水閘輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)開發(fā)與多方案模擬選優(yōu)

吳 芳

（江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 蘇州 215128）

水閘輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)開發(fā)與多方案模擬選優(yōu)

吳 芳

（江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 蘇州 215128）

針對(duì)平原河網(wǎng)地區(qū)水閘特點(diǎn)，采用Visual Basic語(yǔ)言和面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)，開發(fā)具有良好設(shè)計(jì)界面的水閘計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，不僅可大幅提高設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)效率和工程設(shè)計(jì)質(zhì)量，而且可以在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行消能防沖設(shè)計(jì)、閘室穩(wěn)定計(jì)算等多方案模擬選優(yōu)。

水閘；輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)；CAD二次開發(fā)；模擬選優(yōu)

水閘是平原河網(wǎng)地區(qū)最常見的低水頭水工建筑物，目前，水閘設(shè)計(jì)大多依靠手工計(jì)算，重復(fù)勞動(dòng)量大，國(guó)內(nèi)尚無(wú)一套較完整的按《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265-2001）編制的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)。因此，開發(fā)一套實(shí)用的、人機(jī)交互性好、面向廣大中小設(shè)計(jì)單位的計(jì)算軟件系統(tǒng)，是十分有意義的。

1 水閘計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)開發(fā)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水閘設(shè)計(jì)一般包括：水閘的總體布置、閘孔設(shè)計(jì)、水閘水力設(shè)計(jì)（含防滲及消能防沖設(shè)計(jì)等）、水閘穩(wěn)定分析和結(jié)構(gòu)計(jì)算等。系統(tǒng)從開發(fā)過程可分為主控模塊可視化部分及內(nèi)部各子模塊計(jì)算程序部分，從功能上分可分為10個(gè)子模塊，即文件系統(tǒng)、設(shè)計(jì)概述、總體布置、水力設(shè)計(jì)、防滲排水設(shè)計(jì)、水閘穩(wěn)定分析、結(jié)構(gòu)計(jì)算、造價(jià)分析、查詢系統(tǒng)及幫助系統(tǒng)，各個(gè)子模塊之間相對(duì)獨(dú)立，能各自完成獨(dú)立功能，便于將來(lái)不斷完善和擴(kuò)充。

1.2 系統(tǒng)主控模塊

系統(tǒng)的主控模塊也即系統(tǒng)的主界面，由一個(gè)主窗體構(gòu)建而成，在其中分布了所有系統(tǒng)的功能模塊，它包括主菜單、工具條、工具欄等各種信息，調(diào)用系統(tǒng)后將出現(xiàn)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(tǒng)的全部功能模塊，用戶根據(jù)需要可以調(diào)用相應(yīng)的功能模塊。

（2）在菜單接下來(lái)的部分為工具條部分，它以圖標(biāo)的方式來(lái)代替主菜單中的文字，當(dāng)鼠標(biāo)在圖標(biāo)上停留時(shí)將顯示相應(yīng)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(jiǎn)單明了的方式顯示出各功能模塊的位置及相關(guān)功能名稱，當(dāng)鼠標(biāo)在圖標(biāo)上停留時(shí)將顯示相應(yīng)的功能模塊名稱。

（4）在界面最中部顯示了該系統(tǒng)的相關(guān)信息如名稱，版本信息等。

（5）在界面最底部分為姿態(tài)欄，主要用于顯示模塊的相關(guān)信息以及設(shè)計(jì)者的相關(guān)信息。

圖1 系統(tǒng)主控模塊（主窗體）

1.3 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

根據(jù)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)特點(diǎn)，數(shù)據(jù)可采用二維表的格式存放，數(shù)據(jù)庫(kù)采用Office2007提供的Access小型數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)，可為系統(tǒng)實(shí)施節(jié)約成本。

表1為水閘挖深式消力池消能計(jì)算時(shí)各計(jì)算參數(shù)，ID為變量順序，VarName為變量名稱，Var為變量值，VarHelp為變量的相關(guān)說(shuō)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(tǒng)中提供了大量類似該表結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)表，用于存放各種各樣的參數(shù)，系統(tǒng)采用Sql語(yǔ)句調(diào)用相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)表。

表1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分布表

1.4 模塊開發(fā)

本輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)共分10個(gè)模塊，本文以水閘輔助設(shè)計(jì)之消能防沖模塊為例說(shuō)明開發(fā)過程。

