POWER GEOPAK在导流建筑物设计中的应用

张萌曾 俊张晴

复杂地形条件的导流隧洞进、出口开挖设计需要设计人员有较高的空间想象能力，且绘图过程繁琐易出错。随着三维技术的迅猛发展，三维辅助设计工具可以帮助设计人员将传统的二维图形转换为直观的三维模型。POWER GEOPAK是一款集成的土木工程三维设计软件，可以进行导流隧洞进出口开挖及围堰填筑设计，得到导流隧洞及围堰的场地模型，设计效率高，能够更好地辅助设计。在这款软件中可以通过调整开挖对象的先后顺序来模拟实际的施工过程，比常规的二维设计更直观，对实际的施工过程具有更强的指导价值。POWER GEOPAK可以输出三维图纸、二维图纸、统计开挖、填筑工程量及坡面面积。本文以某混凝土重力坝工程为例，介绍POWER GEOPAK在导流建筑物设计中的应用。基于POWER GEOPAK辅助的开挖填筑设计的主要流程有：（1）根据已有的等高线或高程点信息建立三维地面模型；（2）提取待开挖（填筑）建筑物的特征轮廓线；（3）确定开挖（填筑）坡比、开挖（填筑）方案等；（4）进行开挖（填筑）设计并优化开挖（填筑）方案；（5）成果输出，输出三维、二维图纸，进行工程量计算。

1 工程概述

某工程为Ⅲ等中型工程，主要由枢纽工程和输水线路工程组成。挡水建筑物为混凝土重力坝，主要建筑物级别为3级。坝顶高程517.00 m，最大坝高52.00 m，库容4 672万m3，正常蓄水位514.00 m。河谷为U形峡谷，河床宽40～50 m，两岸坡度一般大于60°，岸坡高40～80 m。岸顶为溶蚀宽谷地貌，近岸地带地形较平缓，坡度5°～20°，地面高程490～550 m，相对高差20～40 m。无天然滩地、台地可以利用，河床两岸岩石裸露、山体陡峻。

根据坝址地形、地质条件，拦河坝施工导流采用围堰一次拦断河床，枯水期上、下游围堰挡水，隧洞导流。导流建筑物级别为5级，挡水建筑物为土石结构，导流标准选定枯水期10年一遇洪水，相应的洪峰流量为163 m3/s。

导流隧洞进口底高程为471.00 m，纵坡为0.394%，长度431.32 m，出口底高程为469.30 m。导流隧洞采用直墙圆拱型断面，衬砌后洞底宽5.7 m，高6.6 m，直墙高4.95 m，中心角120°，拱半径3.29 m。上游堰顶高程480.00 m，顶宽10 m，上游边坡1∶4；下游边坡1∶2。下游堰顶高程472.30 m，顶宽8 m，上游边坡1∶4；下游边坡1∶2。

2 POWER GEOPAK三维辅助设计

2.1 地面三维建模

POWER GEOPAK提供了多种生成三维地面模型的方式，如匹配等高线、高程点、带有三维点坐标的文本文档等方式。在将二维CAD图形导入POWER GEOPAK时需要注意：将CAD文件的单位装换为“无单位”或者“米”，POWER GEOPAK提取CAD信息时，需设置为与CAD相对应的单位，保证CAD文件与POWER GEOPAK默认文件格式的准确转换。二维CAD地形及三维地面模型见图1。

2.2 开挖及填筑设计

新建开挖对象，将原地面.TIN文件作为原地面（基础对象），提取待开挖建筑物特征轮廓，将特征轮廓线作为基础元素赋以相应高程，按地质专业所提建议开挖边坡及高度进行三维开挖设计，得出开挖三维模型。

2.3 成果输出

利用POWER GEOPAK三维辅助设计软件完成三维建模，由于建模的过程即为设计过程，设计人员在三维建模的同时已经存储了对象的全部三维信息，所以可以根据需要输出以下成果：（1）输出三维图纸；（2）剖切二维断面及剖面图；（3）根据需要进行尺寸标注及高程标注；（4）输出相应的开挖（填筑）工程量；（5）输出开挖面面积用以计算喷锚支护的工程量。成果输出截图见图2、3。

图2 三维及二维图纸输出

图3 工程量计算截图

3 结语

使用POWER GEOPAK对建筑物进行开挖（填筑）辅助设计具有以下优点：

（1）初拟某建筑物开挖（填筑）方案后，通过一键式整体升高或降低平台高程能快速找到最优方案，可以大幅提高工作效率。

（2）传统方法计算工程量需要手切多个剖面，根据剖面计算工程量。其过程耗时长且精度较低，三维设计可以一键查询开挖工程量，可以查询每个开挖面的面积（包括投影面积和实际面积），能更加精确、高效地计算锚喷支护工程量。

（3）三维模型要素线压平再参考原始地形图进行适当处理直接生成平面布置图，剖切不同位置剖面图，添加地质图、标注和说明等生成剖面图。

（4）POWER GEOPAK具有实时修改功能，设计过程中通过调整某个元素的相关信息，相应的模型也会随时更新，使得设计过程变得更加直观。