远盛水工 重力坝辅助设计系统用户使用手册.doc

重力坝辅助设计系统用户使用手册（V 1.0测试版）中国水利水电科学研究院长沙远盛科技有限公司2012-09一、功能概述本系统分为三部分：前处理、核心计算、后处理。用户能应用该系统对重力坝项目进行建模，快捷地输入大坝断面尺寸、水位、材料、地质信息、震级等各项计算参数；系统自动完成重力坝的应力计算、稳定分析等，并对设计参数进行优化；系统最终生成设计报告并批量生成设计图。系统提供材料力学法和有限单元法等两种方法，在各种水位条件、不同荷载组合情况下进行重力坝的坝体断面设计和稳定分析。二、编制原理1、 编制依据（1）混凝土重力坝设计规范 （SL319-2005）（2）水工混凝土结构设计规范 （SL191-2008）（3）水工建筑物抗震设计规范 （SL203-97）（4）水工建筑物荷载设计规范 （DL5077-1997）（5）水利水电工程等级划分及洪水标准（SL252）（6）重力坝设计潘家铮 水利电力出版社 1987年2、 计算参数采用的单位该系统中如无特别说明，高程、几何尺寸的单位均为米；力的单位为kN；弯矩单位为kNm；材料容重的单位为kN/m3；应力的单位为kN/m2。3、 坐标系x轴以水平指向坝体下游为正；y轴以竖直向上为正；转角以x轴正方向为起点，逆时针为正。进行应力、稳定分析时，取坝体纵向单位长度的坝段为计算单元进行分析。4、 作用力计算作用在坝上的荷载分为基本荷载和特殊荷载，分列如下：4.1 基本荷载1） 坝体及其上永久设备自重； 2） 正常蓄水位或设计洪水位时大坝上、下游面的静水压力（选取一种控制情况）；3） 扬压力； 4） 淤沙压力； 5） 正常蓄水位或设计洪水位时的浪压力； 6） 冰压力； 7） 土压力； 8） 设计洪水位时的动水压力； 9） 其他出现机会较多的荷载。4.2 特殊荷载10） 校核洪水位时大坝上、下游面的静水压力；11） 校核洪水位时的扬压力； 12） 校核洪水位时的浪压力； 13） 校核洪水位时的动水压力； 14） 地震荷载； 15） 其他出现机会很少的荷载。4.3荷载计算公式4.3.1 坝体及其上永久设备自重坝体自重作用产生的体积力，作用位置位于计算截面以上部分的形心处，方向竖直向下。G c A（2.4.3-1）式中：c 坝体材料容重（kN/m3）；A 计算单元的面积（m2）。永久设备自重分为点荷载和线荷载，由用户使用系统提供的图形交互工具输入。4.3.2大坝上、下游面的静水压力静水压力是分布力，沿作用面分布，垂直指向作用面。Pw w H（2.4.3-2）式中：Pw 计算点处的静水压强（kN/m2）；w 水的重度（kN/m3），一般采用9.81 kN/m3，对多泥沙河流应根据实际情况确定，系统中提供操作界面供用户输入该参数；H 计算点处的作用水头（m），按计算水位与计算点出高差确定。4.3.3扬压力4.3.3.1 岩基上各类重力坝底面扬压力分布图形按下列三种情况分别确定：1、当坝基设有防渗帷幕和排水孔时，坝底面上游（坝踵）处的扬压力作用水头为 H 1，排水孔中心线处为 H 2（H 1H2），下游（坝趾）处为 H 2，其间各段依次以直线连接见图2.4.3-1（a）、（b）、（c）；2、当坝基设有防渗帷幕和上游主排水孔，并设有下游副排水孔及抽排系统时，坝底面上游处的扬压力作用水头为 H 1，主、副排水孔中心线处分别为 1H1、2H2，下游处为 H 2，其间各段依次以直线连接见图2.4.3-1 （d）；3、当坝基未设防渗帷幕和上游排水孔时，坝底面上游处的扬压力作用水头为 H 1，下游处为 H 2，其间以直线连接见图2.4.3-1（e） 。 