CN105354394B - 一种基于三维可视化的拱坝坝肩边坡稳定判断方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于大坝坝肩边坡技术领域，涉及到一种基于三维可视化的拱坝坝肩边坡稳定判断方法，通过对现有方法的改进以及丰富，结合Civil 3D的二次开发技术，使得拱坝坝肩边坡稳定计算过程直观可控，计算结果精准可靠，更接近工程实际，更大限度的避免工程设计的安全风险。并且可以以计算机为平台进行了三维可视化开发，计算过程要素实现了可视化、模板化、自动化。该判断方法方便快捷，结果高效可靠，技术先进。更准确的拱坝坝肩边坡稳定的真实情况，更加有利于提高工程设计的安全高效性。

Description

一种基于三维可视化的拱坝坝肩边坡稳定判断方法
技术领域
本发明属于大坝坝肩边坡技术领域，主要涉及到一种基于三维可视化的拱坝坝肩边坡稳定计方法。
背景技术
拱坝坝肩边坡稳定分析作为拱坝设计中的一项基本工作内容，传统的判断方法是通过分析坝肩山体中由若干结构面相互切割形成的相对独立的楔形块体在外荷载(拱坝拱端推力、水荷载、岩(块)体自重等)作用下的极限平衡状态来进行的，由于传统的判断方法中存在着计算工作量大、计算效率低，同时由于传统二维工作的局限性，使得无法直观准确掌握滑面的具体形态特征以及拱端与潜在滑块之间的相对位置关系，因此，实际计算结果出现低级差错的概率极大，算出的结果往往也不够理想。
鉴于以上原因，随着科技技术的进步以及现代工程对于工程设计效率的要求，开发一种拱坝坝肩稳定三维可视化计算系统，通过简单的人机互动实现拱坝坝肩边坡稳定计算分析，使得计算过程直观可控，计算结果精准可靠是十分必要的。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术方法的不足，提出一种三维可视化的拱坝坝肩边坡稳定判断方法。通过对现有算法的改进以及丰富，结合Civil 3D的二次开发技术，使得拱坝坝肩边坡稳定计算过程直观可控，计算结果精准可靠，更接近工程实际，更大限度的避免工程设计的安全风险。
为此，本发明提供了一种基于三维可视化的拱坝坝肩边坡稳定判断方法，包括如下步骤：
(1)收集基础建模资料和计算资料，其中基础建模资料包括从地质提供的地质资料中提取山体地形线、拱坝基本体型参数、底滑面倾向以及倾角、侧滑面倾向以及倾角；计算资料包括拱坝拱端推力、上下游水位、地震参数系数以及包括正常蓄水位、暴雨情况、温升温降情况的计算工况；
(2)根据步骤(1)收集到的地形线参数资料，利用离散光滑插值方法建立山体地形面，结合Civil 3D软件生成三维模型；
(3)利用步骤(1)收集到的底滑面、侧滑面、拱坝基本体型参数资料，利用离散光滑插值方法建立精准的滑动面空间结构面以及拱坝基本体型，并结合步骤(2)中生成的三维模型，利用建立的结构面分割组合形成三维块体模型；
(4)根据步骤(1)收集到的上游水位以及上游拉裂面形态，计算出上游面静水压力；根据上下游水位以及步骤(3)中形成的三维块体模型的空间形态，确定底滑面渗压零点的位置，从而计算出准确的底面渗压；根据上下游水位以及侧滑面倾向和倾角，比较对应高程三倍拱端与迹线全长的大小，计算出侧滑面渗压；
(5)根据步骤(3)中形成的三维块体模型通过测绘计算得到准确的底滑面面积、侧滑面面积、块体体积、块体重量，根据拱坝与三维块体之间的相对位置关系以及拱坝拱端推力参数资料，得到作用在块体之上的拱端推力以及拱坝坝体自重；
