截取马道之间的部分与二维开挖是相同的，而又无需计算坡顶线水平投影距离去寻找坡顶线，对于地面起伏大、平面弯曲、立面陡降的溢洪道来说，这就省去了很大一部分工作，且不易出错，只需要做简单处理即可得到三维的成果。

2.4 开挖成果

开挖完成后利用analysis工具下的工程量统计可以精确获得开挖量，若存在土石分界面可参照文献［4］方法分别放坡获得土方开挖及石方开挖量，本次设计工程量统计如表1。

表1 开挖工程量统计 单位：m3

开挖后平面图，三维轴侧图如图4、图5。开挖完成后创建绘图及图纸，剖切典型断面图，添加适当标注即可出图，添加标注可以将高程标注制作为单元逐个放置较为方便。

图5 三维轴侧图

3 三维开挖面与三维分析软件midas数据传递

边坡工程其应力应变计算宜采用有限单元法等数值方法计算，安全级别较高的边坡抗滑稳定及渗流稳定宜采用数值分析方法进行计算［5］。采用Geopak开挖后形成的三维成果可以用于三维有限元分析软件，进一步分析其应力应变及抗滑稳定。三维开挖面完成之后导出dxf文件，获得开挖后的等高线，采用midas地形生成工具导入上述生成的地形文件，结合midas已经建成的地层及地层属性即可进行边坡应力、应变、抗滑稳定及渗流分析等。

4 结语

三维开挖软件，采用中心线投影模式开挖优于逐个赋予元素高程值的方法。与二维开挖相比其特点：

（1）找坡顶线不需要进行繁琐的放坡计算；

（2）自动寻找坡顶线，精确计算开挖工程量；

（3）边坡设计过程易把握，能及时发现错误并加以修正；

（4）三维开挖模型成果真实可见，能够准确表达二维图纸难以清晰表示的部位；

（5）生成的开挖面可传递到Midas软件进行边坡分析计算。

［1］徐佳，吴继敏，张勤，等.锦屏水电站边坡三维可视化模型构建［J］.水力发电，2008（11）.

［2］郑文棠，张勇平，李明卫.基于三维可视化模型的高边坡演化过程分析［J］.河海大学学报（自然科学版），2009（1）.

［3］杨彪，罗周全，陆广，等.露天矿山三维设计方法应用研究［J］.工程设计学报，2011，18（1）:48-52.

［4］张海阳.GEOPAK三维边坡设计中地质条件处理探讨［J］.建筑工程技术与设计，2014（22）.

［5］SL386—2007，水利水电工程边坡设计规范［S］.

Application of GEOPAK in the excavation design of open-air spillway

JI Hong-kui,ZHANG Nan
（The Second Design and Research Institute of Water Conservancy and Hydropower of Hebei Province,Shijiazhuang 050021，China）

According to the layout characteristics of the spillway and terrain conditions,through a spillway excavation design examples,introduce three-dimensional design software GEOPAK,using the longitudinal centerline projection method in complex terrain,on the spillway chute and multi-stage bridleways process of excavation application technology,provide a reference for three-dimensional auxiliary excavation design of similar projects.

spillway;excavation；multi-stage bridleways;three-dimensional modeling

TV5

B

1672-9900（2015）06-0078-03

2015-10-08

姬宏奎（1986-），男（汉族），河南商丘人，工程师，主要从事水工结构设计工作，（Tel）15369361794。