深圳抽水蓄能電站引水工程施工模型的建立及應(yīng)用研究

楊云鴻,李 順

(中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041)

1 概述

深圳抽水蓄能電站位于深圳市鹽田區(qū)和龍崗區(qū)之間，距深圳市中心約20 km，距離香港、大亞灣核電站、嶺澳核電站約25 km，處于廣東的電力負(fù)荷中心。同時(shí)又是西電東送的落點(diǎn)和粵港電網(wǎng)的連接點(diǎn)。電站裝機(jī)容量為4×300 MW。深圳抽水蓄能電站樞紐工程主要由上水庫、下水庫、輸水發(fā)電系統(tǒng)及地下廠房洞室群等輔助工程等組成。其中引水隧洞接4#引水支管漸變段由矩形漸變?yōu)閳A形，國內(nèi)外諸多引水工程中，引水隧道在閘門段與洞身之間或洞身與洞身之間，為了使水流順暢并避免渦流，減少水頭損失和氣蝕損害等原因，設(shè)置前后的橫截面形狀和尺寸不同，從而設(shè)置斷面形狀和尺寸逐漸變化的漸變段。漸變段常用扭曲面過渡，多為矩形與圓形間漸變隧道、城門洞形與圓形間漸變隧道、馬蹄形與圓形間漸變隧道、梯形與圓形間漸變隧道等。

2 漸變段特點(diǎn)

引水隧道漸變段由于設(shè)計(jì)上常用扭曲面漸變過渡，對施工超欠挖要求較高?？刂瞥吠谥饕强刂坪瞄_挖輪廓線的精度，按傳統(tǒng)施工放樣方法，復(fù)雜體形輪廓線開挖增加了施工放樣測量計(jì)算工作量，導(dǎo)致施工測量操作過程一是計(jì)算復(fù)雜、困難，放樣周期長；二是非常易出錯(cuò)，且出錯(cuò)不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，給工程帶來不必要的損失；三是未形成系統(tǒng)化，產(chǎn)生實(shí)際開挖、澆筑體型不理想等問題。本文通過以深圳抽水蓄能電站引水系統(tǒng)下平洞接引水支管漸變段施工開挖放樣為依托，對復(fù)雜構(gòu)筑物利用AutoCAD三維建模、交集、剖切、分解等功能建立模型，確定一系列建模參數(shù)后采用可編程計(jì)算器進(jìn)行數(shù)學(xué)模型，結(jié)合全站儀三維坐標(biāo)測量，在實(shí)際現(xiàn)場施工時(shí)準(zhǔn)確、快速地進(jìn)行扭曲面施工放樣，提高開挖精度，縮短工期，節(jié)省施工成本。

深圳抽水蓄能電站引水系統(tǒng)下平洞接引水支管漸變段獨(dú)立起點(diǎn)樁號為K0+000，獨(dú)立終點(diǎn)樁號為K0+012，整個(gè)漸變段長為12 m，底板縱坡為0%，底板標(biāo)高為0 m，漸變段起點(diǎn)矩形洞結(jié)構(gòu)尺寸寬為7.5 m，高為8.5 m，漸變段終點(diǎn)圓形隧道半徑為3.5 m，隧洞襯砌厚度為1.2 m，具體細(xì)部結(jié)構(gòu)見圖1～2。

圖1 漸變段縱斷面示意(單位：m)

圖2 漸變段剖面示意(單位：m)

3 漸變段建立三維模型

根據(jù)設(shè)計(jì)提供縱斷面圖、剖面圖和結(jié)構(gòu)尺寸圖，采用AutoCAD制圖軟件，對該漸變段隧道襯砌后凈空空間進(jìn)行三維模型建立[1]。