(6)考虑到力的矢量性，将上述步骤(4)和步骤(5)中的各个荷载分解并分别累加计算到X、Y、Z向上，计算出X、Y、Z向的合力RX、RY、RZ；
(7)根据步骤(3)建立的滑动面空间结构面，利用空间向量的数学方法准确计算出底滑面、侧滑面外法矢，同时计算出底滑面、侧滑面交线方向的外法矢；
(8)根据(2)-(7)步中的计算结果，利用空间向量计算的数学方法，考虑到力的矢量性，分别计算出垂直于三维块体底滑面的压力合力垂直于三维块体侧滑面的压力合力以及作用在三维块体上的推力合力然后根据判断三维块体的滑动状态是单面滑动还是双面滑动，并计算出相对应情况下的抗剪强度和抗剪断强度，继而判断块体的稳定性。
上述步骤(3)中的三维块体模型通过以下方式形成：利用步骤(2)中形成的拱坝坝体三维模型，结合空间相切的原理，形成拱坝左右端相切面，该相切面为上游拉开面，根据步骤(1)收集到的底滑面倾向以及倾角、侧滑面倾向以及倾角的参数资料，利用离散光滑插值方法建立侧滑面、底滑面，在形成的三面基础之上，利用空间三面切割组合的方法形成三维块体模型。
上述步骤(4)中的上游面静水压力、底面渗压、侧滑面渗压均通过以下公式计算得到：
pwR＝μγWH
式中:pwR—计算点处的静水压强；H—计算点处的作用水头，按计算水位与计算点之间的高差确定；μ—水头系数，取0.9；γW—水的重度，一般采用对于多泥沙河流应根据实际情况确定。
上述步骤(8)中，通过以下方式计算得出，
设底滑面交线方向的外法矢为侧滑面交线方向的外法矢为侧滑面与底滑面的交线矢量为则有：
得出
上述步骤(8)中，根据判断三维块体的滑动状态是单面滑动还是双面滑动，当为负值时或者小于侧滑面渗压时为单面滑动，否则为双面滑动。
上述步骤(8)中抗剪强度和抗剪断强度计算过程中如果要考虑地震作用时，地震惯性力采用拟静力法计算，左岸滑块地震惯性力指向右岸，右岸滑块地震惯性力指向左岸，计算公式如下：
F＝ahξαG/g
式中：ah-设计地震加速度；ξ-地震作用效应折减系数，取0.25；α-动态分布系数，对岩体一律取1.0。
本发明的有益效果：本发明进行了三维可视化开发，计算过程要素实现了可视化、模板化、自动化。该判断方法方便快捷，结果高效可靠，技术先进。更准确的拱坝坝肩边坡稳定的真实情况，更加有利于提高工程设计的安全高效性。
附图说明
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
图1是本发明的三维模型整体结构示意图。
图2是本发明的三维模型示意图。
图3是本发明的计算要素三维示意图。
附图说明：1-山体；2-拱坝体型；3-块体；4-上游拉开面；5-侧滑面；6-底滑面；7-上游面水压力；8-侧滑面渗压；9-底滑面渗压；10-坝体自重
具体实施方式
本发明涉及大坝坝肩边坡技术领域，主要涉及到一种三维可视化的拱坝坝肩边坡稳定判断方法，下面结合附图对本发明做进一步详细说明：
实施例1：
本实施例提供一种基于三维可视化的拱坝坝肩边坡稳定判断方法，包括如下步骤：
(1)收集基础建模资料和计算资料，其中基础建模资料包括从地质提供的地质资料中提取山体地形线、拱坝基本体型参数、底滑面倾向以及倾角、侧滑面倾向以及倾角；计算资料包括拱坝拱端推力、上下游水位、地震参数系数以及包括正常蓄水位、暴雨情况、温升温降情况的计算工况；
(2)根据步骤(1)收集到的地形线参数资料，利用离散光滑插值方法建立山体地形面，结合Civil 3D软件生成三维模型1；
