POWER GEOPAK在施工总布置设计中的应用

李 鹏 曾 俊 张艳君

在水利水电工程施工总布置设计中，渣场、料场、施工临时设施（施工工厂、生活营地）、施工临时道路不需要出开挖及回填图纸，在地形条件较为简单的平原地区，其布置及工程量计算借助二维CAD软件计算较为简单。在地形条件较复杂的山区、丘陵地带，施工场地的布置及工程量计算较为繁琐且精确度不高。在山区、丘陵地带，工程所处区域地形往往高差较大，施工场地布置较为困难，因此，尽量保持挖填平衡或减少弃渣量对节省工程投资，优化方案设计有着至关重要的作用。

POWER GEOPAK是由Bentley公司推出的一款专业土木工程设计和分析工具，可以满足不同土木工程领域的设计者使用，软件包含丰富的设计模块，可以真正意义上实现工程设计的自动化，能大大提高工作效率。对于施工总布置设计来说，三维辅助设计软件能够充分发挥计算机的辅助设计功能，最大程度地提高设计人员的工作效率和准确度，对现场施工临时工程的布置更具指导意义。

本文以某大（1）型Ⅰ等工程为例，介绍POWER GEOPAK在施工施工总布置中的应用。基于POWER GEOPAK辅助的开挖填筑设计的主要流程有：（1）对已有测量地形图处理；（2）生成地面三维模型；（3）根据现场实际情况进行场地开挖回填设计；（4）优化设计方案；（5）成果输出。

1 工程概述

某工程为大（1）型Ⅰ等工程，最大坝高260 m。工程由拦河坝、引水发电系统（隧洞、调压井、压力钢管）、引水电站、生态基流电站等组成。大坝、水垫塘及发电引水隧洞进口等主要建筑物级别为1级，发电引水系统、电站厂房级别为2级，生态基流电站发电引水系统及其发电厂房级别为3级，消能防冲建筑物和护岸等次要建筑物级别同为3级，其它临时水工建筑物为4级。

本工程坝址区为典型的V形河谷，阶地不发育，右岸地形坡度约40°，左岸略缓，约35°，场区内大部分山势陡峭、场地狭窄，可供施工布置的场地很少，施工布置条件较差。

工程区域附近主要可供施工布置的场地有：（1）坝址与电站厂房之间少量条形场地；（2）场区内左右岸各有一条较大冲沟可作为工程弃渣场；（3）在电站厂房附近右岸有相对较开阔河滩地；（4）电站厂房下游约2 km处左岸有相对开阔的滩地；（5）进场公路1#隧道与2#隧道之间有相对开阔的场地可供施工布置利用。

根据本工程枢纽布置特点和施工场地条件，坝址、电站厂房和砂石加工厂相对较远，工程施工划分为3个施工区，分别为大坝施工区、电站施工区和砂石加工施工区。大坝施工区主要负责大坝的施工，兼顾生态基流引水系统和生态基流电站。坝址下游1.5 km处的左岸布置有大坝混凝土拌合系统和大坝钢筋加工厂；坝址下游3 km处的左岸布置大坝生活区和中心仓库；坝址下游3 km处的右岸布置有机械保修厂和汽车保修厂。电站施工区主要负责电站引水系统和电站厂房的施工。左岸布置有木材加工厂和电站钢筋加工厂；电站厂房附近左岸布置有电站混凝土拌合系统和钢管加工厂；电站厂房附近右岸布置有混凝土预制厂和电站生活区。砂石加工施工区布置在石料场附近，主要负责整个工程的砂石料加工。砂石加工施工区紧邻进场路，距电站约2.5 km。

本工程共设3个弃渣场。1#弃渣场位于坝址下游3.5 km右岸冲沟内，综合边坡1∶8.0，坡脚设30 m高挡渣坝。1#弃渣场占地面积约20 hm2（300亩），弃渣443.26万m3，平均堆渣高度23.5 m。

2#弃渣场位于电站下游2 km河床左岸相对较宽敞的台地上，综合边坡1∶3.0。2#弃渣场占地面积约17 hm2（255亩），弃渣227.27万m3，平均堆渣高度14.0 m。3#弃渣场位于电站上游600 m大冲沟内较高高程处，综合边坡1∶4.0，坡脚设35 m高挡渣坝。3#弃渣场占地面积约22 hm2（330亩），计划弃渣666.12万m3，平均堆渣高度31 m。

2 POWER GEOPAK三维辅助设计

2.1 测量地形图处理

设计人员可利用现有的二维CAD地形图，从中提取需要的高程信息导入到POWER GEOPAK中，生成含有高程信息的.DAT文件，进而生成.TIN文件，作为该工程的基础对象（原地面对象）。

在将二维CAD地形图导入POWER GEOPAK时注意以下几点：

（1）POWER GEOPAK提取CAD信息时，需设置为与CAD相对应的单位。

（2）在将CAD地形图导入POWER GEOPAK前，要对其进行检查，防止因错误的三维地面模型导致的场地设计错误。

（3）原始地形图是在大量外业测量工作的基础上完成的，由于现场实际情况，有时诸如悬崖、陡坎、溪流位置的地形地貌在图纸上无法准确反映，因此，在生成三维原地面时，需对二维地形图进行复核。

2.2 地面三维模型生成

地面三维建模可利用提取到的CAD高程数据信息进行三维网格建模生成地面的三维模型。三维地面模型见图1。

图1 三维原地面模型

2.3 方案设计

2.3.1 开挖设计

本工程开挖设计主要应用于施工临时设施的场地平整及施工临时道路的设计。

首先新建场地开挖的对象，结合现场实际情况及二维CAD图纸将施工临时设施放置在三维模型的相应位置，根据防洪要求赋予相应的高程，根据地质专业提供的开挖要求进行开挖设计。

2.3.2 回填设计

本工程回填设计主要应用于计算渣场容量，进行渣场布置。

回填设计原理上与开挖设计相同。开挖设计往往是在已知开挖面底高程基础上进行，而渣场容量设计是在已知弃渣场顶高程的基础上复核渣场容量。

2.4 成果输出

利用POWER GEOPAK三维辅助设计软件完成三维建模，可以根据需要输出以下成果：（1）输出三维图纸；（2）输出二维图纸；（3）统计分层工程量。渣场三维设计成果输出截图见图2。

图2 渣场三维设计成果输出

3 结语

在运用POWER GEOPAK进行施工总布置设计的过程中有几点体会：（1）三维场地模型的生成可视化程度更高；（2）场地开挖回填设计过程更加准确高效；（3）对方案比选的理论依据更加充分更有说服力；（4）工程量计算更准确方便；（5）自动处理开挖交集部分避免工程量重复计算。