三維正向設(shè)計(jì)在土石壩沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

李 菁， 馮 立

(中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

在水電工程土石壩監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)與資料分析過程中，沉降監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)及相關(guān)資料分析是監(jiān)測(cè)人員關(guān)注的重點(diǎn)之一，對(duì)掌控土石壩的沉降發(fā)展及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)至關(guān)重要。

目前，土石壩的沉降監(jiān)測(cè)主要分為外部變形監(jiān)測(cè)和內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)[1]，必須在最大壩高或河床處、地形突變處、地質(zhì)條件復(fù)雜處至少選取3個(gè)監(jiān)測(cè)橫斷面；在壩頂上下游兩側(cè)，下游壩坡1/2壩高以上宜布置1～3個(gè)監(jiān)測(cè)縱斷面，在1/2壩高以下宜布置1～2個(gè)監(jiān)測(cè)縱斷面，外部變形監(jiān)測(cè)主要采用外部變形觀測(cè)墩沿監(jiān)測(cè)斷面在壩頂及壩后馬道布置；內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)主要采用水管式沉降儀在每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面分3～5個(gè)高程布置測(cè)線，每條測(cè)線間距20～50 m布置測(cè)點(diǎn)。在土石壩監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)中，沉降測(cè)點(diǎn)的數(shù)量一般為150個(gè)以上，測(cè)點(diǎn)之間的空間關(guān)系復(fù)雜。在二維環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)時(shí)采用大比例圖例表示，存在儀器位置表達(dá)不完全準(zhǔn)確、儀器之間相對(duì)位置不直觀的問題。

在土石壩沉降監(jiān)測(cè)資料分析中，通常需要繪制沉降變形分布圖以輔助設(shè)計(jì)人員了解大壩變形的分布規(guī)律，但傳統(tǒng)二維CAD繪制水管式沉降儀的沉降分布圖只能按橫斷面展示而無法展示同一高程的沉降分布規(guī)律，局限性較大。此外，每次沉降測(cè)值變化時(shí)CAD無法同步數(shù)據(jù)，需要手工修改沉降分布圖，重復(fù)工作性強(qiáng)；當(dāng)需要云圖展示水管式沉降儀沉降分布時(shí)，只能在CAD中先描點(diǎn)、再導(dǎo)入suffer軟件進(jìn)行繪制，導(dǎo)入導(dǎo)出數(shù)據(jù)增大了工作量。

闡述了應(yīng)用土石壩變形監(jiān)測(cè)最重要的兩種儀器進(jìn)行三維正向設(shè)計(jì)的過程。采用三維設(shè)計(jì)軟件及其自帶的知識(shí)工程模塊，不但可以準(zhǔn)確地展示各測(cè)點(diǎn)的空間位置關(guān)系，還可以生成沉降分布圖，且其隨著沉降數(shù)據(jù)的變化而更新，方法簡(jiǎn)單易行，高效、準(zhǔn)確。

2 土石壩沉降監(jiān)測(cè)三維正向設(shè)計(jì)思路

由于沉降監(jiān)測(cè)正向設(shè)計(jì)的特殊性，很多使用場(chǎng)景需要二次開發(fā)，其開發(fā)周期長，目前已完成的、可進(jìn)行全生命周期監(jiān)測(cè)的三維設(shè)計(jì)僅有基于CATIA二次開發(fā)的水電站平面監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)監(jiān)測(cè)模塊[2]。而土石壩沉降監(jiān)測(cè)三維正向設(shè)計(jì)無需二次開發(fā)即可實(shí)現(xiàn)所需的要求，在已有的水工或地質(zhì)專業(yè)模型中進(jìn)行土石壩沉降三維監(jiān)測(cè)正向設(shè)計(jì)[3]，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化的全生命周期監(jiān)測(cè)三維模型。以某礫石土心墻壩1∶1000三維模型為例，介紹了土石壩沉降監(jiān)測(cè)三維正向設(shè)計(jì)的步驟。

