圆弧双曲拱坝CADC系统的分析与总体设计.docx

圆弧双曲拱坝系统的ca d c分析与总体设计彭正洪陈永喜欧阳建国(武汉水利电力大学理学院, 武汉, 430072)摘 要对圆弧双曲拱坝 ca d c圆弧双曲拱坝计算机辅助施工放样与图形处理系统作了全面的系统分析,阐述了该系统的总体设计思想、 功能模块的划分、 系统的研制方法以及各功能模块之间的数据传输方式。关键词 拱坝 计算机辅助设计 系统分析 总体设计引言拱坝为混凝土坝的主要坝型之一, 它是一种空间超静定结构 (如图 1) , 作用在坝体上的外荷载主要通过拱的作用传 递到两岸坝肩, 同时通过拱梁的作用将部分荷载传递到坝 基, 充分依靠坝体混凝土抗压强度和两岸岩体的支撑, 保证 坝体稳定, 并可大大减少坝身断面积, 故其体积比重力坝小 得多; 由于拱坝承载能力强, 超载时能自身调节应力, 因而 具有工程量小, 造价较低的特点。在一定地形、地质条件下 是一种既安全又经济的坝型。由于拱坝坝型较多, 体形复杂, 设计和施工需要大量数 据和工程图纸, 工作十分浩繁。为了加快拱坝建设步伐, 从80 年代以来, 我国拱坝就已采用计算机辅助设计绘图, 至今图 1 拱坝剖面收稿日期 : 199720820810- 4 ,10- 4。21112 电阻值3 = 9148 最 大 误 差 z f =在上述误差分析中,误差范围以内时为“上”,可采用在允许在最大误差范确定定量评价标准的方法是可行的,其详细理论推导过程可参见文献 3 。该文中不仅全面论述了根据现场测试数据和 长期历史资料鉴定观测系统可靠性的技 术原理、公式推导及操作方法, 而且附有 大量的计算结果, 具有普遍的参考意义 和借鉴价值。围以内时为“中”, 其余为“下”的分类方法, 将观测系统中各测点的观测质量 分为上、中、下三类, 其中属于“下”类 者, 即为不合格测点 (参见表 3)。21212 应用实例白 芯 电 阻 的 中 误 差 = 11732 10- 2 8 ,允许误差 r a = 2 = 3146410- 2 8 , 最大误差 r b = 3 = 5119610- 2 8。绿芯电阻的 、 r c、 r d 与白芯电 阻相应值相同。红 芯 电 阻 的 中 误 差 = 11581 现将文献 3中溢流坝 290 m 高程4参考文献能源部, 水利部 1 混凝土大坝安全监测技部分测点现场测试数据的鉴定评价结果列入表 4, 可知上述鉴定方法十分有效。1术规范 ( sd j 33689) 1 北京:出版社, 1989水利电力10- 2 8 ,允许误差 r e = 2 = 31162可将测试数据输入计算机进行计算,非10- 2 8 , 最大误差 r f = 3 = 4174310- 2 8。总电阻的 、r g、r h 与白芯电阻 相应值相同。212 质量评价21211 分类标准常方便,亦可采用计算器计算。2能源部 1 大坝安全检查实施细则 1 能源电1988 37号3结语赵志仁 1 三门峡大坝观测仪器鉴定报告 1天津大坝安全监测研究中心, 1994。 赵志仁 1 大坝安全监测的原理与应用 1 天 津: 天津科学技术出版社, 19923目前大坝观测系统的鉴定工作尚无统一的评价标准, 本文根据误差传播定 律推导出各种观测计算值中误差, 从而4水力发电1997 年第 12 期53已有不少应用软件投入运行。这些软件是根据我国现行的拱坝设计规范要求, 主要完成拱坝的体形设计、应力计算、稳 定性分析、体形优化设计等, 在拱坝设计中发挥了重大作用。 作为拱坝 ca d 系统, 从整体上讲还有待于进一步完善和深 化, 特别是拱坝的施工放样, 拱坝的计算机图形处理, 拱坝 混凝土施工的计算机模拟等软件的开发, 还需要做大量的工 作。为此, 原能源部中电联把拱坝计算机辅助设计与施工作 为“八五”电力工业重点科技项目列入开发计划, 经过开发 小组的共同努力, 该系统的开发研制现已基本完成。这里我 们以圆弧双曲拱坝为例加以说明。面, 既垂直水平面, 又垂直坝轴线, 此种横缝型式简单, 施工方便, 在双曲拱坝中普遍采用, 是常见的一种缝型。但是, 双曲拱坝在不同高程处的拱圈, 由于其半径大小和圆心位置 不同, 则其半径射线方向也随之各异, 缝面既位于坝轴线的 半径射线方向, 在坝顶以下各高程拱圈处便不在相应的半径 射线方向, 换言之, 缝面只有在坝顶处与拱圈正交, 以下便 不正交, 而是斜交的。这种特性与应力分析时的要求不相符 合, 不利于拱坝稳定。为了弥补此项缺陷, 扭曲面型横缝便 应运而生。扭曲面横缝是根据桩号点或其投影的位置来确定 的。对于某层拱圈而言, 不论桩号点或其投影落入该层拱圈 的中圆拱还是侧圆拱, 其桩号点或其投影与该层拱圈中圆拱 圆心的连线均为该层拱圈横缝所在位置, 这样的横缝对各层 拱圈都是径向的。为了满足同一拱坝及其在不同高程对应不 同横缝的要求, 我们对拱坝的多种横缝进行分析得出, 各种 横缝都可用一条直线来表示, 只是不同种横缝以及同一种横 缝在不同高程所对应的有线方程不同。(3) 拱坝的施工放样与计算机图形处理涉及到大量的 工程计算与施工图纸的处理, 大量的工程计算采用高级语言 来完成 (本系统采用 c 语言) , 施工图纸的处理采用目前最为 流 行 的 a u to ca d 软 件, 因 此 必 须 解 决 计 算 程 序 与 a u to ca d 的接口, 使计算与绘图一体化。