基于CATIA的面板坝趾板三维设计研究

王 蒙，张合作，程瑞林

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州贵阳550081)

0 引 言

面板坝是当今坝工建设中最常见的坝型之一，也是发展较快的一种坝型[1]。在设计阶段趾板通常为整个大坝设计过程中的基准之一；在施工期作为防渗灌浆的施工平台，作为面板浇筑施工滑模的起点支撑，又是周边缝止水的基础[1]；在运行期又连接面板与地下防渗帷幕，与二者组成封闭的防渗体。由于趾板断面尺寸及走向布置由水头和地形地质条件决定，走向及尺寸都可能变化，故其空间结构复杂。

面板坝趾板的现有设计方法总结起来主要包括趾板初步定线、趾板布置形式拟定和趾板体形尺寸设计，一般以面板底面与趾板基础的交线——“X”线作为趾板设计的控制线。目前的趾板设计方法存在一些局限性，总结起来主要包括以下4点：①当趾板走向与坝轴线大角度相交或者已经垂直，“X”线会偏离到趾板断面以外，或根本不存在；②趾板在转折处，相邻两段趾板的基础面会出现“错台”的情况，设计过程中的处理方式不统一；③往往初选的趾板轴线布置不能满足要求，需要重新调整布置，这样趾板的开挖、趾板结构等需要重新设计，重复多，效率低；④趾板的开挖或者结构控制点都需要根据空间几何关系以及局部与整体坐标系的计算得到，过程繁琐、易出错。

本文根据趾板传统二维设计的缺点以及目前面板坝趾板的三维设计水平，提出一种基于CATIA的趾板参数化的设计方法，旨在提高面板坝设计效率与质量。

1 基于CATIA软件的趾板三维设计思路

由于平趾板适合机械化施工[1]，在实际工程中应用广泛，本文主要阐述基于CATIA软件的平趾板三维设计思路和方法。

基于CATIA的趾板三维设计思路主要为：创建大坝坐标系→骨架定位→趾板轴线布置→典型断面草图设计→趾板实体生成。

(1)创建大坝坐标系。整个枢纽作为一个产品，大坝即为该产品的一个零件，所以大坝坐标系和枢纽产品坐标系存在一定的约束关系。通常为了方便大坝各个结构的建模，大坝坐标系的XOY面即为零高程面，其中，Z轴为高程方向，X轴或Y轴为坝轴线方向，坐标系原点即为坝轴线与河床中心线的交点。

(2)骨架定位。为方便整个大坝的后续调整以及参数化设计，首先确定坝体总体骨架，即坝轴线的位置方向、坝顶高程面以及作为趾板轴线支持面的面板上(下)表面等。

(3)趾板轴线布置。结合地形地质体模型、趾板建基面要求和趾板宽度来布置趾板轴线。基于选定的趾板轴线类型来确定趾板轴线支持面为面板上表面还是面板下表面并绘制初步轴线，如图1所示。这里，趾板轴线段数以及各段走向应结合地形地质模型。

图1 趾板骨架示意

(4)趾板典型断面设计。趾板断面三维设计与常规趾板断面设计思路相同，本文不再赘述。

(5)生成趾板实体。基于各段趾板的典型断面草图，利用CATIA软件“零件设计”模块中的“多截面实体”命令生成各段趾板实体[6]。

2 关键技术问题

2.1 趾板轴线的选取

在我国面板坝的设计过程中，一般选取“X”线作为趾板设计的轴线[7]。“X”线为面板底面延伸线与趾板建基面的交点所组成的线[1]，该线常作为趾板的开挖或模板架设施工放样线。但当岸坡坡度较陡，甚至趾板走向与坝轴线垂直时，“X”线就会偏离至趾板建基面以外，或者根本不存“X”线。所以采用“X”线作为趾板设计、开挖或模板浇筑施工的轴线具有一定的局限性。

考虑到趾板“Z”线为面板下表面与趾板下游斜面的交线，在各段趾板之间是连续的。笔者认为，采用“Z”线作为设计轴线是可行的。

2.2 趾板布置

2.2.1 趾板布置原则

趾板的布置原则为在保证趾板基础满足渗透稳定要求情况下，尽量减小基础和边坡开挖规模，趾板走向尽量保持平顺[1]。河床段趾板作用水头最大，对趾板建基面地质条件要求高，相应的趾板较宽；随着高程增加，水头减小，趾板宽度可适当减小。

2.2.2 基于CATIA的趾板布置调整方法

基于趾板布置原则，趾板沿轴线的变化主要包括断面尺寸变化和走向变化。故在趾板断面和走向发生变化的地方设置控制点，将趾板轴线分割为若干段，这样就可以通过调整这两类控制点的位置来控制趾板轴线的布置。

本文介绍的方法主要包括5个步骤：步骤1，在进行趾板轴线布置之前首先完成三维地质模型。步骤2，根据趾板布置原则，将趾板轴线各控制点与初步设计的高程面约束。步骤3，根据趾板轴线控制点与地质面相对关系移动各控制点的水平位置，该步骤为“粗调”。步骤4，在“粗调”后的控制点附近创建相应的坝横0+***横剖面支持面并将其与控制点约束。步骤5，通过坝横桩号以及高程来实现趾板轴线控制点的精确调整，该步骤为“精调”。

如图2和图3展示了步骤3～步骤5中所述的控制点调整过程。控制点3以下趾板需置于弱风化下部，图中背景即为弱风化底界面；此外，可通过沿特定高程作平切图的方法来校核趾板建基面是否合适。

图2 趾板轴线控制点“粗调”示意

图3 趾板轴线控制点“精调”示意(单位:cm)

