基于CATIA的抽水蓄能電站庫(kù)盆三維設(shè)計(jì)研究

鄧成進(jìn),張志偉，袁秋霜

(1.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，西安 710065；2.新疆阜康抽水蓄能有限公司，烏魯木齊 830011)

1 研究背景

在滿足電網(wǎng)調(diào)峰所需發(fā)電量、電站調(diào)節(jié)庫(kù)容等指標(biāo)前提下，抽水蓄能電站水庫(kù)庫(kù)盆設(shè)計(jì)盡量做到挖填平衡，滿足經(jīng)濟(jì)技術(shù)合理的要求。因此設(shè)計(jì)往往需要進(jìn)行大量水位比選、裝機(jī)容量比選、水庫(kù)壩址、壩線比選工作[1-3]。各設(shè)計(jì)方案不僅要滿足相應(yīng)庫(kù)容要求，還需計(jì)算相應(yīng)工程量，進(jìn)行投資對(duì)比，工作量非常大，效率不高。隨著三維設(shè)計(jì)的應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員逐漸嘗試采用Auto CAD 、Solid Works、Rhinoceros等軟件進(jìn)行抽水蓄能電站三維庫(kù)盆設(shè)計(jì)[4]，實(shí)現(xiàn)庫(kù)盆三維設(shè)計(jì)的可視化，提高設(shè)計(jì)效率，這就需要建立大量的三維模型。隨著抽水蓄能電站工程的開(kāi)發(fā)提速，項(xiàng)目設(shè)計(jì)周期也隨之大大縮短，迫切需要設(shè)計(jì)人員采用新手段提高設(shè)計(jì)效率。

CATIA軟件是法國(guó)達(dá)索(dassaul)公司開(kāi)發(fā)的一款三維設(shè)計(jì)軟件, 具有強(qiáng)大的三維建模能力，在水電工程參數(shù)化建模、骨架設(shè)計(jì)和多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)等有著廣泛的應(yīng)用[5-7]。本文研究基于CATIA平臺(tái)參數(shù)化建模功能，以某抽水蓄能電站工程為例建立上水庫(kù)庫(kù)盆的三維模型，實(shí)現(xiàn)通過(guò)修改參數(shù)和驅(qū)動(dòng)骨架，快速實(shí)時(shí)更新，從而極大提高設(shè)計(jì)效率[8-10]。

2 地質(zhì)三維實(shí)體模型的建立

2.1 工程區(qū)地形地貌特征

某抽水蓄能電站上水庫(kù)壩址位于山頂一個(gè)凹地內(nèi)，分析認(rèn)為應(yīng)屬早期冰蝕洼地，僅南面發(fā)育一條窄小沖溝與庫(kù)外相連，西南側(cè)為地形稍低緩的埡口，最低高程2 230.00 m左右，庫(kù)盆底部高程2 210.00～2 220.00 m，為一良好的天然庫(kù)盆(見(jiàn)圖1)，首先建立三維地質(zhì)模型。

2.2 將地形數(shù)據(jù)導(dǎo)入CATIA

采用小插件程序提取地形線的高程信息和坐標(biāo)，生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，保存為*.asc格式文件。在“Digitized Shape Editor”逆向曲面設(shè)計(jì)平臺(tái)，打開(kāi)“Cloud Import”工具條，導(dǎo)入地形點(diǎn)云數(shù)據(jù)，生成的CATIA三維點(diǎn)，見(jiàn)圖2。

圖2 CATIA生成三維點(diǎn)圖

2.3 生成三維地形體

在CATIA導(dǎo)入云點(diǎn)數(shù)據(jù)后，采用“mesh creation”生成三維地表Mesh體，見(jiàn)圖3。

圖3 CATIA生成三維地表Mesh體圖

為了方便與三維設(shè)計(jì)面進(jìn)行裁剪等操作，需要將三維Mesh地形轉(zhuǎn)化為地形曲面，啟動(dòng)“Quick Surface Reconstruction”快速曲面平臺(tái)，采用“Automatic Surface”命令對(duì)Mesh地形進(jìn)行曲面化。根據(jù)庫(kù)盆范圍建立長(zhǎng)方體，用曲面化地形對(duì)其進(jìn)行裁剪操作，形成地形體。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘探成果，對(duì)地形體進(jìn)行剖分建立地層分界面，建立地質(zhì)體三維模型，見(jiàn)圖4所示。

