混凝土壩體結(jié)構(gòu)裂縫三維建模及虛擬現(xiàn)實應(yīng)用

付 翔，劉尚蔚，魏 群，何大川

（1．華北水利水電學(xué)院，河南 鄭州 450045;2．南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局，北京 100038）

自20世紀初開始修建混凝土壩以來，裂縫問題始終存在，甚至無壩不裂，已成為困擾大壩建設(shè)的關(guān)鍵問題之一［1］．為準(zhǔn)確評估危害性裂縫及對裂縫進行后續(xù)處理，確定裂縫在壩體結(jié)構(gòu)中的幾何位置、數(shù)據(jù)特點和對結(jié)構(gòu)影響大小是裂縫展布情況探查的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)．傳統(tǒng)的工程結(jié)構(gòu)裂縫分析、解釋和普查一般局限于二維、靜態(tài)的表達方式，它描述空間裂縫構(gòu)造的直觀性差，不能充分揭示三維特征，難以滿足壩體結(jié)構(gòu)裂縫空間分析的需求．

離散裂縫網(wǎng)絡(luò)模型通過展布于三維空間中的各類裂縫片組成的裂縫網(wǎng)絡(luò)集團來構(gòu)建整體的裂縫模型，實現(xiàn)了對裂縫系統(tǒng)從幾何形態(tài)到其滲流行為的逼真細致的有效描述［2］．劉尚蔚等對多維多源數(shù)據(jù)建立統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫，用于三維建模并進行了虛擬現(xiàn)實模型轉(zhuǎn)化的研究［3］．以上三維裂縫建模和可視化方法的研究，主要是為了滿足地球物理、礦業(yè)工程和油藏工程等地質(zhì)模擬與輔助工程設(shè)計需要而展開的，但涉及水利工程混凝土大壩三維裂縫建模方法研究的文獻較少．

鑒于水利工程大壩裂縫建模和可視化的需要，筆者應(yīng)用NURBS軟件平臺來制作混凝土大壩及裂縫的三維模型［4］，建立具有復(fù)雜混凝土大壩條件和廊道群的水利工程的三維模型拓撲關(guān)系，并應(yīng)用虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）技術(shù)來實現(xiàn)混凝土大壩三維裂縫的虛擬現(xiàn)實可視化系統(tǒng)．

1 壩體混凝土結(jié)構(gòu)裂縫三維可視化建模原理

1．1 壩體混凝土結(jié)構(gòu)裂縫組成及分析

通常，壩體裂縫主要在施工期產(chǎn)生，由施工期溫度荷載造成．運行期裂縫主要是施工期微裂縫擴展、結(jié)構(gòu)設(shè)計不當(dāng)、基礎(chǔ)變形、地震等因素造成［5］．裂縫是依存于壩體內(nèi)部的，相當(dāng)于斷層、夾層、節(jié)理與裂隙在巖體中充當(dāng)結(jié)構(gòu)面構(gòu)造，壩體是被裂縫切割的塊體（切割體或似斷非斷體）．裂縫的結(jié)構(gòu)由裂縫中心位置、縫長、縫寬、縫深與裂縫產(chǎn)狀等參數(shù)確定．壩體裂縫按產(chǎn)狀和規(guī)模大體可以分為水平縫、縱向縫、壩體上游面豎向裂縫、壩頂至廊道的裂縫、貫穿壩體的水平裂縫等．壩頂平面至廊道頂面的裂縫和貫穿壩體的水平裂縫如圖1所示．

圖1 壩體結(jié)構(gòu)裂縫空間示意圖

在分析壩體裂縫構(gòu)造時，結(jié)合裂縫檢查表，首先確定裂縫在壩體中的空間特征（包括裂縫的走向、產(chǎn)狀、幾何形態(tài)、間距、規(guī)模、密度及連通組合形式等），進而形成裂縫模型和壩體結(jié)構(gòu)模型．

1．2 裂縫三維可視化實現(xiàn)

隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展和三維可視化模擬手段的不斷豐富，復(fù)雜壩體結(jié)構(gòu)裂縫的三維可視化方法可歸納為3種：多邊形建模方法、NURBS建模方法和面片建模方法．復(fù)雜工程壩體裂縫是一種特殊且專業(yè)的圖形對象，不僅信息量極大而且不易獲得．考慮到存儲容量和壩體結(jié)構(gòu)裂縫分析速度的要求，針對水利工程裂縫檢查情況，可利用NURBS軟件平臺來實現(xiàn)工程壩體結(jié)構(gòu)及裂縫的三維可視化．

