基于CATIA的抽水蓄能電站庫盆三維設(shè)計研究

鄧成進,張志偉，袁秋霜

(1.中國電建集團西北勘測設(shè)計院有限公司，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)庫容等指標(biāo)前提下，抽水蓄能電站水庫庫盆設(shè)計盡量做到挖填平衡，滿足經(jīng)濟技術(shù)合理的要求。因此設(shè)計往往需要進行大量水位比選、裝機容量比選、水庫壩址、壩線比選工作[1-3]。各設(shè)計方案不僅要滿足相應(yīng)庫容要求，還需計算相應(yīng)工程量，進行投資對比，工作量非常大，效率不高。隨著三維設(shè)計的應(yīng)用，設(shè)計人員逐漸嘗試采用Auto CAD 、Solid Works、Rhinoceros等軟件進行抽水蓄能電站三維庫盆設(shè)計[4]，實現(xiàn)庫盆三維設(shè)計的可視化，提高設(shè)計效率，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發(fā)提速，項目設(shè)計周期也隨之大大縮短，迫切需要設(shè)計人員采用新手段提高設(shè)計效率。

CATIA軟件是法國達索(dassaul)公司開發(fā)的一款三維設(shè)計軟件, 具有強大的三維建模能力，在水電工程參數(shù)化建模、骨架設(shè)計和多專業(yè)協(xié)同設(shè)計等有著廣泛的應(yīng)用[5-7]。本文研究基于CATIA平臺參數(shù)化建模功能，以某抽水蓄能電站工程為例建立上水庫庫盆的三維模型，實現(xiàn)通過修改參數(shù)和驅(qū)動骨架，快速實時更新，從而極大提高設(shè)計效率[8-10]。

2 地質(zhì)三維實體模型的建立

2.1 工程區(qū)地形地貌特征

某抽水蓄能電站上水庫壩址位于山頂一個凹地內(nèi)，分析認為應(yīng)屬早期冰蝕洼地，僅南面發(fā)育一條窄小沖溝與庫外相連，西南側(cè)為地形稍低緩的埡口，最低高程2 230.00 m左右，庫盆底部高程2 210.00～2 220.00 m，為一良好的天然庫盆(見圖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)，生成點云數(shù)據(jù)，保存為*.asc格式文件。在“Digitized Shape Editor”逆向曲面設(shè)計平臺，打開“Cloud Import”工具條，導(dǎo)入地形點云數(shù)據(jù)，生成的CATIA三維點，見圖2。

圖2 CATIA生成三維點圖

2.3 生成三維地形體

在CATIA導(dǎo)入云點數(shù)據(jù)后，采用“mesh creation”生成三維地表Mesh體，見圖3。

圖3 CATIA生成三維地表Mesh體圖

為了方便與三維設(shè)計面進行裁剪等操作，需要將三維Mesh地形轉(zhuǎn)化為地形曲面，啟動“Quick Surface Reconstruction”快速曲面平臺，采用“Automatic Surface”命令對Mesh地形進行曲面化。根據(jù)庫盆范圍建立長方體，用曲面化地形對其進行裁剪操作，形成地形體。依據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘探成果，對地形體進行剖分建立地層分界面，建立地質(zhì)體三維模型，見圖4所示。

圖4 CATIA生成三維地質(zhì)體圖

3 上水庫庫盆三維模型的建立

3.1 上水庫庫盆設(shè)計方案

根據(jù)前期階段工作，擬推薦庫址上水庫正常蓄水位2 247.00 m，死水位2 220.00 m，水庫消落深度27 m，調(diào)節(jié)庫容684萬m3。本階段通過方案比選最終確定正常水位、調(diào)節(jié)庫容等參數(shù)。上水庫擬采用全庫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。上水庫庫盆頂高程2 252.00 m，庫底高程2 218.00 m，庫頂2 252.00 m至庫底2 218.00 m間按坡比1∶1.4規(guī)則開挖，庫底填筑石碴。