2.1 監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

該礫石土心墻壩為在深厚覆蓋層上修建的、高達(dá)240 m的高土石壩，壩頂高程為1 697 m。在壩頂上游設(shè)置有1.2 m高的防浪墻并與心墻可靠連接，防浪墻頂高程為1 698.2 m。

壩體基本剖面：礫石土直心墻壩頂高程為1 697 m，心墻上、下游側(cè)為反濾層，反濾層外側(cè)設(shè)置過渡層，過渡層外側(cè)為堆石體壩殼。根據(jù)壩基地質(zhì)條件，確定心墻最低建基面高程為1 457 m，最大壩高240 m，壩頂長度為497.94 m。

壩體分為土質(zhì)防滲體、反濾層、過渡層及壩殼四大區(qū)。土質(zhì)防滲體采用礫石土直心墻，壩殼采用堆石填筑，心墻與上、下游壩殼堆石之間均設(shè)有反濾層、過渡層，下游堆石體與覆蓋層壩基間設(shè)有水平反濾層。

根據(jù)該工程規(guī)模及相關(guān)規(guī)范，所采用的沉降監(jiān)測(cè)方式主要為表面位移監(jiān)測(cè)和內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)。

大壩表面位移測(cè)點(diǎn)按間距30～80 m設(shè)置，測(cè)點(diǎn)樁號(hào)為(縱)0+000.00、(縱)0+080.00、(縱)0+137.00、(縱)0+193.00、(縱)0+223.29、(縱)0+253.72、(縱)0+290.00、(縱)0+330.00、(縱)0+360.00、(縱)0+394.00、(縱)0+444.00、(縱)0+490.72。水平位移測(cè)點(diǎn)與垂直位移測(cè)點(diǎn)同墩布置。

上游壩坡1 585 m高程在樁號(hào)(縱)0+253.00、(縱)0+330.00、(縱)0+394.00、(縱)0+444.00、(縱)0+490.00處各布置了1個(gè)簡(jiǎn)易水準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)，共布置了5個(gè)臨時(shí)沉降測(cè)點(diǎn)；在 1 615 m、1 645 m、1 695 m高程各布置了1排外部變形觀測(cè)墩；在大壩壩頂上下游側(cè)各布置了1排外部變形觀測(cè)墩；下游壩坡在1 510 m、1 545 m、1 585 m、1 615 m、1 645 m、1 672 m高程處各布置了1排外部變形觀測(cè)墩。共布置了97個(gè)外部變形觀測(cè)墩，5個(gè)簡(jiǎn)易水準(zhǔn)點(diǎn)。

下游堆石區(qū)內(nèi)部沉降監(jiān)測(cè)采用水管式沉降儀。分別在壩(縱)0+137.00、(縱)0+193.00、(縱)0+253.00、(縱)0+330.00、(縱)0+394.00樁號(hào)剖面，下游壩殼1 645 m、1 615 m、1 585 m、1 530 m、1 5130 m高程布置了17個(gè)沉降觀測(cè)條帶，在每個(gè)觀測(cè)條帶下游壩坡出口位置各設(shè)觀測(cè)房一座，并采用外部變形觀測(cè)值進(jìn)行基準(zhǔn)校核。

2.2 監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)骨架的建立

由于設(shè)計(jì)過程存在一定的不確定性，監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)的位置經(jīng)常需要根據(jù)水工模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，從而需要監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)與水工模型具有關(guān)聯(lián)性。

監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)骨架的設(shè)置是參考結(jié)構(gòu)骨架設(shè)計(jì)[4]TOP-DOWN而來，主要為各監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)中心點(diǎn)、中心線、監(jiān)測(cè)測(cè)線的參考幾何因素，監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)的布置需參考骨架，而更改骨架可以迅速調(diào)整監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)的位置，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)更新，節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間。