综上所述, 本系统应满足以下 3 方面要求:(1) 系统必须具有良好的通用性, 即能自动满足各种圆 弧型拱坝、以及对不同要求的横缝的计算, 完成相应的数据 处理。( 2) 根据用户的需要, 对所设计的拱坝进行图形处理, 各种施工图纸用计算机绘制, 图纸上数据齐全, 能满足工程 施工的需要。( 3) 解决好计算与绘图之间的关系, 使其一体化, 并且 具有良好的人机界面, 便于工程应用。1圆弧双曲拱坝 ca d c 系统的分析根据对国内外已建和在建拱坝的统计分析, 圆弧型双曲 拱坝为应用最多的一种坝型。 圆弧双曲拱坝又有多种型式, 分为单心等厚弧拱、两心变厚圆弧拱、三心等厚圆弧拱、三 心变厚圆弧拱、五心变厚圆弧拱。为使所开发的系统具有良 好的功能和通用性, 故需选择其中一种理想的型式作为研究 的基础。其中五心圆弧双曲拱在几何特性上最具代表性 (见 图 2)。这种拱坝最基本的特点是在竖直剖面方向, 上下游坝 面曲线同时向上游弯曲; 而在水平剖面方向则是由对称线非 对称的五个圆心及其不同半径所组成的中圆拱和左右侧圆 拱所构成的一种弯曲率、变厚度、扁平拱的新坝型。它包含 了单心、双心、三心等多种变厚或等厚之单曲和双曲拱坝。故 选其为系统研究的对象。2圆弧双曲拱坝 ca d c 系统的总体设计圆弧双曲拱坝 ca d c 系统运用软件工程学基本思想, 采用结构化程序设计方法, 将任务连续划分为功能块, 自上而 下, 逐步细分, 使每一模块完成一定的功能, 各模块之间又 保持一定的内在联系。图 3 表示了圆弧双曲拱坝 ca d c 系统 的功能模块, 主要由拱坝的施工放样计算与拱坝的计算机图 形处理两大部分的各个功能模块构成, 分别完成系统的计算 和图形处理功能。311 拱坝的施工放样计算拱坝的施工放样计算由拱坝体形参数的输入、坝体类型 判别与选择、体形参数插值、横缝设计与计算、横缝展开计算、混凝土分层分块浇筑方量计算等功能模块构成。具体见图 3。其中拱坝体形参数的输入采用文本文件方式来实现, 这 样使得用户便于原始参数的输入和修改。对于其他的计算模 块, 我们分别建立了相应的数学模型, 例如拱坝体形参数插图 2 五心变厚圆弧拱对圆弧双曲拱坝 ca d c 系统的分析不仅仅只是对上述 研究对象的选取, 还必须考虑以下问题:(1) 拱坝经过体形优化设计后所得到的体形参数通常 只有几层至十几层, 并且相邻两层之间的间隔较大, 为了提 高 计算精度, 满足施工放样需要, 应对已知体形参数进行 加密。(2) 拱坝混凝土浇筑都是分层分块交叉进行的。坝块的 形状、大小取决于拱坝分缝的方式。因此, 拱坝施工放样及 其计算机图形处理与坝体分缝关系甚大。拱坝的横缝总体上 分为垂直面型和扭曲面型横缝。垂直面型横缝是指位于拱坝 坝轴线半径之射线方向的铅直面, 其缝面是一个平整的竖值, 由于拱坝乃连续的空间曲面,且高程满足 坝底= 1 2 3 n = 坝顶,符合 3 次样条函数条件, 故采用 3 次样条函数插值法。又如混凝土分层分块浇筑方量计算采用先水力发电541997 年第 12 期微分后积分的方法。 充分利用计算机数据处理能力强的特点, 使计算结果的精度大大提高。312 计算机图形处理拱坝施工放样所依据的大量工程图纸图形主要是二维 图形, 包括拱坝平面图、水平拱圈图、拱冠梁图、一般拱梁图、 横缝布置图等, 具体见图 3。 当然拱坝施工还必须依据 大量的数据, 由于有些数据量大, 打印机宽度有限, 故对这些数据的处理宜采用图形的方式, 主要以表格型式输出。拱坝施工的有关数据包括: 体形参数加密表、面积表、体积表、 上下游弧长表、 坝块细部放样计算数据表等等。释放。对于数据量大的交换, 采用磁盘数据文件来完成交换。拱坝计算机图形处理是在图形支撑软件 a u to ca d 中完成 的, 主要是为了利用 a u to ca d 良好的图形编辑和图形输出 功能, a u to ca d 虽不是一个完全开放的系统, 高级语言不 易直接调用它的内部模块。但高级语言与 a u to ca d 可进行 数据通讯, 一般有下列几种型式: d x f 文件方式; a u2 to lisp 语言方式; scr 文件方式。经过比较我们选用 scr 文件方式。 scr 文件不仅构造清晰, 而且能方便完成 a u to ca d 所有的交互功能。本系统的计算是用 c 语言来完成的。 因此我们用 c 语言开发一个与a u to ca d 的接口软件包, 将 此软件包加入到 c 语言的函数库中, 在计算处理时类似于调 用 c 语言的库函数来调用。4拱坝 ca d c 系统的研制方法拱坝 ca d c 系统是一个大型、综合的系统, 是计算机科学与工程技术相结合的系统。为了完成该系统的研制, 工程 技术人员与计算机专业人员分工合作, 深入探讨。每前进一 步都经过大家认真讨论, 实践证明这种组织形式对开发工程应用软件是行之有效的。软件测试是软件开发过程中一个非常重要的环节, 必须 精心控制, 系统检测。在开发过程中首先采取对每一模块进 行认真测试, 然后再对整个系统总体测试, 力争多排除其潜图 3 圆弧双曲拱坝 ca d c 系统布置藏的错误,水滩拱坝,算精度高,最后该系统还经过了几个工程实例, 如: 浙江紧湖南东江拱坝, 广东泉水拱坝的验证, 结果是计 图纸美观, 大大缩短了拱坝设计周期。