2.3 相邻两段趾板连接处理

受趾板空间布置特点决定，趾板宽度或走向变化处相邻两段趾板会出现不连续的情况，如图4所示，会出现的侵入、缺口或错台的现象，相邻两段趾板合理连接是基于CATIA的趾板设计的关键问题之一。

图4 趾板不连续示意

笔者研究发现，在趾板走向和宽度发生变化处增设“异型趾板”可以解决上述问题。具体实施方式为：步骤1，将距离趾板走向或宽度变化处的1～5 m范围内的标准趾板截断，该距离视趾板宽度或布置形式而定。步骤2，将相邻两段趾板端部截面的对应点连接，形成封闭实体，生成该部位的异型趾板段，如图5所示。

图5 异型趾板示意

2.4 趾板优化调整参数化

为减少重复工作量，提高趾板三维设计效率，笔者针对趾板三维设计实现了参数化。趾板设计参数化包括轴线设计参数化和趾板断面尺寸设计参数化。

(1)趾板轴线参数化。如前文所述，轴线控制点空间位置的控制参数包括高程和坝横桩号两个参数，通过调整这两个参数来更新趾板轴线布置。但是趾板轴线包含多段，两岸相邻两段趾板走向可能相同亦可不同，因而相邻两个控制点位置不完全独立，单纯调整各控制点的高程和坝横桩号参数，可能导致模型出错。经研究，笔者提出创建布尔参数来控制相邻两段趾板走向关系。首先创建布尔参数“BL1”、“BL2”、“BL3”…，布尔参数的个数由趾板轴线段数决定；上述布尔参数分别判断相邻两段趾板的走向关系，若走向相同则BL*为“真”，则高高程的控制点的高程和坝横桩号由低高程控制点根据趾板走向计算得到，用户输入的高程和桩号无效；反之为“假”，则保持用户输入的高程和坝横桩号。

(2)趾板断面尺寸参数化。趾板标准断面尺寸的控制参数可以为趾板宽度IE、趾板厚度IH、长度EF和面板下部堆石体高度ZY或者长度XI、长度XE(见图6)。通过调整断面尺寸的各参数达到调整趾板断面的目的。通过对上述桩号、高程和尺寸进行参数化，再配合布尔参数的控制即可实现趾板三维设计完全参数化。当设计方案变化时，可通过修改各参数来实现趾板模型的时时更新，工作效率骤然提高。此外，由于本文所述的趾板设计参数化中趾板轴线的参数化设计具有通用性，不仅仅局限于特定的工程，仅需根据工程具体情况调整相应参数即可，较大程度提高了模型的可重复利用率，减少了设计工作量，提高了设计效率和设计水平。

图6 趾板标准断面示意

2.5 设计成果快速输出

完成趾板的三维模型后，需对设计产品进行成果输出。

(1)趾板结构图输出。基于已完成的趾板三维模型采用CATIA软件自带的“工程制图”模块可直接进行趾板结构的成果输出(见图7)。

图7 趾板输出结构

(2)趾板相关工程量输出。利用CATIA软件自带的测量函数，创建测量参数，如基础处理参数、含筋率参数和混凝土体积参数，将测量参数、测量函数与测量的部位相关联，即可得到趾板相关工程量，结构调整后工程量能自动更新。

(3)趾板建基面控制点输出。趾板建基面控制点坐标可通过CATIA软件测量功能测出控制点坐标并输出到Excel，根据大坝坐标系原点的大地坐标将模型坐标转化为控制点的大地绝对坐标。

3 应用实例

某工程挡水建筑物为面板坝，大坝坝高201 m，上下游坝坡分别为1∶1.45和1∶1.4，坝顶宽15 m，坝体分区由上游到下游分别为垫层料、过渡料、上游堆石料、坝顶增模区和下游堆石区。

趾板为平趾板，采用不等宽设计，由河床至坝顶趾板宽度分别为10、8 m和6 m，厚度相应为1.0、0.8 m和0.6 m。采用本文介绍的趾板三维设计方法创建的趾板三维模型如图8所示，趾板控制点坐标如表1所示。

图8 趾板结构布置(单位：cm)

4 结 论

本文研究了一种基于CATIA软件的面板坝趾板三维设计方法，解决了基于CATIA软件进行趾板三维设计的关键性问题，提高了面板坝三维设计效率和水平。

表1 趾板建基面控制点坐标 m

注：表中控制点坐标为局部坐标，保密需要未给出大地坐标。

(1)本文分析了采用趾板“X”线进行三维设计在特殊情况下的缺点与改用趾板“Z”线作为趾板设计轴线的可行性，并系统阐述了一套采用“Z”线作为趾板设计轴线进行趾板三维设计的思路和方法。

(2)基于三维地质模型，实现了通过“粗调”和“精调”的方法进行趾板建基面选择布置，实现了完全意义上的趾板三维设计。

(3)通过设置异型趾板段解决了相邻两段趾板之间出现缺口、侵入或错台的现象。

(4)趾板设计的参数化，实现了通过参数来调整趾板布置和断面尺寸的目的，满足各设计阶段对趾板进行快速调整的需求，使得从前期设计阶段到施工详图阶段仅用一套三维模型即可，提高了三维设计模型的重复利用率，避免了后期调整重新建模的情况，提高了工作效率。

(5)利用CATIA软件自带的“工程制图”模块以及测量函数，实现了趾板结构图、工程量和控制点坐标输出；此外，趾板三维模型调整后，二维结构图能同时自动更新，相比传统的二维设计要重新绘图节省了大量的时间，提高了设计效率。