水閘輔助設計系統開發與多方案模擬選優

吳 芳

（江蘇省太湖水利規劃設計研究院有限公司，江蘇 蘇州 215128）

水閘輔助設計系統開發與多方案模擬選優

吳 芳

（江蘇省太湖水利規劃設計研究院有限公司，江蘇 蘇州 215128）

針對平原河網地區水閘特點，采用Visual Basic語言和面向對象的編程技術，開發具有良好設計界面的水閘計算機輔助設計系統，不僅可大幅提高設計人員設計效率和工程設計質量，而且可以在此基礎上，進行消能防沖設計、閘室穩定計算等多方案模擬選優。

水閘；輔助設計系統；CAD二次開發；模擬選優

水閘是平原河網地區最常見的低水頭水工建筑物，目前，水閘設計大多依靠手工計算，重復勞動量大，國內尚無一套較完整的按《水閘設計規范》（SL265-2001）編制的計算機輔助設計系統。因此，開發一套實用的、人機交互性好、面向廣大中小設計單位的計算軟件系統，是十分有意義的。

1 水閘計算機輔助設計系統開發

1.1 系統總體結構設計

水閘設計一般包括：水閘的總體布置、閘孔設計、水閘水力設計（含防滲及消能防沖設計等）、水閘穩定分析和結構計算等。系統從開發過程可分為主控模塊可視化部分及內部各子模塊計算程序部分，從功能上分可分為10個子模塊，即文件系統、設計概述、總體布置、水力設計、防滲排水設計、水閘穩定分析、結構計算、造價分析、查詢系統及幫助系統，各個子模塊之間相對獨立，能各自完成獨立功能，便于將來不斷完善和擴充。

1.2 系統主控模塊

系統的主控模塊也即系統的主界面，由一個主窗體構建而成，在其中分布了所有系統的功能模塊，它包括主菜單、工具條、工具欄等各種信息，調用系統后將出現如圖1所示的主控界面。

（1）界面的最上部分為主菜單，它分布了該系統的全部功能模塊，用戶根據需要可以調用相應的功能模塊。

（2）在菜單接下來的部分為工具條部分，它以圖標的方式來代替主菜單中的文字，當鼠標在圖標上停留時將顯示相應的功能模塊名稱。

（3）在界面最左邊部分為工具欄，它更能以簡單明了的方式顯示出各功能模塊的位置及相關功能名稱，當鼠標在圖標上停留時將顯示相應的功能模塊名稱。

（4）在界面最中部顯示了該系統的相關信息如名稱，版本信息等。

（5）在界面最底部分為姿態欄，主要用于顯示模塊的相關信息以及設計者的相關信息。

圖1 系統主控模塊（主窗體）

1.3 系統的數據結構和數據庫設計

根據輔助設計系統特點，數據可采用二維表的格式存放，數據庫采用Office2007提供的Access小型數據庫平臺，可為系統實施節約成本。

表1為水閘挖深式消力池消能計算時各計算參數，ID為變量順序，VarName為變量名稱，Var為變量值，VarHelp為變量的相關說明，ComputeType為消力池的各種類型，GraphicsName為各消力池的示例圖形。本系統中提供了大量類似該表結構的數據表，用于存放各種各樣的參數，系統采用Sql語句調用相關數據庫表。

表1 系統數據結構分布表

1.4 模塊開發

本輔助設計系統共分10個模塊，本文以水閘輔助設計之消能防沖模塊為例說明開發過程。

消力池設計主要是計算確定消力池的深度、長度和消力池底板的厚度。本功能模塊提供了挖深式消力池、尾坎式消力池、綜合式消力池的消能計算。圖2為挖深式消力池消能計算程序流程圖。

圖2 挖深式消力池消能計算程序流程圖

主要步驟為：

（1）假設某一池深 d，計算從池底頂面算起的池前總水頭T

式中，Z2-上游水位高程，m；Z3-下游池底高程，m；V0-水的流速，m/s。

（2）池內收縮水深hc

式中，q-為收縮斷面處的單寬流量，q=Q/b，m3/（s·m）； Q-通過消力池的總流量， m3/s； α-動能校正系數系數，一般取1～1.5；φ-消力池的流速系數，一般取0.95。