3.1 框架建立

根據(jù)設(shè)計(jì)施工圖尺寸，將1-1剖面橫向中軸線上、下各偏移0.5 m，將7.5 m×8.5 m起點(diǎn)矩形分為7.5 m×3.75 m、7.5 m×1 m、7.5 m×3.75 m 3個(gè)矩形(如圖3)，以上部橫向中軸線O1與縱向軸線交點(diǎn)為圓心，再以上部矩形兩角點(diǎn)為圓上點(diǎn)做外切圓，以上部橫向中軸線O1為剪切線剪去下半圓；以相同方法做出下矩形外接半圓，橫向中軸線O1與橫向中軸線O2間采用直線連接兩半圓(如圖3中1-1剖面模型框架線示意)。

根據(jù)設(shè)計(jì)施工圖尺寸，以3-3剖面中半徑3.5 m圓為基準(zhǔn)，以該圓為內(nèi)切圓作7 m×7 m矩形(如圖3中3-3剖面模型框架線示意)。

將圖3中1-1剖面模型框架線示意中O1、O2兩圓形點(diǎn)與圖3中3-3剖面模型框架線示意圓心O連接，得到兩條圓心路徑線如圖3中縱斷面示意。

圖3 建立模型框架線示意(單位：m)

3.2 模型生成

以圖3中各圖為輔助，利用AutoCAD放樣命令，將圖3中1-1剖面模型框架線示意內(nèi)外接圖形(上下兩半圓與中間連接線)與圖3中3-3剖面模型框架線示意內(nèi)圓放樣為一個(gè)實(shí)體1，再將圖3中1-1剖面模型框架線圖內(nèi)7.5 m×8.5 m矩形與圖3中3-3剖面模型框架線示意內(nèi)圓外切7 m×7 m矩形放樣為一個(gè)實(shí)體2，利用AutoCAD交集命令，取上步實(shí)體1和實(shí)體2交集得實(shí)體3(如圖4所示)。

圖4 三維模型生成步驟示意(單位：m)

通過以上步驟所得實(shí)體3即為該漸變段襯砌后凈空實(shí)體，通過重復(fù)上述步驟建立襯砌外輪廓實(shí)體4，將實(shí)體3與實(shí)體4重合，利用AutoCAD差集命令，從實(shí)體4中減去實(shí)體3得實(shí)體5，即漸變段襯砌實(shí)體模型示意(如圖5所示)。

圖5 三維模型示意

4 漸變段數(shù)學(xué)模型及驗(yàn)證

4.1 數(shù)學(xué)模型建立

利用可編程計(jì)算器編程，編程時(shí)分O1圓心以上上半圓、O1圓心與O2圓心間直墻，O2圓心以下下半圓3部分?，F(xiàn)場施工放樣時(shí)，根據(jù)隧洞主要軸線建立施工坐標(biāo)系，以隧道樁號方向?yàn)閄軸，以隧道橫向方向?yàn)閅軸(左負(fù)右正)，以標(biāo)高為Z軸，測量坐標(biāo)即可直接反映該測點(diǎn)在該隧洞施工坐標(biāo)系內(nèi)的樁號、左右偏距、標(biāo)高等信息，放樣時(shí)直接輸入全站儀測量三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)、程序判斷及計(jì)算超欠挖并顯示計(jì)算結(jié)果。下面是利用fx-5800P計(jì)算器以襯砌內(nèi)輪廓為基準(zhǔn)線的放樣程序[2]。

放樣程序：

Lbl 0：？X：？Y：？H↙(輸入測量值X，Y，H)

(8.5-7.5)(1-(X÷12))→A:(計(jì)算O1與O2圓心間距離)。

0.25(1-(X÷12))+3.5→B:(計(jì)算O1圓心與頂板、O2圓心與底板間距離)。

(5.303-3.5)(1-(X÷12))+3.5→R: (計(jì)算O1圓、O2圓半徑)。

√(R2-B2)→C: (計(jì)算漸變段直線邊一半長度)。

tan-1. (B)→J↙(計(jì)算漸變段直線邊一半占圓心角)。

IfH≤B: Then Goto 1: Else IfH≤B+A：Then Goto 2: If End：Goto 3↙(以O(shè)1、O2圓心路徑線為界限，將測量值按高程分為3個(gè)區(qū)域進(jìn)行計(jì)算，見圖6)