圖4 CATIA生成三維地質(zhì)體圖

3 上水庫(kù)庫(kù)盆三維模型的建立

3.1 上水庫(kù)庫(kù)盆設(shè)計(jì)方案

根據(jù)前期階段工作，擬推薦庫(kù)址上水庫(kù)正常蓄水位2 247.00 m，死水位2 220.00 m，水庫(kù)消落深度27 m，調(diào)節(jié)庫(kù)容684萬(wàn)m3。本階段通過(guò)方案比選最終確定正常水位、調(diào)節(jié)庫(kù)容等參數(shù)。上水庫(kù)擬采用全庫(kù)盆混凝土面板防滲的形式，主壩采用混凝土面板堆石壩，壩頂寬10.00 m，上游壩坡1∶1.4，下游壩坡1∶1.4。上水庫(kù)庫(kù)盆頂高程2 252.00 m，庫(kù)底高程2 218.00 m，庫(kù)頂2 252.00 m至庫(kù)底2 218.00 m間按坡比1∶1.4規(guī)則開(kāi)挖，庫(kù)底填筑石碴。

3.2 骨架建立

骨架設(shè)計(jì)決定了三維模型的可修改性和可重復(fù)使用性，因此需盡可能地設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、方便修改，以骨架為中心向周圍層層驅(qū)動(dòng)。根據(jù)庫(kù)盆的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，整個(gè)庫(kù)盆三維形態(tài)是由庫(kù)盆軸線所決定，因此將庫(kù)盆軸線設(shè)計(jì)為CATIA三維模型的骨架。

根據(jù)地形、地質(zhì)條件，上水庫(kù)庫(kù)盆僅需要在凹地南沖溝溝口和西南沖溝埡口筑壩，利用凹地形成水庫(kù)，同時(shí)需要對(duì)其它三面山體進(jìn)行開(kāi)挖修整；在滿足發(fā)電調(diào)節(jié)庫(kù)容及特征水位要求條件下，最終確定庫(kù)盆軸線。

為了方便庫(kù)盆軸線的調(diào)整和修改，在草圖(Sketch)中建立庫(kù)盆軸線，輸出為輪廓作為整個(gè)模型的骨架。草圖的支持面選為壩頂高程2 252.00 m的平面，新建附近任意點(diǎn)作為參考點(diǎn)。根據(jù)壩址區(qū)的地形條件，上庫(kù)盆軸線最終由6段直線圍成，直線間采用圓弧段相接，并在草圖中對(duì)軸線進(jìn)行尺寸約束(見(jiàn)圖5)，即可通過(guò)修改約束尺寸修改軸線布置。

圖5 上水庫(kù)骨架(庫(kù)盆軸線)的建立圖

3.3 庫(kù)盆三維設(shè)計(jì)

在“創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)”平臺(tái)建立庫(kù)盆的三維外形；根據(jù)大壩設(shè)計(jì)剖面建立大壩的草圖，草圖支持面垂直于庫(kù)盆軸線，通過(guò)掃掠曲面命令建立大壩三維上下游面；并依據(jù)庫(kù)盆設(shè)計(jì)方案，通過(guò)掃掠曲面建立庫(kù)盆和庫(kù)岸邊坡，與庫(kù)底平面剪切得到庫(kù)盆三維外形面(見(jiàn)圖6)，并建立水庫(kù)水體三維模型。

分別用庫(kù)盆三維外形面和大壩三維上下游面對(duì)地質(zhì)體進(jìn)行分割開(kāi)挖，形成上水庫(kù)大壩和庫(kù)盆三維形態(tài),見(jiàn)圖7。通過(guò)CATIA 軟件中的“測(cè)量項(xiàng)”工具，可以直接讀取模型水庫(kù)庫(kù)容，以及各項(xiàng)所需開(kāi)挖量(強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化、覆蓋層)、填筑量等主要工程量，將測(cè)量值導(dǎo)入工程量計(jì)算表中便可算得項(xiàng)目工程量，并可結(jié)合土石方平衡，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

