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】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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】
[0004] 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。
[0005] 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：
[0006] (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；
[0007] (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；
[0008] (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；
[0009] (4)根据步骤⑴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；
[0010] (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；
[0011] (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;
[0012] (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；
[0013] (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丨<、垂直于三维块体侧滑面的压力合 力:ξ以及作用在三维块体上的推力合力g，然后根据g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。
[0014] 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。
[0015] 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：
[0017] 式中：pwR-计算点处的静水压强；Η-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，取〇. 9 ; γ w-水的重度，一般采用对于多泥沙河流应根据 实际情况确定。
[0018] 上述步骤（8)中，f F； €通过以下方式计算得出， 1 、 >
[0019] 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 .，
[0024] 上述步骤（8)中，根据g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。
[0025] 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：
[0027] 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。
[0028] 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，更加有利于提尚工程设计的安全尚效性。
【附图说明】
[0029] 以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
[0030] 图1是本发明的三维模型整体结构示意图。
[0031] 图2是本发明的三维模型示意图。
[0032] 图3是本发明的计算要素三维示意图。
[0033]
【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】
[0034] 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：
[0035] 实施例1 :
[0036] 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：
[0037] (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；
[0038] (2)根据步骤⑴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 ;
[0039] (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。
[0040] 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；
[0041] (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