由于裂縫位于壩體內(nèi)部，需要通過鉆孔壓（注）水等手段獲得裂縫的離散信息，進而分析、解釋和推斷裂縫空間結(jié)構(gòu)．這通常是在一系列的二維壩段平面裂縫分布圖上進行的，直接對壩體結(jié)構(gòu)裂縫進行三維建模及交互式編輯比較困難．因此，對壩體裂縫進行三維可視化構(gòu)造，需先處理好裂縫二維環(huán)境中對壩體裂縫三維空間位置的表達、分析、推斷和修改．其實現(xiàn)途徑如下．

1）根據(jù)各相關(guān)單位提供的一系列壩體結(jié)構(gòu)二維剖面圖（包括橫剖面圖、縱剖面圖、平切面圖等）及裂縫檢查表等資料，采用三維圖形投影技術(shù)將裂縫準(zhǔn)確定位并投影到壩體表面，如圖2所示．

圖2 裂縫投影圖

2）結(jié)合壩體結(jié)構(gòu)裂縫特征分析，運用NURBS軟件平臺構(gòu)造裂縫真實的產(chǎn)狀和規(guī)模．

3）綜合裂縫面和壩體結(jié)構(gòu)模型，實現(xiàn)工程壩體結(jié)構(gòu)裂縫的三維可視化．該方法的實現(xiàn)流程如圖3所示．

圖3 實現(xiàn)流程圖

2 壩體結(jié)構(gòu)裂縫NURBS建模

2．1 單個壩體結(jié)構(gòu)裂縫面三維實現(xiàn)

NURBS技術(shù)是ISO頒布的STEP標(biāo)準(zhǔn)中自由型曲線曲面的唯一表示方法．針對水利工程結(jié)構(gòu)形態(tài)的無規(guī)律性變化，選擇NURBS技術(shù)構(gòu)造三維可視化模型簡便易行，節(jié)省存儲空間，并可以保證空間唯一性和幾何不變性，對水利工程結(jié)構(gòu)表示有很高的應(yīng)用價值．

根據(jù)壩體結(jié)構(gòu)的裂縫檢查表和裂縫屬性參數(shù)信息，采用NURBS軟件的曲面建模技術(shù)［6］，生成如圖4所示的壩體裂縫NURBS CV曲面．通過這個裂縫面沿著NURBS曲面兩側(cè)法線方向延展得到裂縫寬度以生成單個壩體結(jié)構(gòu)裂縫模型．

圖4 某裂縫面NURBS擬合

2．2 壩體結(jié)構(gòu)裂縫系統(tǒng)構(gòu)造

從整體上將壩體頂平面、迎水面、貼坡面及其他主要建筑結(jié)構(gòu)對應(yīng)的裂縫屬性信息規(guī)整、統(tǒng)計，作為一個壩體裂縫三維可視化系統(tǒng)來構(gòu)造，更能夠反映實際壩體裂縫的結(jié)構(gòu)形態(tài)．基于NURBS技術(shù)構(gòu)造壩體結(jié)構(gòu)裂縫三維可視化模型的步驟如下．

1）將裂縫檢查表與壩體結(jié)構(gòu)二維剖面數(shù)據(jù)按真實坐標(biāo)系統(tǒng)進行三維轉(zhuǎn)換，形成整體水利樞紐和裂縫模型曲線集合．

2）從該集合中提取相應(yīng)的裂縫結(jié)構(gòu)的點、線數(shù)據(jù)，運用NURBS建模技術(shù)形成整體的水利工程壩體結(jié)構(gòu)裂縫三維模型．

3）將三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表達的幾何模型和拓撲關(guān)系轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)存儲形式，以便于大壩裂縫監(jiān)測系統(tǒng)三維可視化查詢．

4）最后將所有分類構(gòu)造的壩體裂縫模型做進一步調(diào)整和修改．圖5為某壩段結(jié)構(gòu)裂縫模型．

圖5 某壩段結(jié)構(gòu)裂縫模型

3 壩體裂縫虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)

3．1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實是利用計算機圖形學(xué)技術(shù)，在計算機中對客觀世界進行逼真的模擬再現(xiàn)．利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立虛擬環(huán)境，主要工作為精確表示物體的狀態(tài)模型及環(huán)境的可視化和渲染［7］．

此虛擬現(xiàn)實場景的三維交互操作包括對三維壩體、裂縫結(jié)構(gòu)、廊道、排水檢測設(shè)備等信息的交互式查詢．這些三維交互式操作可通過虛擬現(xiàn)實場景與高級編程語言之間建立通信機制來實現(xiàn)．

3．2 基于VRP的壩體裂縫統(tǒng)計仿真系統(tǒng)