(3)利用步骤(1)收集到的底滑面、侧滑面、拱坝基本体型参数资料，利用离散光滑插值方法建立精准的滑动面空间结构面以及拱坝基本体型2，如图1所示。
该步骤中的三维块体模型通过以下方式形成：利用步骤(2)中形成的拱坝坝体三维模型，结合空间相切的原理，形成拱坝左右端相切面，该相切面为上游拉开面4，根据步骤(1)收集到的底滑面倾向以及倾角、侧滑面倾向以及倾角的参数资料，利用离散光滑插值方法建立侧滑面、底滑面，在形成的三面基础之上，利用空间三面切割组合的方法形成三维块体模型；
(4)根据步骤(1)收集到的上游水位以及上游拉裂面形态，计算出上游面静水压力；根据上下游水位以及步骤(3)中形成的三维块体模型的空间形态，确定底滑面渗压零点的位置(此处为现有常用方法，不做特别说明)，从而计算出准确的底面渗压；根据上下游水位以及侧滑面倾向和倾角，比较对应高程三倍拱端与迹线全长的大小，计算出侧滑面渗压；
该步骤中的上游面静水压力、底面渗压、侧滑面渗压均通过以下公式计算得到：
pwR＝μγWH
式中:pwR—计算点处的静水压强；H—计算点处的作用水头，按计算水位与计算点之间的高差确定；μ—水头系数，取0.9；γW—水的重度，一般采用对于多泥沙河流应根据实际情况确定。
(5)根据步骤(3)中形成的三维块体模型通过测绘计算得到准确的底滑面面积、侧滑面面积、块体体积、块体重量，根据拱坝与三维块体之间的相对位置关系以及拱坝拱端推力参数资料，得到作用在块体之上的拱端推力以及拱坝坝体自重；
(6)考虑到力的矢量性，将上述步骤(4)和步骤(5)中的各个荷载分解并分别累加计算到X、Y、Z向上，计算出X、Y、Z向的合力RX、RY、RZ；
(7)根据步骤(3)建立的滑动面空间结构面，利用空间向量的数学方法结合计算机技术准确计算出底滑面、侧滑面外法矢，同时计算出底滑面、侧滑面交线方向的外法矢；
(8)根据(2)-(7)步中的计算结果，利用空间向量计算的数学方法，考虑到力的矢量性，分别计算出垂直于三维块体底滑面的压力合力垂直于三维块体侧滑面的压力合力以及作用在三维块体上的推力合力然后根据判断三维块体的滑动状态是单面滑动还是双面滑动，并计算出相对应情况下的抗剪强度和抗剪断强度，继而判断块体的稳定性。
上述步骤(8)中，通过以下方式计算得出，
设底滑面交线方向的外法矢为侧滑面交线方向的外法矢为侧滑面与底滑面的交线矢量为则有：
得出
根据判断三维块体的滑动状态是单面滑动还是双面滑动，当为负值时或者小于侧滑面渗压时为单面滑动，否则为双面滑动。然后按照《混凝土拱坝设计规范》(SL282-2003)和《混凝土拱坝设计规范》(DL-T 5346-2006)规定的计算方法，利用上述计算出的对应力进行块体稳定性计算，具体操作步骤如下：
当判断为双面滑动时：
抗剪强度：
抗剪断强度：
当判断为单面滑动时，计算步骤具体如下：
a、首选根据空间向量的数学方法计算出侧滑面渗压U侧在X、Y、Z三个方向的分量UX、UY、UZ；
b、求得合力与底滑面的夹角：
c、根据Rx、Ry及Rz求得合力：
d、求得法向力Rn和切向力Rt：
Rn＝R×cosθ
Rt＝R×sinθ
则有，抗剪强度：
抗剪断强度：
式中，γd1、γd2、γm1f、γm2f分别为从规范中查的的相关系数,fa、fb、C1、C2分别为已知的岩体力学参数，F为地震惯性力。
当为双面滑动时，求得的K值和KC值满足规范规定或者满足式(2)、式(4)时则判断块体为稳定，当为单面滑动时求得的K值和KC值满足规范规定或者满足式(6)、式(8)时则判断块体为稳定。