3.2 骨架建立

骨架設(shè)計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)計簡單、方便修改，以骨架為中心向周圍層層驅(qū)動。根據(jù)庫盆的設(shè)計特點，整個庫盆三維形態(tài)是由庫盆軸線所決定，因此將庫盆軸線設(shè)計為CATIA三維模型的骨架。

根據(jù)地形、地質(zhì)條件，上水庫庫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，同時需要對其它三面山體進行開挖修整；在滿足發(fā)電調(diào)節(jié)庫容及特征水位要求條件下，最終確定庫盆軸線。

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

圖5 上水庫骨架(庫盆軸線)的建立圖

3.3 庫盆三維設(shè)計

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

分別用庫盆三維外形面和大壩三維上下游面對地質(zhì)體進行分割開挖，形成上水庫大壩和庫盆三維形態(tài),見圖7。通過CATIA 軟件中的“測量項”工具，可以直接讀取模型水庫庫容，以及各項所需開挖量(強風(fēng)化、弱風(fēng)化、覆蓋層)、填筑量等主要工程量，將測量值導(dǎo)入工程量計算表中便可算得項目工程量，并可結(jié)合土石方平衡，對設(shè)計方案進行優(yōu)化調(diào)整。

圖6 大壩和庫盆三維外形面圖

圖7 上水庫大壩和庫盆三維設(shè)計圖

4 上水庫庫盆設(shè)計方案比選

4.1 參數(shù)化三維模型

抽水蓄能電站上下水庫的設(shè)計方案與水庫的正常蓄水位、死水位等主要參數(shù)密切相關(guān)，水位條件直接決定水庫庫底和庫頂?shù)母叱蹋约八畮鞄烊荨Ｒ虼诉x擇正常蓄水位、死水位等參數(shù)對CATIA三維庫盆模型進行參數(shù)化，大壩及庫盆的主要高程數(shù)據(jù)、水庫庫容均可由模型計算得出[11-12]。

4.2 三維庫盆修改和更新

本階段上水庫方案的比選工作共計12個方案，包括裝機容量、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)見表1，建立參數(shù)化三維模型后，修改庫盆的水位條件，更新驅(qū)動后即可獲得各水位條件下的三維模型。通過修改骨架(庫盆軸線)驅(qū)動修改模型，以滿足不同方案的水庫庫容要求，而后更新驅(qū)動后獲得開挖量、填筑量，以及庫盆、庫底面積等參數(shù)，一般驅(qū)動更新僅十幾秒即可全部完成。通過反復(fù)調(diào)整庫盆軸線幾次，可獲得各水位條件下相對較優(yōu)的布置方案，計算主要工程量。各正常水位比選方案的驅(qū)動修改后的三維模型見圖8。

圖8 各水位條件下的三維庫盆開挖模型圖

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)庫容相差不大的條件下，相應(yīng)可利用天然庫容增大，壩體高度增加，壩體填筑量增大，庫盆開挖量減小，且?guī)斓谆靥盍恳苍龃蟆?/p>

表1 上水庫水位比選方案表

經(jīng)過土石方平衡后，各方案主要工程量見表2所示，方案2開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開挖的可利用料較多，而填筑量較少，堆碴量較大；方案3開挖的可利用量遠小于壩體的填筑量，需選擇專門的開采石料場來補充填壩料。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

(1) 本文基于CATIA平臺，建立某抽水蓄能電站上水庫庫盆的三維模型，實現(xiàn)由二維向三維設(shè)計轉(zhuǎn)變。通過三維設(shè)計的可視性，直觀展示各設(shè)計方案優(yōu)缺點，可方便地對設(shè)計方案進行修改和調(diào)整[13-14]。

(2) 通過建立CATIA的參數(shù)化模型，可通過調(diào)整參數(shù)及骨架修改快速更新三維設(shè)計模型，計算水庫庫容，實時更新庫盆開挖量、填筑量，以及庫盆、庫底面積等參數(shù)，導(dǎo)入表格計算工程量，可極大提高方案比較的設(shè)計效率，縮短設(shè)計周期。