Lbl 1：tan-1. (s(Y)÷(B-H))→G:(計(jì)算測點(diǎn)位于圓心坐標(biāo)系內(nèi)豎夾角)。

IfG≤J:Then 0-H→E: Goto 4:

Else IfG>JAndG≤(90-J): Then √((B-H)2+(Y)2)-R→E: Goto 4:

Else IfG>(90-J) AndG≤90: Then Abs(Y)-B→E:

If End：Goto 4↙(以豎夾角為界限，判斷測點(diǎn)于豎直墻、圓弧、橫底板中哪個(gè)線元內(nèi)，見圖6)。

Lbl 2：Abs(Y)-B→E: Goto 4↙(計(jì)算測點(diǎn)與兩圓心間直墻邊線超欠挖值)。

Lbl 3：tan-1. (s(Y)÷(H-(B+A)))→G:

IfG≤J:ThenH-(2×B+A)→E: Goto 4:

Else IfG>JAndG≤(90-J): Then √((H-(B+A))2+(Y)2)-R→E: Goto 4:

Else IfG>(90-J) AndG≤90: Then Abs(Y)-B→E:

If End：Goto 4↙(以豎夾角為界限，判斷測點(diǎn)于豎直墻、圓弧、橫底頂板中哪個(gè)線元內(nèi)，見圖6)。

Lbl 4: Fix 3:Cls↙(設(shè)置小數(shù)位3位，清屏)。

Locate 1，1，"BK": Locate 4，1，B:(提示該樁號矩形橫邊邊長半寬，即△Y)。

Locate 1，2，"ZD": Locate 4，2，C:(提示該樁號橫頂板(底板)邊長半寬)。

Locate 1，3，"CQ": Locate 4，2，E◢ (顯示該測點(diǎn)超欠挖值，“+”為超，“-”為欠)。

Cls :Goto 0 (清屏，返回Lbl 0)。

說明：以上程序內(nèi)容以襯砌過水面內(nèi)結(jié)構(gòu)線線為基準(zhǔn)編寫，若要進(jìn)行開挖放樣、鋼拱架安裝定位、鋼筋層等放樣，則在此程序基礎(chǔ)上加相應(yīng)結(jié)構(gòu)線與該過水面結(jié)構(gòu)線的徑向厚度即可。

圖6 測點(diǎn)計(jì)算示意

4.2 數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證

綜上所述，該漸變段完成后，取典型局部點(diǎn)位進(jìn)行實(shí)體測量驗(yàn)證[3]，點(diǎn)位示意見圖7，測量數(shù)據(jù)見表1，該程序數(shù)學(xué)模型計(jì)算與設(shè)計(jì)值計(jì)算值一致，該程序精度可靠。

圖7 測點(diǎn)點(diǎn)位示意(單位：m)

表1 實(shí)體檢測坐標(biāo)點(diǎn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)語

引水隧道工程施工中，隧道施工的控制主要在開挖和混凝土體型控制上，對隧道超欠控制要求非常高，控制好隧道超欠挖，后序初期支護(hù)的平整度、混凝土超欠耗、實(shí)體質(zhì)量都能得到有效保證，并且有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。通過CAD三維立體建模技術(shù)在引水隧洞施工測量過程中成功采用，提高了施工精度、縮短了工期，加強(qiáng)了實(shí)體質(zhì)量、節(jié)省了施工成本，經(jīng)濟(jì)效益顯著。通過實(shí)例研究分析，在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、非規(guī)則水工建筑物的工程水工中，特別是在矩形與圓形、城門洞形與圓形、馬蹄形與圓形、梯形與圓形間漸變隧道中，借助此種分析與建模方法，通過三維圖形，數(shù)形結(jié)合能直觀、快捷的反映結(jié)構(gòu)間的空間邏輯關(guān)系，容易掌握，易于推廣，對復(fù)雜體型、斷面、不規(guī)則扭曲面等有著不可比擬的優(yōu)勢，可以為同類工程提供借鑒。