整個虛擬仿真系統(tǒng)研究的核心部分之一就是能對整體VR環(huán)境進行控制，實現(xiàn)任意點、任意角度的觀察，以及對裂縫具體信息的展示．為實現(xiàn)這些功能，在仿真系統(tǒng)中，程序開發(fā)采用了偽編譯語言，即Script腳本語言，結(jié)合VC++語言以及結(jié)構(gòu)化查詢語言（SQL）進行混合編程［8］．基于 VRP（Virtual Reality Platform）的壩體裂縫統(tǒng)計仿真系統(tǒng)開發(fā)可分為如下步驟．

1）數(shù)據(jù)庫采用微軟的ACCESS軟件創(chuàng)建，將裂縫的參數(shù)信息以等級歸類，并將各裂縫詳細信息存儲至數(shù)據(jù)庫中．

2）在虛擬現(xiàn)實編輯平臺中，用其自帶的屬性賦值功能對每條裂縫進行ID賦值．

3）VRP場景本身提供對用戶需求處理的簡單交互（包括事件和路由），但并不能完全滿足復(fù)雜交互的要求，需要進行三維立體顯示控制的開發(fā)，針對更底層的數(shù)據(jù)庫、場景實時渲染等功能進行銜接．

4 工程應(yīng)用

某水利樞紐初期工程混凝土壩分為58個壩段，全長1 141 m，最大壩高97 m．大壩加高后其正常蓄水位抬高至170．0 m，校核洪水位為174．4 m，水庫總庫容由208．9億m3增加到339．1億 m3．在大壩施工及運行期間，大壩表面和廊道出現(xiàn)一些裂縫．加高工程施工中，除發(fā)現(xiàn)原有部分裂縫有所發(fā)展外，還發(fā)現(xiàn)了一些新的裂縫．因此對壩體結(jié)構(gòu)裂縫進行三維可視化研究，添加裂縫三維信息，實現(xiàn)大壩加高后壩體原有裂縫的可視化，并能更加有效地進行裂縫穩(wěn)定性分析．

對此工程的混凝土大壩裂縫建立虛擬現(xiàn)實模型，如圖6所示．實現(xiàn)了壩體結(jié)構(gòu)裂縫的三維可視化模擬和查詢，并將壩體危害性裂縫的幾何空間位置、形狀、分類、分布等相關(guān)信息實時顯示出來．

圖6 大壩裂縫系統(tǒng)

該水利樞紐裂縫統(tǒng)計仿真系統(tǒng)具有混凝土大壩各部位裂縫三維模型顯示、漫游功能，以及各部位裂縫按條件要求統(tǒng)計顯示等功能．該系統(tǒng)可直觀反映某水利樞紐的規(guī)模以及裂縫分布的現(xiàn)狀，所提供的交互功能便于實時觀測查看裂縫的位置以及屬性信息（裂縫編號、縫長、縫寬、縫深、檢查時間、嵌縫埋管時間等備注信息），為大壩加高工程的大壩專項安全鑒定提供更準(zhǔn)確、直觀及信息化的判斷依據(jù)．

5 結(jié)語

利用NURBS軟件平臺及虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究壩體結(jié)構(gòu)裂縫，突破了以往對裂縫只趨于二維普查示意圖的表現(xiàn)形式，在虛擬現(xiàn)實上達到實用要求，并在工程可視化實踐中得到了進一步推廣，為水電工程和土木工程的設(shè)計、施工、檢查布置、處理措施以及壩體裂縫數(shù)值分析等提供了模型資料，為裂縫安全監(jiān)測、判斷壩體結(jié)構(gòu)裂縫問題提供了綜合信息．

［1］周秋景，張國新，楊波．高壩混凝土裂縫問題研究綜述［J］．南水北調(diào)與水利科技，2012，10（1）：1 －2．

［2］王建華．DFN模型裂縫建模新技術(shù)［J］．?dāng)鄩K油氣田，2008，15（6）：2．

［3］劉尚蔚，魏魯雙．?dāng)?shù)字地質(zhì)多源數(shù)據(jù)庫及三維建模方法研究［J］．人民黃河，2012，34（2）：1 －3．

［4］魏群，謝曉堯，張國新，等．結(jié)構(gòu)工程可視化仿真方法及其應(yīng)用［M］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009．

［5］戴會超，王建．國內(nèi)外水利水電工程混凝土裂縫及其防治技術(shù)研究［M］．鄭州：黃河水利出版社，2005．

［6］施法中．計算機輔助幾何設(shè)計與非均勻有理B樣條［M］．北京：高等教育出版社，2001．

［7］曾芬芳．虛擬現(xiàn)實技術(shù)［M］．上海：上海交通大學(xué)出版社，1997．

［8］魏群．?dāng)?shù)字城市可視化仿真三維實體建模及虛擬現(xiàn)實軟件系統(tǒng)的自主研發(fā)［C］//第二屆中國國際數(shù)字城市建設(shè)技術(shù)研討會論文集．北京：知識產(chǎn)權(quán)出版社，2006．