基于GEOPAK的重力式码头土方工程三维设计研究

周 杰 鑫

(1.中船第九设计研究院工程有限公司，上海 200090； 2.上海海洋工程和船厂水工特种工程技术研究中心，上海 200090)

0 引言

水运工程中的土方工程通常包括港池疏浚、基槽开挖、基床回填、陆域回填等等。二维设计时，将工程区域根据地形起伏情况划分为若干个断面，分别计算出每个断面的工程量，乘以各断面代表的宽度，最后进行求和从而得到总工程量。该方法有两大弊端，首先是无法保证足够的精度，尤其是遇到地形起伏较为剧烈的工程，必须通过增加断面数量才能使误差尽可能小；其次是出图工作量繁琐，每个断面图都需要手动绘制出对应的地形线。利用GEOPAK软件，我们只需先针对原始的地形数据作处理，便可以针对各类土方工程建立三维建模分析，利用软件的后处理功能可以非常准确的计算出各种工程量，同时也可在任意位置切出相应剖面，大大提高设计效率和设计成果的准确性。

本文以广西省钦州市某重力式圆筒码头基槽工程设计为案例，介绍GEOPAK在该项目土方工程中的应用技巧和成果。

1 GEOPAK三维设计流程

利用GEOPAK搭建三维模型共分为以下几个步骤。

1.1 将地形资料生成三维数值地形模型DTM(DIGITAL TOPOGRAPHIC MODEL)

GEOPAK可以接受多种数据源生成DTM，这些数据源包括：dwg/dgn的二维和三维元素，ASCII测量文件，MicroStation/GeoGraphics的图征、等高线，立体绘图仪数据，USGS DEM数据等等，涵盖了各类地勘单位可提供的地形资料格式。

1.2 模型阶段划分

GEOPAK的对象组织结构层级如图1所示。

相比于civil3D，GEOPAK对场地设计有着更高的专业性，其面向对象设计的特点更为明显，通常一个工程(project)可划分为多个model(例如开挖model，回填model)，每个model下的不同区域区分在不同的object中，element为GEOPAK的最小单位，通常是不同标高的点、线、面。值得一提的是，由地形资料生成的DTM是划分在单独的object中的。

1.3 建立三维模型

划分好项目的文件组织结构，便可以在MicroStation平台下对各个工程区域进行标高赋值和各类边坡的处理，GEOPAK软件会根据区域标高和原始地形标高根据指定坡度自动放坡，而稍复杂的边坡(例如变坡度、马道等)需利用side slope工具进行更进一步的细化处理。各类标高和边坡定义好之后，三维模型便随之生成。

1.4 模型后处理

软件自带多种后处理工具，常用的模型后处理主要包括土方量的统计和切剖面图。土方量统计可以直接统计出各个object/model的开挖量、回填量等信息。切剖面功能可以根据用户定义切出任意位置的剖面形状，用户可针对每个object/model定义不同的剖切颜色和线形等。

2 工程概况

广西钦州某重力式圆筒码头工程，拟建码头长度395 m，码头顶高程+7.0 m，码头前沿泥面高程-8.0 m。工程区域地质条件复杂，基岩面较高且起伏剧烈，部分位置基岩面裸露，部分区域基岩面上有数米厚覆盖层。

该项目土方工程根据区域主要分为三部分：一是码头前沿停泊水域的开挖；二是码头基槽开挖；三是码头基床的回填。根据开挖土质的性质主要分为两类：一类是中风化岩石的炸礁，中风化岩层炸礁后的设计边坡为1∶1；另一类是覆盖层的开挖，开挖后的设计边坡为1∶3。

码头前沿停泊水域拟开挖至-8.0 m，开挖范围如图2所示，部分区域原始泥面已经低于-8.0 m，无需开挖；部分区域基岩面高于-8.0 m，需要炸礁；部分区域基岩面低于-8.0 m，需开挖覆盖层。

圆筒码头将中风化基岩作为持力层，基槽开挖主要有两类：类型一是对于基岩面高于-8.5 m的区域，码头基槽炸礁至-8.5 m；类型二是对于基岩面低于-8.5 m的区域，码头基槽开挖至中风化基岩面。两种开挖类型码头基床均回填至-8.0 m。码头基槽开挖及基床回填典型断面如图2，图3所示。

3 三维土方工程设计实例

由于本工程覆盖层和基岩的设计开挖坡度不一样，设计需要区分统计中风化岩石炸礁和覆盖层开挖的工程量，故该项目三维土方工程建模时需要建立两个地形文件，一个是原始地面，一个是中风化基岩面。

地勘单位提供了两种地形资料，原始地面提供了扫描地形图，内容是dwg格式的各测量点标高，中风化基岩面则提供了等高线图。两类地形资料均可被GEOPAK DTM工具生成三维数值地面模型。

根据本项目土方工程设计原则，将三维开挖模型共划分为两个model：一个是港池及基槽开挖model；一个是基床回填model，基床回填model是在开挖model完成的基础上建立的(即利用开挖model的输出结果作为新的原始泥面)。

港池区域开挖至-8 m，需将原地形高于-8 m的开挖至-8 m，并且需要让模型在经过基岩层及覆盖层时的开挖边坡区分开来：位于岩面以下区域开挖坡度1∶1，岩面以上区域开挖坡度1∶3。

基槽开挖需根据中风化岩面-8.5 m等高线划分为两部分，中风化岩面低于-8.5 m的部分开挖至中风化岩面，中风化岩面高于-8.5 m的部分开挖至-8.5 m。开挖模型效果如图4所示。

基床回填在开挖模型基础上创建，利用已创建完毕的开挖模型的model，导出成新的原始地形DTM，作为基床回填model的地形，回填模型在新的model里建立，基床顶标高-8.0 m。

在GEOPAK中，土方的工程量可基于model之间或者object之间，也可以基于model与object之间，同时也支持model或object计算至任意标高，给用户带来很大的便利性。本项目利用Volume Calculation工具进行工程量统计，如图5所示。

根据计算结果得知，本工程的覆盖层开挖+炸礁量共计202 261 m3，炸礁量71 776 m3，基床回填量17 315 m3。

在所需剖切剖面的位置画一条直线，便可在指定位置切出相应的剖面图，剖面图可自定义参数，对模型中model，object都可定义是否显示，本项目剖切剖面时，设置剖切出圆筒码头与泥面、中风化岩面以及开挖模型等，后期只需在CAD中加注标注即可出图。

4 结语

1)GEOPAK的DTM工具可对各类原始地形数据进行处理生成三维数值地面模型。同时其可以方便生成各类剖面图及计算各种界面工程量。

2)针对复杂地形工程，GEOPAK可同时导入多层地形模型，模型建立完毕后可统计并计算各分层的工程量，是区别于市面上其他类似软件的一大优势。

3)GEOPAK对放坡折角的处理比civil3D更加人性化，可选择棱角坡或者锥坡，也可直接编辑放坡线。

4)GEOPAK可实时更新model，迅速生成新的地面模型作为下一阶段场地设计的原始地面。

5)相比于civil3D等同类型软件，GEOPAK面向对象设计的特点更为明显，针对场地设计，尤其先挖后填、或者是开挖规则复杂的场地设计，有着更强的适用性和专业性。