一種基于三維可視化的拱壩壩肩邊坡穩(wěn)定判斷方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于大壩壩肩邊坡技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及到一種基于三維可視化的拱壩壩肩 邊坡穩(wěn)定計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 拱壩壩肩邊坡穩(wěn)定分析作為拱壩設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)基本工作內(nèi)容，傳統(tǒng)的判斷方法是 通過分析壩肩山體中由若干結(jié)構(gòu)面相互切割形成的相對(duì)獨(dú)立的楔形塊體在外荷載（拱壩 拱端推力、水荷載、巖（塊）體自重等）作用下的極限平衡狀態(tài)來(lái)進(jìn)行的，由于傳統(tǒng)的判斷 方法中存在著計(jì)算工作量大、計(jì)算效率低，同時(shí)由于傳統(tǒng)二維工作的局限性，使得無(wú)法直觀 準(zhǔn)確掌握滑面的具體形態(tài)特征以及拱端與潛在滑塊之間的相對(duì)位置關(guān)系，因此，實(shí)際計(jì)算 結(jié)果出現(xiàn)低級(jí)差錯(cuò)的概率極大，算出的結(jié)果往往也不夠理想。
[0003] 鑒于以上原因，隨著科技技術(shù)的進(jìn)步以及現(xiàn)代工程對(duì)于工程設(shè)計(jì)效率的要求，開 發(fā)一種拱壩壩肩穩(wěn)定三維可視化計(jì)算系統(tǒng)，通過簡(jiǎn)單的人機(jī)互動(dòng)實(shí)現(xiàn)拱壩壩肩邊坡穩(wěn)定計(jì) 算分析，使得計(jì)算過程直觀可控，計(jì)算結(jié)果精準(zhǔn)可靠是十分必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)方法的不足，提出一種三維可視化的拱壩壩肩邊坡 穩(wěn)定判斷方法。通過對(duì)現(xiàn)有算法的改進(jìn)以及豐富，結(jié)合Civil 3D的二次開發(fā)技術(shù)，使得拱 壩壩肩邊坡穩(wěn)定計(jì)算過程直觀可控，計(jì)算結(jié)果精準(zhǔn)可靠，更接近工程實(shí)際，更大限度的避免 工程設(shè)計(jì)的安全風(fēng)險(xiǎn)。
[0005] 為此，本發(fā)明提供了一種基于三維可視化的拱壩壩肩邊坡穩(wěn)定判斷方法，包括如 下步驟：
[0006] (1)收集基礎(chǔ)建模資料和計(jì)算資料，其中基礎(chǔ)建模資料包括從地質(zhì)提供的地質(zhì)資 料中提取山體地形線、拱壩基本體型參數(shù)、底滑面傾向以及傾角、側(cè)滑面傾向以及傾角；計(jì) 算資料包括拱壩拱端推力、上下游水位、地震參數(shù)系數(shù)以及包括正常蓄水位、暴雨情況、溫 升溫降情況的計(jì)算工況；
[0007] (2)根據(jù)步驟（1)收集到的地形線參數(shù)資料，利用離散光滑插值方法建立山體地 形面，結(jié)合Civil 3D軟件生成三維模型；
[0008] (3)利用步驟（1)收集到的底滑面、側(cè)滑面、拱壩基本體型參數(shù)資料，利用離散光 滑插值方法建立精準(zhǔn)的滑動(dòng)面空間結(jié)構(gòu)面以及拱壩基本體型，并結(jié)合步驟（2)中生成的三 維模型，利用建立的結(jié)構(gòu)面分割組合形成三維塊體模型；
[0009] (4)根據(jù)步驟⑴收集到的上游水位以及上游拉裂面形態(tài)，計(jì)算出上游面靜水壓 力；根據(jù)上下游水位以及步驟（3)中形成的三維塊體模型的空間形態(tài)，確定底滑面滲壓零 點(diǎn)的位置，從而計(jì)算出準(zhǔn)確的底面滲壓；根據(jù)上下游水位以及側(cè)滑面傾向和傾角，比較對(duì)應(yīng) 高程三倍拱端與跡線全長(zhǎng)的大小，計(jì)算出側(cè)滑面滲壓；
[0010] (5)根據(jù)步驟（3)中形成的三維塊體模型通過測(cè)繪計(jì)算得到準(zhǔn)確的底滑面面積、 側(cè)滑面面積、塊體體積、塊體重量，根據(jù)拱壩與三維塊體之間的相對(duì)位置關(guān)系以及拱壩拱端 推力參數(shù)資料，得到作用在塊體之上的拱端推力以及拱壩壩體自重；
[0011] (6)考慮到力的矢量性，將上述步驟（4)和步驟（5)中的各個(gè)荷載分解并分別累加 計(jì)算到X、Y、Z向上，計(jì)算出X、Y、Z向的合力Rx、RY、Rz;
[0012] (7)根據(jù)步驟（3)建立的滑動(dòng)面空間結(jié)構(gòu)面，利用空間向量的數(shù)學(xué)方法準(zhǔn)確計(jì)算 出底滑面、側(cè)滑面外法矢，同時(shí)計(jì)算出底滑面、側(cè)滑面交線方向的外法矢；
[0013] (8)根據(jù)（2)-(7)步中的計(jì)算結(jié)果，利用空間向量計(jì)算的數(shù)學(xué)方法，考慮到力的矢 量性，分別計(jì)算出垂直于三維塊體底滑面的壓力合力丨<、垂直于三維塊體側(cè)滑面的壓力合 力:ξ以及作用在三維塊體上的推力合力g，然后根據(jù)g判斷三維塊體的滑動(dòng)狀態(tài)是單面 滑動(dòng)還是雙面滑動(dòng)，并計(jì)算出相對(duì)應(yīng)情況下的抗剪強(qiáng)度和抗剪斷強(qiáng)度，繼而判斷塊體的穩(wěn) 定性。