消力池設(shè)計(jì)主要是計(jì)算確定消力池的深度、長(zhǎng)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(jì)算。圖2為挖深式消力池消能計(jì)算程序流程圖。

圖2 挖深式消力池消能計(jì)算程序流程圖

主要步驟為：

（1）假設(shè)某一池深 d，計(jì)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(nèi)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(dòng)能校正系數(shù)系數(shù)，一般取1～1.5；φ-消力池的流速系數(shù)，一般取0.95。

（3）池內(nèi)躍后水深 hc′

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

（5）水躍淹沒系數(shù)σ

當(dāng)1.05≤σ≤1.10時(shí)假設(shè)正確，否則重新假設(shè)池深d進(jìn)行計(jì)算。

式中，σ-水躍淹沒系數(shù)，可采用 1.05～1.10；h′-躍后水深，m；hc-收縮水深，m；-水流動(dòng)能校正系數(shù)，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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的工程應(yīng)用

本文以江蘇某節(jié)制閘為例說(shuō)明消能防沖模塊的應(yīng)用過程。該閘主要任務(wù)是實(shí)施后能滿足調(diào)節(jié)水位、控制流量等基本功能要求，閘下河床土質(zhì)為重粉質(zhì)壤土或粉質(zhì)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(shè)計(jì)組合為：上游水位3.6m，下游水位2.0m。

該節(jié)制閘工程的消能防沖計(jì)算人機(jī)對(duì)話界面，見圖3～5。經(jīng)消能計(jì)算，消力池池深d=0.117m，池長(zhǎng)L=7.8m，故消力池長(zhǎng)度取為8m，池深取為0.5m。

3 水閘設(shè)計(jì)多方案模擬選優(yōu)

水閘優(yōu)化設(shè)計(jì)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行多方案模擬選優(yōu)。

江蘇某單孔凈寬4m節(jié)制閘設(shè)計(jì)中，初選總體布置方案中考慮了2種不同的閘門結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)（挖深式消力池、尾坎式消力池）以及2種不同的工程防滲結(jié)構(gòu)形式（水平防滲鋪蓋、鋪蓋加垂直防滲體），共8種組合的設(shè)計(jì)方案。采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)分別對(duì)該8個(gè)方案進(jìn)行了模擬計(jì)算，主要計(jì)算每個(gè)方案的工程造價(jià)、主要技術(shù)參數(shù)（抗滑穩(wěn)定、抗傾穩(wěn)定與防滲安全、消能防沖效果、結(jié)構(gòu)計(jì)算等）、外觀設(shè)計(jì)等指標(biāo)，最終通過專家會(huì)議評(píng)審對(duì)該8個(gè)方案進(jìn)行比選，確定了滿足功能和安全要求、經(jīng)濟(jì)最省的方案。

圖3 消能防沖計(jì)算人機(jī)對(duì)話界面（a）

圖4 消能防沖計(jì)算人機(jī)對(duì)話界面（b）

圖5 消能防沖計(jì)算人機(jī)對(duì)話界面（c）

通過本系統(tǒng)軟件模擬優(yōu)選確定該方案為：底板頂高程-1.0m，閘頂高程6.0m，底板順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)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(cè)設(shè)8m長(zhǎng)鋼筋混凝土防滲鋪蓋，下游側(cè)設(shè)置長(zhǎng)8m、池深0.5m的鋼筋混凝土挖深式消力池。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)軟件以W indows9x/2000/xp作為操作平臺(tái)，以Visual Basic 6.0作為主要開發(fā)工具，在水利工程CAD二次開發(fā)軟件方面進(jìn)行了積極的探索與嘗試，開發(fā)了適用于平原河網(wǎng)地區(qū)的水閘計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)。本系統(tǒng)涉及九個(gè)模塊，鑒于開發(fā)時(shí)間及人力精力有限，著重開發(fā)了閘室穩(wěn)定計(jì)算與消能防沖計(jì)算輔助設(shè)計(jì)模塊。本文通過消能防沖模塊的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了水閘消能防沖設(shè)計(jì)的多方案綜合比選，大幅提升了工程設(shè)計(jì)效率。

水閘計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)投入運(yùn)行之后，將存在糾正性、適應(yīng)性、完善性及預(yù)防性等多方面維護(hù)工作量。為了豐富和完善水閘CAD模塊系統(tǒng)，今后將進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)建立功能、開展集合數(shù)據(jù)引入程序計(jì)算、圖形輸出具備尺寸分析標(biāo)注功能以及有效維護(hù)數(shù)據(jù)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(jí)工程師。