本发明所涉及到的空间向量的数学方法算得矢量以及离散光滑插值方法等方法技术，均为已知算法，其计算过程在此不再详述。
实施例2：
本实施例在实施例1的基础上进一步进行改进，考虑到地震作用会对块体的稳定造成影响，所以在有些情况下就必须考虑到地震的作用，不需要考虑地震作用时该步省略。上述步骤(8)中抗剪强度和抗剪断强度计算过程中如果要考虑地震作用时，地震惯性力采用拟静力法计算，左岸滑块地震惯性力指向右岸，右岸滑块地震惯性力指向左岸，计算公式如下：
F＝ahξαG/g
式中：ah-设计地震加速度；ξ-地震作用效应折减系数，取0.25；α-动态分布系数，对岩体一律取1.0。
考虑到地震作用后，抗剪强度和抗剪断强度的计算如下
当判断为双面滑动时：
抗剪强度：
抗剪断强度：
当判断为单面滑动时，计算步骤具体如下：
a、首选根据空间向量的数学方法计算出侧滑面渗压U侧在X、Y、Z三个方向的分量UX、UY、UZ；
b、求得合力与底滑面的夹角：
c、根据Rx、Ry及Rz求得合力：
d、求得法向力Rn和切向力Rt：
Rn＝R×cosθ
Rt＝R×sinθ
则有，抗剪强度：
抗剪断强度：
式中，γd1、γd2、γm1f、γm2f分别为从规范中查的的相关系数,fa、fb、C1、C2分别为已知的岩体力学参数，F为地震惯性力。
当为双面滑动时，求得的K值和KC值满足规范规定或者满足式(2)、式(4)时则判断块体为稳定，单面滑动时求得的K值和KC值满足规范规定或者满足式(6)、式(8)时则判断块体为稳定。
实施例3：
上述两种实施例提供的这种基于三维可视化技术的拱坝坝肩边坡稳定判断方法，可结合计算机进行，可以以计算机为平台进行了三维可视化开发，将计算过程要素实现了可视化、模板化、自动化，其过程如下：
(1)如图1所示，根据收集到地质地形线，利用离散光滑插值方法建立山体三维模型1；通过拱坝坝体的参数资料，结合三维空间信息构造其三维几何模型，并利用Civil 3D计算机软件生成坝体基本体形结构2；
(2)如图2所示，利用步骤(1)中形成的拱坝坝体三维模型，利用空间相切的原理，形成拱坝左右端相切面，该相切面即为上游拉开面4，根据收集到的底滑面倾向以及倾角、侧滑面倾向以及倾角的参数资料，利用离散光滑插值方法建立侧滑面5、底滑面6，在形成的三面基础之上，利用空间三面切割组合的方法形成三维块体模型3；
(3)如图3所示，计算静水以及渗水压力：a、根据上游水位以及上游拉裂面形态，根据静水压力公式计算出上游面水推力并结合Civil 3D软件生成上游面水压力三维可视化模型7；b、根据上下游水位以及侧滑面形态，根据静水压力公式以及相关行业准则计算出垂直于侧滑面静水压力U侧并结合Civil 3D软件生成侧滑面水压力三维可视化模型8；c、根据上下游水位等基本参数，确定底滑面渗压零点的位置,当下游水位高于块体剪出口高程时，按下游水头考虑，确定出准确的底面渗压范围，根据静水压力公式以及相关行业准则计算出垂直于底滑面静水压力U底并结合Civil 3D软件生成底滑面水压力三维可视化模型9；上述涉及到的静水以及渗压压强按下式计算：
pwR＝γWH
式中:pwR—计算点处的静水压强；H—计算点处的作用水头按计算水位与计算点之间的高差确定；γW—水的重度，一般采用对于多泥沙河流应根据实际情况确定。其中，作用水头需乘以作用水头系数，一般取0.9，用户在界面中输入。
(4)根据需要计算出地震惯性力，当需要计算地震作用时选择计算，不需要考虑地震作用时该步省略；地震惯性力采用拟静力法计算，左岸滑块地震惯性力指向右岸，右岸滑块地震惯性力指向左岸，计算公式如下：
