混凝土面板堆石壩趾板的三維設(shè)計方法研究

董甲甲，藺志剛，王美齋，霍鶴飛

（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，河南 鄭州 450003）

趾板在混凝土面板堆石壩中是連接防滲面板和基礎(chǔ)防滲體的重要構(gòu)件［1］，既是面板澆筑的基礎(chǔ)，又是基礎(chǔ)灌漿的工作平臺。趾板對基礎(chǔ)面的要求較高，空間位置受限于壩址處地形地質(zhì)條件，其空間布置的特點和過渡段的處理給傳統(tǒng)設(shè)計方法帶來極大的困難，因此趾板應(yīng)用三維手段進(jìn)行設(shè)計十分必要。

1 趾板體型參數(shù)確定

在我國面板壩工程實踐中，一般以面板下游面與趾板基礎(chǔ)的交線，即“X”線作為趾板體型設(shè)計和基礎(chǔ)開挖的控制線［2］。為便于施工和基礎(chǔ)灌漿，趾板布置應(yīng)首先采用平趾板，即趾板面等高線始終垂直與“X”線。趾板標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖1所示。

圖1 趾板標(biāo)準(zhǔn)斷面

趾板的體型參數(shù)中，趾板的寬度DG按容許水力梯度確定，最小寬度不應(yīng)小于3m；趾板的厚度GH宜與其連接的面板厚度相當(dāng)，最小設(shè)計厚度應(yīng)不小于0.3m；考慮到混凝土面板的滑模澆筑，趾板的上游面IA宜平行與混凝土面板上游面；趾板的下游面AC應(yīng)垂直于面板下游面，以保證趾板均勻的承載混凝土面板傳來的力；趾板下游若與防滲板連接，則趾板的CD段應(yīng)與防滲板的寬度相同，若趾板下游無防滲板，則趾板的CD段通常取0.3m；一般要求趾板的BE段大于90cm，使地基對面板的端部不產(chǎn)生硬性支承，不造成過大的彎曲應(yīng)力。

由規(guī)范［3］可知混凝土面板的厚度隨壩高線性增加，而趾板體型參數(shù)與面板厚度有關(guān)，因此除河床水平段外，趾板在任意位置處的體形參數(shù)均是不同的。設(shè)計中通過調(diào)節(jié)DF的長度來滿足BE段長度的要求。同時趾板的AC段和IA段的長度和方向也隨DF段的變化而變化。

2 趾板三維設(shè)計實現(xiàn)方法

CATIA是一款功能強(qiáng)大的 CAD／CAE／CAM一體化軟件，其設(shè)計技術(shù)和解決方案在世界處于領(lǐng)先地位［4］。軟件的逆向工程、模板和參數(shù)化功能十分強(qiáng)大。

2.1 “X”線的三維定制

利用CATIA軟件的逆向工程模塊對壩址區(qū)的地形地質(zhì)進(jìn)行模擬。使趾板“X”線的定制直接以三維地形地質(zhì)為基礎(chǔ)。三維直觀的“X”線設(shè)計方法，既保證了趾板建基面坐落在堅硬、不沖蝕和可灌漿的基巖上。又使“X”線的布置盡可能平順，不出現(xiàn)陡坎和反坡，如圖2所示。

圖2 “X”線的三維定制

2.2 直線段趾板的三維設(shè)計

“X”線直線段上的趾板體型是線性變化的。在靠近“X”線直線段兩端點的延長線上分別插入趾板典型斷面的CATIA模板，通過調(diào)整模板參數(shù)，滿足典型斷面的位置要求。再通過CATIA的“多截面實體”命令將兩個典型斷面擬合成三維模型，如圖3所示。

圖3 直線段趾板的三維設(shè)計

2.3 趾板間過渡段的三維處理方法

趾板沿“X”線布置，“X”線相鄰直線段趾板的過渡是趾板設(shè)計的難點，需借助三維手段對趾板過渡段進(jìn)行有效準(zhǔn)確的處理。延長趾板模型的直線段，使相鄰直線段的趾板自然相交，剪除外沿，即為過渡段，如圖4所示。

2.4 趾板在壩肩處的三維處理方法

趾板的寬度和水力梯度有關(guān)，換言之和作用水頭有關(guān)，壩肩處作用水頭較小，趾板的設(shè)計也可適當(dāng)放寬，為了方便布置止水，封閉周邊縫，壩肩處的趾板往往與防浪墻相連。由于趾板典型斷面的位置要求，造成壩肩處趾板底面與防浪墻底面不共面，通常在趾板與防浪墻之間添加一個“三角板”使之平順過渡，如圖5所示。

3 應(yīng)用實例

CCS混凝土面板堆石壩工程，壩頂高程1233.5m，最大壩高51m。1210m高程以上趾板寬5m，厚 0.6m；1210m高程以下趾板寬 6m，厚0.6m。用上述三維設(shè)計方法進(jìn)行趾板設(shè)計，對趾板過渡段和壩肩進(jìn)行處理，如圖6所示。

圖4 趾板間過渡段的三維處理方法

圖5 趾板在壩肩處的三維處理方法

圖6 趾板三維設(shè)計的應(yīng)用實例

4 結(jié)論

運用三維設(shè)計方法進(jìn)行趾板

設(shè)計優(yōu)勢明顯。首先趾板設(shè)計滿足功能要求，準(zhǔn)確的解決趾板復(fù)雜空間定位和過渡段布置問題；其次參數(shù)驅(qū)動模型更新，快速響應(yīng)設(shè)計變更，以達(dá)到提高設(shè)計效率的目的；另外三維產(chǎn)品的附加值高，趾板模型的建立為后續(xù)的二維制圖、工程量計算和止水定位等提供便利。綜上所述，運用三維設(shè)計方法進(jìn)行混凝土面板堆石壩趾板設(shè)計是切實可行值得推廣的。

［1］唐新軍，嚴(yán)和平，李曉慶.砼面板壩趾板CAD軟件的研制與應(yīng)用［J］.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2001（04）：38-43.

［2］肖化文，周忠蘭.混凝土面板壩趾板體型設(shè)計［J］.人民長江，2004（01）：10-13.

［3］SL 228-2013.混凝土面板堆石壩設(shè)計規(guī)范［S］.

［4］王登峰，黃博.CATIA V5機(jī)械（汽車）產(chǎn)品CAD／CAE／CAM全精通教材［M］.北京：人民交通出版社，2007.