監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)骨架的建立首先在結(jié)構(gòu)樹根據(jù)測(cè)點(diǎn)類型和部位建立幾何圖形集，該工程需建立2個(gè)幾何圖形集，分別為外部變形觀測(cè)墩定位坐標(biāo)圖形集和水管式沉降儀定位坐標(biāo)圖形集。

根據(jù)監(jiān)測(cè)設(shè)備的幾何特征，其外部變形觀測(cè)墩采用各測(cè)點(diǎn)墩底面中心點(diǎn)坐標(biāo)作為骨架參考點(diǎn)。水管式沉降儀采用安裝高程面、測(cè)線長度及終點(diǎn)坐標(biāo)作為骨架參考點(diǎn)。需要注意的是：由于監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)眾多，在建立監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)骨架時(shí)，需要對(duì)每一個(gè)幾何元素進(jìn)行重命名(如外部變形觀測(cè)墩TP77被命名為TP77-中心點(diǎn))，以便于后續(xù)設(shè)計(jì)工作的開展。

2.3 監(jiān)測(cè)儀器建模

在三維環(huán)境下進(jìn)行監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)模型的布置可以采用陣列、零件模板、工程鏈接等方法。根據(jù)該工程的具體情況，需要大量重復(fù)在水工模型不同部位布置同一類型的監(jiān)測(cè)儀器，故最終采用零件模板方法較為合適。

鑒于監(jiān)測(cè)儀器的建模采用CATIA零件模板(User Definde Feature)，即UDF，將監(jiān)測(cè)儀器幾何特征的創(chuàng)建過程記錄下來以達(dá)到重復(fù)利用的目的。

由于該工程用于土石壩沉降監(jiān)測(cè)的外部變形觀測(cè)墩形狀尺寸固定，因此，新建了一個(gè)part，再新建了一個(gè)平面和中心點(diǎn)，在新建平面上建立了外部變形觀測(cè)墩底面，再根據(jù)該底面偏移平面建立了觀測(cè)墩頂面，最后按比例繪制出一個(gè)多截面實(shí)體。建模時(shí)，選取觀測(cè)墩底面中點(diǎn)為輸出特征即可。

水管式沉降儀在土石壩內(nèi)部按高程布置測(cè)線，每條測(cè)線的長度及測(cè)點(diǎn)數(shù)量不完全相同，測(cè)線與水平面具有一定的角度，建模時(shí)，一般選取下游側(cè)測(cè)線的終點(diǎn)測(cè)點(diǎn)為起點(diǎn)，采用知識(shí)工程陣列的方法批量建立水管式沉降儀測(cè)點(diǎn)，模型輸出特征為測(cè)線端點(diǎn)和水管式沉降儀數(shù)量。

2.4 監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)的布置

監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)的布置是三維正向監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)中的重要一環(huán)。由于該工程的外部變形測(cè)點(diǎn)及水管式沉降儀的自身體積較大，在大比例尺水工模型中也可以清晰展示，最終采用1∶1的比例在三維水工模型中進(jìn)行布置。

完成監(jiān)測(cè)骨架及監(jiān)測(cè)儀器建模后，在土石壩三維模型中進(jìn)行監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)的布置就變得非常便捷，只需在對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)選取所需要的監(jiān)測(cè)UDF模型即可快速導(dǎo)入。為便于在三維環(huán)境中展示，應(yīng)對(duì)所有實(shí)例化UDF模型插入平行于屏幕的編號(hào)替換默認(rèn)白色字體及顏色以便于后期分布圖使用；同時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)樹對(duì)應(yīng)的UDF模型進(jìn)行重命名(如外部變形觀測(cè)墩被命名為TPi)，從而完成監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)的布置。

2.5 沉降分布圖的繪制

沉降分布圖的主要設(shè)計(jì)思路沿用二維環(huán)境的分布圖方法。但利用三維環(huán)境可以更好地展示下游壩坡外部變形沉降分布的情況，同時(shí)可以擬合沉降曲面，提高工作效率。