F＝ahξαG/g
式中：ah-设计地震加速度；ξ-地震作用效应折减系数，取0.25；α-动态分布系数，对岩体一律取1.0。
(5)根据步骤(2)中形成的三维块体模型计算得到准确的底滑面面积A底、侧滑面面积A侧、块体体积、块体重量，并结合步骤(1)中形成的拱坝坝体三维模型确定作用在块体之上的坝体范围，得到该部分的坝体自重并结合Civil 3D软件生成坝体自重的三维可视化模型10；
(6)上述步骤(3)～步骤(5)中的单个荷载(包括上游面水推力、地震惯性力、块体自重、坝体自重)计算完毕之后，考虑到力的矢量性，将X、Y、Z向荷载分别进行累加计算，计算出X、Y、Z向的合力RX、RY、RZ；
(7)根据步骤(2)中建立的结构面空间位置，利用空间向量的数学计算方法计算底滑面、侧滑面外法矢，同时计算出底滑面、侧滑面交线方向的外法矢；外法矢是指底滑面、侧滑面指向块体外的法向矢量。设底滑面为侧滑面为侧滑面与底滑面的交线矢量为则有：
(8)根据上述计算结果分别计算出各矢量方向的对应合力，把坝肩岩体作用的合力分解为垂直于底滑面、垂直于侧滑面及交线方向的力。这三个力分别为根据下式求得。
(9)根据合力计算结果，判断块体滑动是单面滑动还是双面滑动，当为负值或者小于侧面渗压时，为单面滑动，否则为双面滑动，然后按照《混凝土拱坝设计规范》(SL282-2003)和《混凝土拱坝设计规范》(DL-T 5346-2006)规定的计算方法，利用上述计算出的对应力进行块体稳定性计算，具体操作步骤如下：
当判断为双面滑动时：
抗剪强度：
抗剪断强度：
当判断为单面滑动时，计算步骤具体如下：
a、首选根据空间向量的数学方法计算出侧滑面渗压U侧在X、Y、Z三个方向的分量UX、UY、UZ；
b、求得合力与底滑面的夹角：
c、根据Rx、Ry及Rz求得合力：
d、求得法向力Rn和切向力Rt：
Rn＝R×cosθ
Rt＝R×sinθ
则有，抗剪强度：
抗剪断强度：
式中，γd1、γd2、γm1f、γm2f分别为从规范中查的的相关系数,fa、fb、C1、C2分别为已知的岩体力学参数，F为地震惯性力。
当为双面滑动时，求得的K值和KC值满足规范规定或者满足式(2)、式(4)时则判断块体为稳定，单面滑动时求得的K值和KC值满足规范规定或者满足式(6)、式(8)时则判断块体为稳定。
由于本实施例以计算机为平台进行了三维可视化开发，计算过程要素实现了可视化、模板化、自动化。该判断方法方便快捷，结果高效可靠，技术先进。更准确的拱坝坝肩边坡稳定的真实情况，更加有利于提高工程设计的安全高效性。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于三维可视化的拱坝坝肩边坡稳定判断方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）收集基础建模资料和计算资料，其中基础建模资料包括从地质提供的地质资料中提取山体地形线、拱坝基本体型参数、底滑面倾向以及倾角、侧滑面倾向以及倾角；计算资料包括拱坝拱端推力、上下游水位、地震参数系数以及包括正常蓄水位、暴雨情况、温升温降情况的计算工况；
（2）根据步骤（1）收集到的地形线参数资料，利用离散光滑插值方法建立山体地形面，结合Civil 3D软件生成三维模型；