圖6 大壩和庫(kù)盆三維外形面圖

圖7 上水庫(kù)大壩和庫(kù)盆三維設(shè)計(jì)圖

4 上水庫(kù)庫(kù)盆設(shè)計(jì)方案比選

4.1 參數(shù)化三維模型

抽水蓄能電站上下水庫(kù)的設(shè)計(jì)方案與水庫(kù)的正常蓄水位、死水位等主要參數(shù)密切相關(guān)，水位條件直接決定水庫(kù)庫(kù)底和庫(kù)頂?shù)母叱蹋约八畮?kù)庫(kù)容。因此選擇正常蓄水位、死水位等參數(shù)對(duì)CATIA三維庫(kù)盆模型進(jìn)行參數(shù)化，大壩及庫(kù)盆的主要高程數(shù)據(jù)、水庫(kù)庫(kù)容均可由模型計(jì)算得出[11-12]。

4.2 三維庫(kù)盆修改和更新

本階段上水庫(kù)方案的比選工作共計(jì)12個(gè)方案，包括裝機(jī)容量、正常蓄水位比選、以及壩址、壩線的比選工作。正常水位比選參數(shù)見(jiàn)表1，建立參數(shù)化三維模型后，修改庫(kù)盆的水位條件，更新驅(qū)動(dòng)后即可獲得各水位條件下的三維模型。通過(guò)修改骨架(庫(kù)盆軸線)驅(qū)動(dòng)修改模型，以滿足不同方案的水庫(kù)庫(kù)容要求，而后更新驅(qū)動(dòng)后獲得開(kāi)挖量、填筑量，以及庫(kù)盆、庫(kù)底面積等參數(shù)，一般驅(qū)動(dòng)更新僅十幾秒即可全部完成。通過(guò)反復(fù)調(diào)整庫(kù)盆軸線幾次，可獲得各水位條件下相對(duì)較優(yōu)的布置方案，計(jì)算主要工程量。各正常水位比選方案的驅(qū)動(dòng)修改后的三維模型見(jiàn)圖8。

圖8 各水位條件下的三維庫(kù)盆開(kāi)挖模型圖

由圖8三維模型可直觀展示：隨著正常水位的抬高，在調(diào)節(jié)庫(kù)容相差不大的條件下，相應(yīng)可利用天然庫(kù)容增大，壩體高度增加，壩體填筑量增大，庫(kù)盆開(kāi)挖量減小，且?guī)斓谆靥盍恳苍龃蟆?/p>

表1 上水庫(kù)水位比選方案表

經(jīng)過(guò)土石方平衡后，各方案主要工程量見(jiàn)表2所示，方案2開(kāi)挖的可利用料可滿足大壩填筑料所需，其他不能利用料作為棄碴堆于壩后，挖填基本平衡；方案1開(kāi)挖的可利用料較多，而填筑量較少，堆碴量較大；方案3開(kāi)挖的可利用量遠(yuǎn)小于壩體的填筑量，需選擇專門(mén)的開(kāi)采石料場(chǎng)來(lái)補(bǔ)充填壩料。因此，從土石方平衡上看，方案2較優(yōu)。本階段其他的方案比選均采用三維模型更新骨架的方法快速完成設(shè)計(jì)工作，取得較好的效果。

表2 各水位條件下土石方平衡表

5 結(jié) 語(yǔ)

(1) 本文基于CATIA平臺(tái)，建立某抽水蓄能電站上水庫(kù)庫(kù)盆的三維模型，實(shí)現(xiàn)由二維向三維設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變。通過(guò)三維設(shè)計(jì)的可視性，直觀展示各設(shè)計(jì)方案優(yōu)缺點(diǎn)，可方便地對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改和調(diào)整[13-14]。

(2) 通過(guò)建立CATIA的參數(shù)化模型，可通過(guò)調(diào)整參數(shù)及骨架修改快速更新三維設(shè)計(jì)模型，計(jì)算水庫(kù)庫(kù)容，實(shí)時(shí)更新庫(kù)盆開(kāi)挖量、填筑量，以及庫(kù)盆、庫(kù)底面積等參數(shù)，導(dǎo)入表格計(jì)算工程量，可極大提高方案比較的設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)周期。