(1)沉降分布曲線建模。沉降分布曲線是將每個(gè)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)的沉降值連成一條曲線，從而可以直觀地找到同一高程上沉降的最大點(diǎn)，依此分析沉降量和沉降分布規(guī)律。

沉降分布曲線需要選取測(cè)點(diǎn)中心點(diǎn)為端點(diǎn)，垂直Z軸方向做直線(直線長度為沉降測(cè)值)，之后將相同高程的沉降直線端點(diǎn)用折線連接，最后需對(duì)每條沉降直線在結(jié)構(gòu)樹上進(jìn)行編號(hào)以方便后續(xù)工作。

(2)沉降分布曲面建模。傳統(tǒng)的CAD沉降分布圖只能展示沉降分布曲線。而在三維環(huán)境下其可以生成沉降分布曲面，從而更直觀地分析堆石區(qū)內(nèi)部的沉降分布規(guī)律。

對(duì)于同高程、不同斷面的水管式沉降儀沉降測(cè)值，若測(cè)點(diǎn)數(shù)量比較多，可以利用CAITIA自由曲面設(shè)計(jì)模塊先將同一高程已有的幾條沉降曲線擬合成曲面，再利用外形分析功能查詢曲面與測(cè)點(diǎn)高程平面的關(guān)系，即可生成曲面的云圖，展示同高程變形分布。

2.6 沉降分布圖的更新方法

在實(shí)際工作中，需要對(duì)歷次沉降分布測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析。如該工程在一期蓄水后沉降量有所變化，因而需要分析對(duì)比蓄水前后的沉降分布，而傳統(tǒng)的CAD只能手動(dòng)重新繪制沉降分布圖，其工作效率低下且易出錯(cuò)。

為實(shí)現(xiàn)沉降分布圖的自動(dòng)更新功能，可以利用CATIA的參數(shù)化關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)，將沉降曲線和沉降數(shù)據(jù)以參數(shù)化的方式建立并保持關(guān)聯(lián)，當(dāng)沉降數(shù)據(jù)更新時(shí)，沉降分布圖可以同步調(diào)整，進(jìn)而提高了工作效率。

具體的操作方法：進(jìn)入知識(shí)工程模塊，新建一個(gè)單值長度的參數(shù)類型，設(shè)定其長度為第一次沉降測(cè)值，所對(duì)應(yīng)的沉降曲線需要先對(duì)尺寸進(jìn)行約束，再右鍵打開編輯公式選項(xiàng)，選取長度參數(shù)，將尺寸與參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并由當(dāng)前參數(shù)創(chuàng)建設(shè)計(jì)表[5]導(dǎo)出表格，后續(xù)更新設(shè)計(jì)表數(shù)據(jù)后即可利用excel表格驅(qū)動(dòng)沉降分布圖的修改。

2.7 沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)三維模型獲取的數(shù)據(jù)及歷次變形分布規(guī)律可以得出以下結(jié)論：

(1)上游壩坡最大累計(jì)沉降量發(fā)生在樁號(hào)(縱)0+287.23，1 695 m高程的TP77測(cè)點(diǎn)，累計(jì)沉降量為212.1 mm，一期蓄水以來變化量為204.3 mm(下沉)。下游壩坡累計(jì)最大沉降量發(fā)生在樁號(hào)(縱)0+253.83，1 615 m高程的BM43測(cè)點(diǎn)，累計(jì)沉降量為505.45 mm，一期蓄水以來變化量為49.30 mm(下沉)。壩頂最大累計(jì)沉降量發(fā)生在心墻頂部樁號(hào)(縱)0+253.72的BML17測(cè)點(diǎn)，累計(jì)沉降量為197.3 mm，一期蓄水以來的變化量為173.9 mm(下沉)。