3模块间数据交换圆弧双曲拱坝 ca d c 系统庞大, 涉及到大量的数据处理与图形处理。拱坝施工放样计算模块由众多模块构成, 这些 模块可进一步划分为更细的模块, 在计算处理时, 模块之间 的数据交换采取动态内存管理与磁盘缓冲相结合的原则, 对于数据量较小的交换可以先申请一部分内存, 处理完后立即5参考文献潘家铮 1 拱坝 1 北京: 水利电力出版社水力发电 1 拱坝计算机辅助设计系统专号, 19901412低水头径流式电站利用闸门调峰红水河1997 年第 2 期牟才荣文介绍了一种经济实用的调峰方法水电站利用闸门调峰的方法。该方法的原理是:汛期当低水头径流式电站因洪水出力受阻时, 利用电站溢流闸门开度变化改变其出库流量过程, 使径流电站发电出力过程能随系统负荷高低变化, 从而达到调峰的目的。低水头径流式电站汛期洪水较大, 除少量来水供发电外, 其余大部分来水量要 通过大坝溢流门开闸泄流, 以保持水库水位在设计正常高水位附近运行。随着下泄流量的增加, 尾水位将逐渐抬高, 电站发 电水头下降, 相应机组出力受阻产生空闲容量; 反之, 出库流量减少尾水位降低, 发电出力相应增加。如果水库有 3 h 5 h 的调蓄能力, 则可人为地减少 (增加) 出库流量, 相应增加 (减少) 电站出力, 从而达到提高电站晚高峰出力、降低低谷出 力的目的。上述方法的适用条件是: (1) 汛期水电出力大, 低谷电量过剩而高峰出力不足的电网; (2) 水电站应有 3 h 5 h 的调蓄 库容; (3) 洪水使径流电站受阻有空闲容量; (4) 电站闸门启闭方便、灵活; (5) 电站下泄的不稳定流对航道、防洪影响较 小。文中举出一个广西电网应用本方法调峰的实例: 1996 年 8 月 17 日中调运行方式人员预计当日最高负荷为 2 510 m w , 全 网水电来水出力为 1 425 m w , 火电机组除计划检修外全部开机, 但高峰仍缺电力近 200 m w 。为了减少主电网限电数量, 中增加高峰出力。结果晚峰前岩滩关闸减少出库流量 600 m 3 s,调下令岩滩、大化梯级电站利用闸门调峰,大化关闸减少出库流量 720 m 3 s, 在晚峰 20 点时出力分别达到 92117 m w 和 32317 m w ; 这样, 两电站分别增加出力 7117 m w 和 4817 m w ; ,梯级电站联合调度, 利用闸门调峰增加晚高峰出力 12014 m w 。(沛吉 摘编)水力发电1997 年第 12 期63r ive r c lo su re o n sch edu le to avo id th e eco nom ic lo ss and unfavo rab le effec t s cau sed by th e de lay o f r ive r c lo su re, th e va r io u sp a r t ie s o f de sign , co n st ruc t io n and sup e r in tendance sho u ld tak e eve ry effo r t s to qu ick en th e co n st ruc t io n p ro g re ss. t h e bo dy sh ap e o f th e m idd le ga te ch am be r o f ho le2p la te f loo d re lea sing tunne l is com p lica ted and sho u ld be m o d if ied in th e la te r stage w h ich is th e d iff icu lt po in t in th e co n st ruc t io n. in th e de sign, th e bo dy sh ap e o f th is st ruc tu re h a s been sim p lif ied, w h ich re2 duce s th e co n st ruc t io n d iff icu lty and th e eng inee r ing quan t it ie s so th a t th e co n st ruc t io n p e r io d o f th e m idd le ga te ch am be r h a s been g rea t ly sho r tened.key words: de sign im p ro vem en t, m idd le ga te ch am be r, co n st ruc t io n p ro g re ss, x iao langd iw a te r co n t ro l p ro jec tse lec t ion of the m a in param e ter s of power gen era tor f or er tan hydropower sta t ionl i d ingzho ng (gene ra l p lann ing and d e sign in st itu te fo r h yd ropow e r and w a te r r e so u rce s)a cco rd ing to th e requ irem en t s