基于Civil 3D平原水库库盆方案的设计方法

顾嵋杰，马 超，王波雷

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

平原水库库盆方案设计过程中，通常需要对库盆开挖型式进行多方案的论证比选分析，从而确定经济合理的最优库盆方案。传统的计算方法有断面法，方格网法、等高线法等[1-3]。无论采用何种计算方法，都需要工程设计人员耗费大量的时间精力投入到库盆开挖方量、坝体回填以及水库库容计算工作中去，中间过程出现细微的更改调整都会导致整个计算推倒重来，工作效率低且计算结果精度差。因此，设计人员在实际工作中不仅要精通工程设计原理，而且还应不断地了解行业新动态，特别是目前比较流行的BIM软件，通过软件运算代替大量重复计算，提高工作效率。

Civil 3D软件是Autodesk公司推出的先进的土木工程设计和制图软件，为工程建设行业提供多元化的工程软件服务和解决方案[4-5]。Civil 3D作为Autodesk公司主要的土木工程设计三维制图软件，为专业设计人员提供协调一致的数字模型，实现了从设计、分析、可视化、文档制作到施工的集成流程[6-7]。通过Civil 3D创建三维数字地形模型，利用曲面、路线、纵断面、要素线、装配、道路等对象模型及相应表单工具，进行数据分析，根据动态的数据链接调整，为工程比选方案提供更为直观和准确的技术支持。而且各个对象之间创建了智能化的关系，使得对象与对象之间能够动态更新，不仅能够提升工作精度，也提高了工作效率。

目前Civil 3D作为一款BIM软件较为广泛地应用到水利行业领域。本文结合笔者在新疆阿克苏地区洼地水库库盆比选设计中对该软件的应用经历，阐述基于Civil 3D库盆方案设计的操作流程步骤及方法，为水库设计提供借鉴。

1 工程概况

洼地水库位于阿克苏地区温宿县台兰河流域中上游，是一座以灌溉、工业供水为主，兼顾向台兰河地下水库补水的综合性水利工程，也是目前新疆最大的引水注入式四面围坝平原水库工程。水库总库容5 582万m3，Ⅲ等中型工程。工程修建于台兰河出山口山前倾斜戈壁滩平原之上，采用四面堆填围坝而成，最大坝高28.72 m。水库采用全库盆铺塑防渗，设计库底最低高程1 491.60 m，死水位1 500.60 m，正常蓄水位1 518.00 m，校核水位1 518.20 m，正常蓄水位对应水面面积260万m2[8]。

库盆型式为水平段(300 m)-斜坡段(350 m)-水平段。起始水平段长度300 m，控制水平开挖底高程1 495.80 m。斜坡段长度350 m，起点开挖底高程1 495.80 m，终点高程1 490.80 m，斜坡段坡比1∶70；末端水平段控制底高程 1 490.80 m，终点接下游坝体内坡脚线，最大长度553 m[8]。

图1 水库平面布置

2 建立曲面模型

2.1 原始地形曲面及清表曲面

软件安装完成之后，为适应中国人绘图习惯及标准，还应安装中国扩展包。选择中国扩展包模板新建图形，将原始地形数据(等高线、高程点)复制到新建图形中。打开工具选项板，选择浏览选项卡下的曲面选型，创建曲面并命名，在定义选项中通过添加等高线、图形对象(高程点)生成三维原始地形曲面。在原始地形曲面创建完成之后，新建清表曲面，选择曲面定义下编辑选项卡，右键选择粘贴原始地形曲面到清表目标曲面中，同时根据清表厚度1.0 m，降低原始地形曲面1.0 m，从而创建完成清表曲面。

2.2 设计库底曲面

通过要素线、放坡组创建曲面。在库盆最上游坝线外侧创建一根要素线，要素线与坝线平行且相距100 m，对要素线进行高程赋值，高程取设计库底高程(1 495.80 m)。选择放坡菜单，在放坡创建工具中设置选择标准集为距离-相对高程，然后选择要素线创建放坡。起始水平段放坡距离400 m，相对高程0.0 m；中间斜坡段放坡距离400 m，相对高程-5.0 m；末端水平段距离1 000 m(大于末端库盆最大距离)，相对高程0 m。放坡创建完成之后自动生成放坡组曲面，在特性中进行设计库底曲面重命名。

2.3 围坝坝体及内坡面曲面

围坝坝体及内坡面曲面通过道路模型生成。根据设计坝体断面形状，创建装配，装配部件中点击常用选项卡，选择连接宽度和斜率、指向曲面的连接斜率两个装配部件。在创建装配过程中对坝体各连接部件代码进行针对性命名，便于通过不同连接创建不同曲面。l为连接部件；y、z为右、左侧；bm为坝面；pm为坡面，如图3。