各測(cè)點(diǎn)沉降量隨壩體填筑高程的增加逐漸增大，其整體分布呈現(xiàn)出由河床中部向兩岸遞減的趨勢(shì)。各層的沉降速率分布為：填筑初期沉降速率相對(duì)較大，后期漸緩；同一時(shí)段內(nèi)高高程沉降速率較大，低高程沉降速率較緩，符合變形規(guī)律。

(2)上游壩坡測(cè)點(diǎn)向上游變形，累計(jì)變形量位于-47.93～-6.6 mm范圍。下游壩坡大部分測(cè)點(diǎn)向下游變形，累計(jì)變形量位于4.33～167.77 mm范圍。壩頂上游堆石區(qū)大部分測(cè)點(diǎn)向上游變形，累計(jì)變形量位于-45.66～6.6 mm范圍。壩頂心墻測(cè)點(diǎn)向上游變形，累計(jì)變形量位于-63.12～-12.63 mm范圍。壩頂下游堆石區(qū)測(cè)點(diǎn)向上游變形，累計(jì)變形量位于-61.75～1.18 mm范圍。

壩體表面位移隨填筑高程的增加而持續(xù)增加，變形趨勢(shì)符合一般規(guī)律；順河向位移具有河床中部大、兩岸岸坡小的分布特征，左右岸位移分布表現(xiàn)為由兩岸向河床中部靠攏的趨勢(shì)，總體符合壩體表面變形的一般規(guī)律。

(3)大壩心墻內(nèi)部累計(jì)最大沉降值為2 261.5 mm，發(fā)生在(縱)0+256.00斷面心墻1 590.5 m高程處，該處蓄水后至今沉降了130.1 mm；堆石體內(nèi)部累計(jì)最大沉降量為2 716.1 mm，發(fā)生在樁號(hào)(壩)0+138.00、(縱)0+330.00，1 550 m高程的C95測(cè)點(diǎn)處，該處蓄水后至今沉降了28.4 mm。

對(duì)比同類工程大壩心墻填筑期的沉降變形，瀑布溝水電站大壩(含覆蓋層)心墻和堆石的最大沉降量分別占其心墻和堆石填筑高度的比例約為0.8%和1.15%，糯扎渡水電站大壩(無覆蓋層)心墻和堆石的最大沉降量分別占其心墻和堆石填筑高度的比例約為1.21%和0.5%，長河壩水電站心墻及堆石區(qū)的沉降量同期均與瀑布溝水電站相近；與糯扎渡水電站相比，其心墻最大沉降量占心墻填筑高度比偏低，堆石的最大變形占堆石填筑高度比偏高。

3 結(jié) 語

由于所監(jiān)測(cè)的三維實(shí)體模型較小且測(cè)點(diǎn)很多，其在大比例尺的水工模型中無法顯示。目前，三維正向監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)工作的開展對(duì)CATIA軟件二次開發(fā)的依賴性較強(qiáng)，受開發(fā)周期制約導(dǎo)致三維監(jiān)測(cè)正向設(shè)計(jì)起步較晚。

文中闡述的土石壩沉降監(jiān)測(cè)的三維正向設(shè)計(jì)方法對(duì)于部分自身體積較大的監(jiān)測(cè)儀器在水工模型中可以清晰地表達(dá)，即可利用軟件自帶功能進(jìn)行一些有針對(duì)性的監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)，且其設(shè)計(jì)過程簡(jiǎn)便，特別是沉降分布圖的繪制，可以減少大量的重復(fù)工作，提高效率，減少人工失誤，對(duì)其他方面的三維正向監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)，如土石壩超孔隙水壓力三維正向設(shè)計(jì)、邊坡變形三維正向設(shè)計(jì)等具有一定的參考價(jià)值。今后，應(yīng)進(jìn)一步探索三維監(jiān)測(cè)正向設(shè)計(jì)方法，比如利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)精確建模，繼續(xù)挖掘監(jiān)測(cè)三維正向設(shè)計(jì)的價(jià)值。