[0014] 上述步驟（3)中的三維塊體模型通過以下方式形成：利用步驟（2)中形成的拱壩 壩體三維模型，結(jié)合空間相切的原理，形成拱壩左右端相切面，該相切面為上游拉開面，根 據(jù)步驟（1)收集到的底滑面傾向以及傾角、側(cè)滑面傾向以及傾角的參數(shù)資料，利用離散光 滑插值方法建立側(cè)滑面、底滑面，在形成的三面基礎(chǔ)之上，利用空間三面切割組合的方法形 成三維塊體模型。
[0015] 上述步驟（4)中的上游面靜水壓力、底面滲壓、側(cè)滑面滲壓均通過以下公式計(jì)算 得到：
[0017] 式中：pwR-計(jì)算點(diǎn)處的靜水壓強(qiáng)；Η-計(jì)算點(diǎn)處的作用水頭，按計(jì)算水位與計(jì)算點(diǎn) 之間的高差確定；μ -水頭系數(shù)，取〇. 9 ; γ w-水的重度，一般采用對(duì)于多泥沙河流應(yīng)根據(jù) 實(shí)際情況確定。
[0018] 上述步驟（8)中，f F； €通過以下方式計(jì)算得出， 1 、 >
[0019] 設(shè)底滑面交線方向的外法矢為? ,側(cè)滑面交線方向的外法矢為? ,側(cè)滑面與底滑
面的交線矢量為?則有 .，
[0024] 上述步驟（8)中，根據(jù)g判斷三維塊體的滑動(dòng)狀態(tài)是單面滑動(dòng)還是雙面滑動(dòng)，當(dāng) :?為負(fù)值時(shí)或者$小于側(cè)滑面滲壓時(shí)為單面滑動(dòng)，否則為雙面滑動(dòng)。
[0025] 上述步驟（8)中抗剪強(qiáng)度和抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算過程中如果要考慮地震作用時(shí)，地震 慣性力采用擬靜力法計(jì)算，左岸滑塊地震慣性力指向右岸，右岸滑塊地震慣性力指向左岸， 計(jì)算公式如下：
[0027] 式中：ah_設(shè)計(jì)地震加速度；ξ -地震作用效應(yīng)折減系數(shù)，取0. 25 ; α -動(dòng)態(tài)分布系 數(shù)，對(duì)巖體一律取1. 0。
[0028] 本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明進(jìn)行了三維可視化開發(fā)，計(jì)算過程要素實(shí)現(xiàn)了可視化、 模板化、自動(dòng)化。該判斷方法方便快捷，結(jié)果高效可靠，技術(shù)先進(jìn)。更準(zhǔn)確的拱壩壩肩邊坡 穩(wěn)定的真實(shí)情況，更加有利于提尚工程設(shè)計(jì)的安全尚效性。
【附圖說明】
[0029] 以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0030] 圖1是本發(fā)明的三維模型整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031] 圖2是本發(fā)明的三維模型示意圖。
[0032] 圖3是本發(fā)明的計(jì)算要素三維示意圖。
[0033]
【附圖說明】：1-山體；2-拱壩體型；3-塊體；4-上游拉開面；5-側(cè)滑面；6-底滑面； 7-上游面水壓力；8-側(cè)滑面滲壓；9-底滑面滲壓；10-壩體自重
【具體實(shí)施方式】
[0034] 本發(fā)明涉及大壩壩肩邊坡技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及到一種三維可視化的拱壩壩肩邊坡 穩(wěn)定判斷方法，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明：
[0035] 實(shí)施例1 :
[0036] 本實(shí)施例提供一種基于三維可視化的拱壩壩肩邊坡穩(wěn)定判斷方法，包括如下步 驟：
[0037] (1)收集基礎(chǔ)建模資料和計(jì)算資料，其中基礎(chǔ)建模資料包括從地質(zhì)提供的地質(zhì)資 料中提取山體地形線、拱壩基本體型參數(shù)、底滑面傾向以及傾角、側(cè)滑面傾向以及傾角；計(jì) 算資料包括拱壩拱端推力、上下游水位、地震參數(shù)系數(shù)以及包括正常蓄水位、暴雨情況、溫 升溫降情況的計(jì)算工況；
[0038] (2)根據(jù)步驟⑴收集到的地形線參數(shù)資料，利用離散光滑插值方法建立山體地 形面，結(jié)合Civil 3D軟件生成三維模型1 ;
[0039] (3)利用步驟（1)收集到的底滑面、側(cè)滑面、拱壩基本體型參數(shù)資料，利用離散光 滑插值方法建立精準(zhǔn)的滑動(dòng)面空間結(jié)構(gòu)面以及拱壩基本體型2,如圖1所示。
[0040] 該步驟中的三維塊體模型通過以下方式形成：利用步驟（2)中形成的拱壩壩體三 維模型，結(jié)合空間相切的原理，形成拱壩左右端相切面，該相切面為上游拉開面4,根據(jù)步驟 (1)收集到的底滑面傾向以及傾角、側(cè)滑面傾向以及傾角的參數(shù)資料，利用離散光滑插值方 法建立側(cè)滑面、底滑面，在形成的三面基礎(chǔ)之上，利用空間三面切割組合的方法形成三維塊 體模型；
[0041] (4)根據(jù)步驟（1)收集到的上游水位以及上游拉裂面形態(tài)，計(jì)算出上游面靜水壓 力；根據(jù)上下游水位以及步驟（3)中形成的三維塊