（3）利用步骤（1）收集到的底滑面、侧滑面、拱坝基本体型参数资料，利用离散光滑插值方法建立精准的滑动面空间结构面以及拱坝基本体型，并结合步骤（2）中生成的三维模型，利用建立的结构面分割组合形成三维块体模型；
（4）根据步骤（1）收集到的上游水位以及上游拉裂面形态，计算出上游面静水压力；根据上下游水位以及步骤（3）中形成的三维块体模型的空间形态，确定底滑面渗压零点的位置，从而计算出准确的底面渗压；根据上下游水位以及侧滑面倾向和倾角，比较对应高程三倍拱端与迹线全长的大小，计算出侧滑面渗压；
（5）根据步骤（3）中形成的三维块体模型通过测绘计算得到准确的底滑面面积、侧滑面面积、块体体积、块体重量，根据拱坝与三维块体之间的相对位置关系以及拱坝拱端推力参数资料，得到作用在块体之上的拱端推力以及拱坝坝体自重；
（6）考虑到力的矢量性，将上述步骤（4）和步骤（5）中的各个荷载分解并分别累加计算到X、Y、Z向上，计算出X、Y、Z向的合力RX、RY、RZ；
（7）根据步骤（3）建立的滑动面空间结构面，利用空间向量的数学方法准确计算出底滑面、侧滑面外法矢，同时计算出底滑面、侧滑面交线方向的外法矢；
（8）根据（2）-（7）步中的计算结果，利用空间向量计算的数学方法，考虑到力的矢量性，分别计算出垂直于三维块体底滑面的压力合力、垂直于三维块体侧滑面的压力合力以及作用在三维块体上的推力合力，然后根据判断三维块体的滑动状态是单面滑动还是双面滑动，并计算出相对应情况下的抗剪强度和抗剪断强度，继而判断块体的稳定性；
所述的步骤（8）中，、、通过以下方式计算得出，
设底滑面交线方向的外法矢为，侧滑面交线方向的外法矢为，侧滑面与底滑面的交线矢量为，则有：＝×，
根据× i + × i +× i ＝ x
× j +× j+× j＝ y
× z + × z +× z ＝ z
得出、、，式中 i 、 j 、 z 分别为底滑面交线方向的外法矢的i、j、z向分量； i 、 j、 z 分别为侧滑面交线方向的外法矢的i、j、z向分量， i 、 j、 z 分别为侧滑面与底滑面的单位交线矢量的i、j、z向分量；
所述的步骤（8）中，根据判断三维块体的滑动状态是单面滑动还是双面滑动，当为负值时或者小于侧滑面渗压时为单面滑动，否则为双面滑动。
2.如权利要求1所述的拱坝坝肩边坡稳定判断方法，其特征在于：所述的步骤（3）中的三维块体模型通过以下方式形成：利用步骤（2）中形成的拱坝坝体三维模型，结合空间相切的原理，形成拱坝左右端相切面，该相切面为上游拉开面，根据步骤（1）收集到的底滑面倾向以及倾角、侧滑面倾向以及倾角的参数资料，利用离散光滑插值方法建立侧滑面、底滑面，在形成的三面基础之上，利用空间三面切割组合的方法形成三维块体模型。
3.如权利要求1所述的拱坝坝肩边坡稳定判断方法，其特征在于：所述的步骤（4）中的上游面静水压力、底面渗压、侧滑面渗压均通过以下公式计算得到：
式中: —计算点处的静水压强；—计算点处的作用水头，按计算水位与计算点之间的高差确定；—水头系数，取0.9；—水的重度，一般采用9.81kN/m3，对于多泥沙河流应根据实际情况确定。
4.如权利要求1所述的拱坝坝肩边坡稳定判断方法，其特征在于：所述的抗剪强度和抗剪断强度计算过程中如果要考虑地震作用时，地震惯性力采用拟静力法计算，左岸滑块地震惯性力指向右岸，右岸滑块地震惯性力指向左岸，计算公式如下：
式中：-设计地震加速度；-地震作用效应折减系数，取0.25；-动态分布系数，对岩体一律取1.0。
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