o f th e in te rna t io na l b idd ing fo r th e gene ra t ing un it s o f e r tan h yd ropow e r s ta t io n , th e se2 lec t io n and ve r if ica t io n o f th e m a in p a ram e te r s and st ruc tu ra l typ e s ( such a s ra ted pow e r fac to r, m ax im um cap ac ity, tem p e ra2 tu re r ise lim it, ra ted vo ltage, coo ling w ay, b rak ing typ e, sho r t c ircu it ra t io , reac tance va lue, th e po sit io n o f th ru st bea r ing, e tc. )o f th e gene ra t ing un it s fo r e r tan h yd ropow e r s ta t io n h ave been co nduc ted th ro ugh m o no g rap h ic study and tech n ica l ex2ch ange, w h ich p ro v ide s th e ba sis o f b id do cum en t s and co n t rac t nego t ia t io n.key words: e r tan h yd ropow e r s ta t io n , h yd ro gene ra to r, p a ram e te r, pow e r fac to r, m ax im um cap ac ity, coo ling, reac tance, th ru st bea r ingte st an d study on the ice de l ivery an d slu ic in g f or d iver s ion - type hydropower sta t ion in x in j ian gh o u j ie, zho u zh u (x in jiang a g r icu ltu ra l u n ive r sity) h u i yu jia (t singh ua u n ive r sity)t h e op e ra t io n o f ice de live ry and slu ic ing is o ne o f m a in op e ra t io n w ay s o f th e d ive r sio n2typ e h yd ropow e r sta t io n in th e w in te r. h ow to de live r and slu ice th e ice sm oo th ly and effec t ive ly is th e k ey p ro b lem to gua ran tee safe op e ra t io n o f h yd ropow 2 e r sta t io n in th e w in te r. t h e re a re a lo t o f d ive r sio n2typ e h yd ropow e r sta t io n s in x in jiang, d ue to th e c lim a te fea tu re s, m o st o f th e se sta t io n s adop t th e op e ra t io n o f ice de live ry and slu ic ing. in recen t yea r s, a lo t o f te st s and stud ie s o n th e st ruc tu ra l a r2 rangem en t fo r ice de live ry and slu ic ing in p re ssu re fo re bay h ave been co nduc ted. t h e op e ra t io n co nd it io n s o f ice de live ry and slu ic ing h ave been ga ined by a se r ie s o f m o de l te st s. t h e op t im a l layo u t sch em e s o f d iffe ren t ice slu ic ing w ay s h ave been g iven.t h e ra t io o f ice to w a te r, a no n2d im en sio na l fac to r ref lec t ing th e effec t ivene ss o f ice de live ry and slu ic ing, is m ax im um. a llth e se p ro v ide s th e refe rence ba sis fo r th e