混凝土面板堆石坝趾板的三维设计方法研究

董甲甲，蔺志刚，王美斋，霍鹤飞

（黄河勘测规划设计有限公司，河南 郑州 450003）

趾板在混凝土面板堆石坝中是连接防渗面板和基础防渗体的重要构件［1］，既是面板浇筑的基础，又是基础灌浆的工作平台。趾板对基础面的要求较高，空间位置受限于坝址处地形地质条件，其空间布置的特点和过渡段的处理给传统设计方法带来极大的困难，因此趾板应用三维手段进行设计十分必要。

1 趾板体型参数确定

在我国面板坝工程实践中，一般以面板下游面与趾板基础的交线，即“X”线作为趾板体型设计和基础开挖的控制线［2］。为便于施工和基础灌浆，趾板布置应首先采用平趾板，即趾板面等高线始终垂直与“X”线。趾板标准断面如图1所示。

图1 趾板标准断面

趾板的体型参数中，趾板的宽度DG按容许水力梯度确定，最小宽度不应小于3m；趾板的厚度GH宜与其连接的面板厚度相当，最小设计厚度应不小于0.3m；考虑到混凝土面板的滑模浇筑，趾板的上游面IA宜平行与混凝土面板上游面；趾板的下游面AC应垂直于面板下游面，以保证趾板均匀的承载混凝土面板传来的力；趾板下游若与防渗板连接，则趾板的CD段应与防渗板的宽度相同，若趾板下游无防渗板，则趾板的CD段通常取0.3m；一般要求趾板的BE段大于90cm，使地基对面板的端部不产生硬性支承，不造成过大的弯曲应力。

由规范［3］可知混凝土面板的厚度随坝高线性增加，而趾板体型参数与面板厚度有关，因此除河床水平段外，趾板在任意位置处的体形参数均是不同的。设计中通过调节DF的长度来满足BE段长度的要求。同时趾板的AC段和IA段的长度和方向也随DF段的变化而变化。

2 趾板三维设计实现方法

CATIA是一款功能强大的 CAD／CAE／CAM一体化软件，其设计技术和解决方案在世界处于领先地位［4］。软件的逆向工程、模板和参数化功能十分强大。

2.1 “X”线的三维定制

利用CATIA软件的逆向工程模块对坝址区的地形地质进行模拟。使趾板“X”线的定制直接以三维地形地质为基础。三维直观的“X”线设计方法，既保证了趾板建基面坐落在坚硬、不冲蚀和可灌浆的基岩上。又使“X”线的布置尽可能平顺，不出现陡坎和反坡，如图2所示。

图2 “X”线的三维定制

2.2 直线段趾板的三维设计

“X”线直线段上的趾板体型是线性变化的。在靠近“X”线直线段两端点的延长线上分别插入趾板典型断面的CATIA模板，通过调整模板参数，满足典型断面的位置要求。再通过CATIA的“多截面实体”命令将两个典型断面拟合成三维模型，如图3所示。

图3 直线段趾板的三维设计

2.3 趾板间过渡段的三维处理方法

趾板沿“X”线布置，“X”线相邻直线段趾板的过渡是趾板设计的难点，需借助三维手段对趾板过渡段进行有效准确的处理。延长趾板模型的直线段，使相邻直线段的趾板自然相交，剪除外沿，即为过渡段，如图4所示。

2.4 趾板在坝肩处的三维处理方法

趾板的宽度和水力梯度有关，换言之和作用水头有关，坝肩处作用水头较小，趾板的设计也可适当放宽，为了方便布置止水，封闭周边缝，坝肩处的趾板往往与防浪墙相连。由于趾板典型断面的位置要求，造成坝肩处趾板底面与防浪墙底面不共面，通常在趾板与防浪墙之间添加一个“三角板”使之平顺过渡，如图5所示。

3 应用实例

CCS混凝土面板堆石坝工程，坝顶高程1233.5m，最大坝高51m。1210m高程以上趾板宽5m，厚 0.6m；1210m高程以下趾板宽 6m，厚0.6m。用上述三维设计方法进行趾板设计，对趾板过渡段和坝肩进行处理，如图6所示。

图4 趾板间过渡段的三维处理方法

图5 趾板在坝肩处的三维处理方法

图6 趾板三维设计的应用实例

4 结论

运用三维设计方法进行趾板

设计优势明显。首先趾板设计满足功能要求，准确的解决趾板复杂空间定位和过渡段布置问题；其次参数驱动模型更新，快速响应设计变更，以达到提高设计效率的目的；另外三维产品的附加值高，趾板模型的建立为后续的二维制图、工程量计算和止水定位等提供便利。综上所述，运用三维设计方法进行混凝土面板堆石坝趾板设计是切实可行值得推广的。

［1］唐新军，严和平，李晓庆.砼面板坝趾板CAD软件的研制与应用［J］.新疆农业大学学报，2001（04）：38-43.

［2］肖化文，周忠兰.混凝土面板坝趾板体型设计［J］.人民长江，2004（01）：10-13.

［3］SL 228-2013.混凝土面板堆石坝设计规范［S］.

［4］王登峰，黄博.CATIA V5机械（汽车）产品CAD／CAE／CAM全精通教材［M］.北京：人民交通出版社，2007.