图3 坝体装配特性连接代码

坝轴线进行纵断面设计，假设一个坝顶高程，在纵断面图中创建一个设计坝顶高程纵断面。然后创建道路，选择已设计坝体装配，纵断面选择设计纵断面，生成道路模型。在道路特性参数选项卡中，设定坝体指向曲面连接部件的目标曲面，其中右坡面(迎水面)部件指向设计库底曲面，左坡面(背水面)部件指向清表曲面。此时可通过道路模型生成坝体曲面，需要注意的是，在道路特性曲面选型卡中进行曲面设置，设置不同的连接可生成不同的目标曲面。通过lypm(右坡面)连接生成设计内坡面曲面，lbm、lpm(坝面、坡面)连接生成围坝坝体曲面，见图4～5。

图4 坝体、内坡面曲面连接代码设置

图5 坝体曲面

2.4 蓄水水平面(sp面)

通过要素线创建蓄水水平面(sp面)。创建要素线并指定高程，高程为假定蓄水水位高程。然后再创建曲面，添加特征线，选择要素线添加即可，最后生成sp面。

3 曲面模型编辑

将已建的各个曲面进行编辑组合，使其组合后的曲面符合设计目标曲面的要求，具体讲解下水库库盆+内边坡组合曲面的创建。

首先，当设计内坡面曲面创建成功之后，内坡面会与设计库底面形成一条交线，即为道路模型的边界线,此时，需要在“常用”选项卡“创建设计”面板下选择“道路创建多段线”，将边界要素线转换成多段线。其次，在设计库底曲面“定义”选项卡中，选择边界，通过添加转换成功的多段线作为设计裁剪库底曲面的边界，从而生成裁剪库盆曲面(设计库盆底曲面)。最后，组合内坡面与裁剪库底曲面，由于设计内坡曲面与库底曲面存在动态关联，不能够直接在内坡曲面中粘贴库底曲面。应新创建库盆+内坡面组合曲面，在组合曲面中依次粘贴设计内坡曲面、裁剪库底曲面，随后创建完成目标曲面。同理，根据以上操作步骤，可创建生成裁剪库底+围坝坝体的目标曲面，见图6～8。

图6 设计裁剪库底曲面

图7 组合目标曲面

需要注意的是在曲面粘贴操作的过程中，要遵循曲面粘贴的原则，即小曲面粘贴到大曲面。而大曲面不是说面积大，而是指组合后的目标曲面最外边界所在的曲面为大曲面，否则软件会出现“无法将放坡曲面粘贴到目标曲面”的情况。

图8 组合目标曲面

4 分 析

库盆设计的最终目标是分析计算库容及相应的土方工程量。在“分析”选项卡下的“体积和材质”面板中选择“体积面板”菜单，调出体积分析工具菜单。创建新体积曲面，设置裁剪库底+内坡面曲面为基准曲面，蓄水水平面曲面(SP)为目标曲面，即可分析得出两曲面之间合围的蓄水库容。若分析得出库容与设计库容不等，则通过编辑sp曲面要素线的高程值，试算不同蓄水水面，并相应调整设计坝轴线高程，重新添加裁剪库底曲面边界，然后软件可自动更新库容值，一般试算3～5次即可确定蓄水位高程，sp曲面要素线高程试算过程见图9。

图9 sp曲面要素线高程

确定蓄水位、设计坝顶高程之后，设置裁剪库底+围坝坝体曲面为基准曲面，清表曲面为目标曲面，则可以计算分析相应的土方开挖、回填工程量，见图10。

图10 体积分析计算结果

由于开挖后库底之上还需回填163万m3砂砾石盖重，所以库容分析中增加此部分砂砾石盖重库容，即最终分析库容5 745万m3。

对于多库盆方案比较时，只需编辑调整相应设计库底要素线对象、放坡对象的参数，通过参数驱动模型，即可快速实现不同方案库容、土方量的计算成果，并且精度较高。若采用传统的计算方法时，通常每个方案需要耗费设计人员1 d的时间，5种方案差不多5 d时间，并且计算精度不能保证。采用Civil 3D设计后，基本上1 h即可完成全部方案的分析，特别是当比较方案越多时，这种高效设计优势愈加明显，工作效率将呈几何倍数的提升。

5 结 语

Civil 3D是一个系统性很强的软件，各个对象之间均存在相互动态关联关系，且下一个对象的创建往往是建立在上一个对象之上的，后续高级应用是需要基础对象和关联模型的支撑才能运行。通过Civil 3D软件在水库库盆设计中的应用，很好地发挥了三维工程软件快速、高效、准确的特点，相较于传统计算方法，工作效率大大提升，达到事半功倍的效果。Civil 3D是一款面向对象的软件，设计方案的修改可通过修改对象参数，以参数驱动模型修改，再加上各对象之间自动动态更新功能，可快速得出各方案计算成果，使得枯燥乏味的重复计算变得简单便捷，解放设计人员生产力。