深圳抽水蓄能電站引水工程施工模型的建立及應用研究

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和龍崗區之間，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，處于廣東的電力負荷中心。同時又是西電東送的落點和粵港電網的連接點。電站裝機容量為4×300 MW。深圳抽水蓄能電站樞紐工程主要由上水庫、下水庫、輸水發電系統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為圓形，國內外諸多引水工程中，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，設置前后的橫截面形狀和尺寸不同，從而設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

引水隧道漸變段由于設計上常用扭曲面漸變過渡，對施工超欠挖要求較高。控制超欠挖主要是控制好開挖輪廓線的精度，按傳統施工放樣方法，復雜體形輪廓線開挖增加了施工放樣測量計算工作量，導致施工測量操作過程一是計算復雜、困難，放樣周期長；二是非常易出錯，且出錯不能及時發現，給工程帶來不必要的損失；三是未形成系統化，產生實際開挖、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下平洞接引水支管漸變段施工開挖放樣為依托，對復雜構筑物利用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后采用可編程計算器進行數學模型，結合全站儀三維坐標測量，在實際現場施工時準確、快速地進行扭曲面施工放樣，提高開挖精度，縮短工期，節省施工成本。

深圳抽水蓄能電站引水系統下平洞接引水支管漸變段獨立起點樁號為K0+000，獨立終點樁號為K0+012，整個漸變段長為12 m，底板縱坡為0%，底板標高為0 m，漸變段起點矩形洞結構尺寸寬為7.5 m，高為8.5 m，漸變段終點圓形隧道半徑為3.5 m，隧洞襯砌厚度為1.2 m，具體細部結構見圖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

根據設計提供縱斷面圖、剖面圖和結構尺寸圖，采用AutoCAD制圖軟件，對該漸變段隧道襯砌后凈空空間進行三維模型建立[1]。

3.1 框架建立

根據設計施工圖尺寸，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起點矩形分為7.5 m×3.75 m、7.5 m×1 m、7.5 m×3.75 m 3個矩形(如圖3)，以上部橫向中軸線O1與縱向軸線交點為圓心，再以上部矩形兩角點為圓上點做外切圓，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)。

根據設計施工圖尺寸，以3-3剖面中半徑3.5 m圓為基準，以該圓為內切圓作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圓放樣為一個實體1，再將圖3中1-1剖面模型框架線圖內7.5 m×8.5 m矩形與圖3中3-3剖面模型框架線示意內圓外切7 m×7 m矩形放樣為一個實體2，利用AutoCAD交集命令，取上步實體1和實體2交集得實體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體3即為該漸變段襯砌后凈空實體，通過重復上述步驟建立襯砌外輪廓實體4，將實體3與實體4重合，利用AutoCAD差集命令，從實體4中減去實體3得實體5，即漸變段襯砌實體模型示意(如圖5所示)。

圖5 三維模型示意

4 漸變段數學模型及驗證

4.1 數學模型建立

利用可編程計算器編程，編程時分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場施工放樣時，根據隧洞主要軸線建立施工坐標系，以隧道樁號方向為X軸，以隧道橫向方向為Y軸(左負右正)，以標高為Z軸，測量坐標即可直接反映該測點在該隧洞施工坐標系內的樁號、左右偏距、標高等信息，放樣時直接輸入全站儀測量三維坐標數據、程序判斷及計算超欠挖并顯示計算結果。下面是利用fx-5800P計算器以襯砌內輪廓為基準線的放樣程序[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:(計算O1與O2圓心間距離)。

0.25(1-(X÷12))+3.5→B:(計算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: (計算O1圓、O2圓半徑)。

√(R2-B2)→C: (計算漸變段直線邊一半長度)。

tan-1. (B)→J↙(計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O1、O2圓心路徑線為界限，將測量值按高程分為3個區域進行計算，見圖6)

Lbl 1：tan-1. (s(Y)÷(B-H))→G:(計算測點位于圓心坐標系內豎夾角)。

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，判斷測點于豎直墻、圓弧、橫底板中哪個線元內，見圖6)。

Lbl 2：Abs(Y)-B→E: Goto 4↙(計算測點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，判斷測點于豎直墻、圓弧、橫底頂板中哪個線元內，見圖6)。

Lbl 4: Fix 3:Cls↙(設置小數位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◢ (顯示該測點超欠挖值，“+”為超，“-”為欠)。

Cls :Goto 0 (清屏，返回Lbl 0)。

說明：以上程序內容以襯砌過水面內結構線線為基準編寫，若要進行開挖放樣、鋼拱架安裝定位、鋼筋層等放樣，則在此程序基礎上加相應結構線與該過水面結構線的徑向厚度即可。

圖6 測點計算示意

4.2 數學模型驗證

綜上所述，該漸變段完成后，取典型局部點位進行實體測量驗證[3]，點位示意見圖7，測量數據見表1，該程序數學模型計算與設計值計算值一致，該程序精度可靠。

圖7 測點點位示意(單位：m)

表1 實體檢測坐標點驗證數據統計

5 結語

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，后序初期支護的平整度、混凝土超欠耗、實體質量都能得到有效保證，并且有顯著的經濟效益。通過CAD三維立體建模技術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，加強了實體質量、節省了施工成本，經濟效益顯著。通過實例研究分析，在結構復雜、非規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，數形結合能直觀、快捷的反映結構間的空間邏輯關系，容易掌握，易于推廣，對復雜體型、斷面、不規則扭曲面等有著不可比擬的優勢，可以為同類工程提供借鑒。