基于CATIA的抽水蓄能電站庫盆三維設計研究

鄧成進,張志偉，袁秋霜

(1.中國電建集團西北勘測設計院有限公司，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

在滿足電網調峰所需發電量、電站調節庫容等指標前提下，抽水蓄能電站水庫庫盆設計盡量做到挖填平衡，滿足經濟技術合理的要求。因此設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]。各設計方案不僅要滿足相應庫容要求，還需計算相應工程量，進行投資對比，工作量非常大，效率不高。隨著三維設計的應用，設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計[4]，實現庫盆三維設計的可視化，提高設計效率，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提速，項目設計周期也隨之大大縮短，迫切需要設計人員采用新手段提高設計效率。

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

2 地質三維實體模型的建立

2.1 工程區地形地貌特征

某抽水蓄能電站上水庫壩址位于山頂一個凹地內，分析認為應屬早期冰蝕洼地，僅南面發育一條窄小沖溝與庫外相連，西南側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)，首先建立三維地質模型。

2.2 將地形數據導入CATIA

采用小插件程序提取地形線的高程信息和坐標，生成點云數據，保存為*.asc格式文件。在“Digitized Shape Editor”逆向曲面設計平臺，打開“Cloud Import”工具條，導入地形點云數據，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導入云點數據后，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

為了方便與三維設計面進行裁剪等操作，需要將三維Mesh地形轉化為地形曲面，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。依據現場地質勘探成果，對地形體進行剖分建立地層分界面，建立地質體三維模型，見圖4所示。

圖4 CATIA生成三維地質體圖

3 上水庫庫盆三維模型的建立

3.1 上水庫庫盆設計方案

根據前期階段工作，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，調節庫容684萬m3。本階段通過方案比選最終確定正常水位、調節庫容等參數。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規則開挖，庫底填筑石碴。

3.2 骨架建立

骨架設計決定了三維模型的可修改性和可重復使用性，因此需盡可能地設計簡單、方便修改，以骨架為中心向周圍層層驅動。根據庫盆的設計特點，整個庫盆三維形態是由庫盆軸線所決定，因此將庫盆軸線設計為CATIA三維模型的骨架。

根據地形、地質條件，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；在滿足發電調節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。根據壩址區的地形條件，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 庫盆三維設計

在“創成式外形設計”平臺建立庫盆的三維外形；根據大壩設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；并依據庫盆設計方案，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體進行分割開挖，形成上水庫大壩和庫盆三維形態,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(強風化、弱風化、覆蓋層)、填筑量等主要工程量，將測量值導入工程量計算表中便可算得項目工程量，并可結合土石方平衡，對設計方案進行優化調整。

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計圖

4 上水庫庫盆設計方案比選

4.1 參數化三維模型

抽水蓄能電站上下水庫的設計方案與水庫的正常蓄水位、死水位等主要參數密切相關，水位條件直接決定水庫庫底和庫頂的高程，以及水庫庫容。因此選擇正常蓄水位、死水位等參數對CATIA三維庫盆模型進行參數化，大壩及庫盆的主要高程數據、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。正常水位比選參數見表1，建立參數化三維模型后，修改庫盆的水位條件，更新驅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)驅動修改模型，以滿足不同方案的水庫庫容要求，而后更新驅動后獲得開挖量、填筑量，以及庫盆、庫底面積等參數，一般驅動更新僅十幾秒即可全部完成。通過反復調整庫盆軸線幾次，可獲得各水位條件下相對較優的布置方案，計算主要工程量。各正常水位比選方案的驅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，在調節庫容相差不大的條件下，相應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，且庫底回填量也增大。

表1 上水庫水位比選方案表

經過土石方平衡后，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。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 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，實現由二維向三維設計轉變。通過三維設計的可視性，直觀展示各設計方案優缺點，可方便地對設計方案進行修改和調整[13-14]。

(2) 通過建立CATIA的參數化模型，可通過調整參數及骨架修改快速更新三維設計模型，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，導入表格計算工程量，可極大提高方案比較的設計效率，縮短設計周期。