（3）池內躍后水深 hc′

式中，Δz-出池落差，m；φ-流速系數，一般取0.95；hs′-出池河床水深（下游水深），m。

（5）水躍淹沒系數σ

當1.05≤σ≤1.10時假設正確，否則重新假設池深d進行計算。

式中，σ-水躍淹沒系數，可采用 1.05～1.10；h′-躍后水深，m；hc-收縮水深，m；-水流動能校正系數，可用1.0～1.05；q-過閘單寬流量，m3/（s·m）；b1-消力池首端寬度，m；b2-消力池末端寬度，m。

（4）出池落差 Δz

2 計算機輔助設計系統的工程應用

本文以江蘇某節制閘為例說明消能防沖模塊的應用過程。該閘主要任務是實施后能滿足調節水位、控制流量等基本功能要求，閘下河床土質為重粉質壤土或粉質粘土，總流量 Q=61.04m3/s；消力池首端寬度b1=4m、末端寬度b2=6m；消能防沖設計組合為：上游水位3.6m，下游水位2.0m。

該節制閘工程的消能防沖計算人機對話界面，見圖3～5。經消能計算，消力池池深d=0.117m，池長L=7.8m，故消力池長度取為8m，池深取為0.5m。

3 水閘設計多方案模擬選優

水閘優化設計用計算機輔助設計系統進行多方案模擬選優。

江蘇某單孔凈寬4m節制閘設計中，初選總體布置方案中考慮了2種不同的閘門結構型式（直升式平面鋼閘門、升臥式平面鋼閘門）、2種不同的消能防沖設計（挖深式消力池、尾坎式消力池）以及2種不同的工程防滲結構形式（水平防滲鋪蓋、鋪蓋加垂直防滲體），共8種組合的設計方案。采用計算機輔助設計系統分別對該8個方案進行了模擬計算，主要計算每個方案的工程造價、主要技術參數（抗滑穩定、抗傾穩定與防滲安全、消能防沖效果、結構計算等）、外觀設計等指標，最終通過專家會議評審對該8個方案進行比選，確定了滿足功能和安全要求、經濟最省的方案。

圖3 消能防沖計算人機對話界面（a）

圖4 消能防沖計算人機對話界面（b）

圖5 消能防沖計算人機對話界面（c）

通過本系統軟件模擬優選確定該方案為：底板頂高程-1.0m，閘頂高程6.0m，底板順水流方向長度11m，閘底板厚0.8m，采用升臥式平面鋼閘門，閘門頂高程4.9m，上游側設8m長鋼筋混凝土防滲鋪蓋，下游側設置長8m、池深0.5m的鋼筋混凝土挖深式消力池。

4 結論

本系統軟件以W indows9x/2000/xp作為操作平臺，以Visual Basic 6.0作為主要開發工具，在水利工程CAD二次開發軟件方面進行了積極的探索與嘗試，開發了適用于平原河網地區的水閘計算機輔助設計系統。本系統涉及九個模塊，鑒于開發時間及人力精力有限，著重開發了閘室穩定計算與消能防沖計算輔助設計模塊。本文通過消能防沖模塊的應用實現了水閘消能防沖設計的多方案綜合比選，大幅提升了工程設計效率。

水閘計算機輔助設計系統投入運行之后，將存在糾正性、適應性、完善性及預防性等多方面維護工作量。為了豐富和完善水閘CAD模塊系統，今后將進一步加強對數據庫建立功能、開展集合數據引入程序計算、圖形輸出具備尺寸分析標注功能以及有效維護數據一致性和完整性等方面的研究和探討。

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TP202+.7；TV135.2

A

1672-2469（2017）10-0132-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.10.037

2017-06-06

吳 芳（1977年-），女，高級工程師。