上述情况中，渗透压力强度系数、扬压力强度系数1及残余扬压力强度系数 2可按表 2.4.3-1采用。图2.4.3-1 坝底面扬压力分布表2.4.3-1 坝底面的渗透压力、扬压力强度系数4.3.3.2 坝体内部计算截面上的扬压力分布图形，当设有坝体排水管时，可按图2.4.3-2确定。其中排水管处的坝体内部渗透压力强度系数3可按下列情况采用： 1实体重力坝及空腹重力坝的实体部位采用 0.2；2宽缝重力坝、大头支墩坝的无宽缝部位采用 0.2，有宽缝部位采用 0.15。 当未设坝体排水管时，上游坝面处扬压力作用水头为H 1，下游坝面处为H 2，其间以直线连接。图2.4.3-2 坝体计算截面上扬压力分布4.3.4 淤沙压力作用于坝面单位长度上的水平淤沙压力按下式计算： Psk 1/2sb hs2 tg2 (45s/2) （2.4.3-3）式中： Psk 淤沙压力值，kN/m；sb 淤沙的浮重度，kN/m 3，sbsd（1n）w；sd 淤沙的干重度，kN/m 3；n 淤沙的孔隙率； hs 坝前淤沙的淤积厚度，m；s 淤沙的内摩擦角，度。 当坝面倾斜时，应计及竖向淤沙压力。4.3.5浪压力4.3.5.1 系统将浪压力近似按直墙式挡水建筑物的情况进行计算。作用于铅直迎水面建筑物上的浪压力，根据建筑物迎水面前的水深，按以下两种波态分别计算： 图2.4.3-3直墙式挡水建筑物的浪压力分布1当H H cr和H Lm时，浪压力分布如图2.4.3-3（a）所示，单位长度上的浪压力值按下式计算：（2.4.3-4）式中： Pwk单位长度迎水面上的浪压力，kN/m； w水的重度，kN/m 3； Lm平均波长，m； h1%累积频率为 1%的波高，m； H挡水建筑物迎水面前的水深，m；hz波浪中心线至计算水位的高度（m），按下式计算：（2.4.3-4）Hcr使波浪破碎的临界水深（m），按下式计算：（2.4.3-5）2当H H cr，但H Lm/2 时，浪压力分布如图2.4.3-3 （b）所示，单位长度上的浪压力按下式计算： （2.4.3-6）式中: plf 建筑物底面处的剩余浪压力强度（kN/m 2），按下式计算： （2.4.3-7）4.3.5.2 计算波浪要素（波高、波长等）的基本资料。 1年最大风速。系指水面上空 10m高度处 10min平均风速的年最大值；对于水面上空z（m）处的风速，应乘以表2.4.3-2中的修正系数 K z后采用。陆地测站的风速，应参照有关资料进行修正。 表2.4.3-2风速高度修正系数2风区长度（有效吹程）按下列情况确定： 1）当沿风向两侧的水域较宽时，可采用计算点至对岸的直线距离； 2）当沿风向有局部缩窄且缩窄处的宽度 b小于 12倍计算波长时，可采用 5倍 b为风区长度，同时不小于计算点至缩窄处的直线距离；3）当沿风向两侧的水域较狭窄或水域形状不规则、或有岛屿等障碍物时，可自计算点逆风向做主射线与水域边界相交，然后在主射线两侧每隔 7.5做一条射线，分别与水域边界相交。如图2.4.3-4所示，记 D 0为计算点沿主射线方向至对岸的距离，D i为计算点沿第 i条射线至对岸的距离， i为第 i条射线与主射线的夹角， i=7.5i(一般取 i=1、2、3、4、5、6)，同时令 0=0,则等效风区长度 D可按下式计算：（2.4.3-8）图2.4.3-4 等效风区长度计算示意3. 风区内的水域平均深度。一般可通过沿风向作出地形剖面图求得，其计算水位应与相应设计状况下的静水位一致。4.3.5.3 波浪要素计算 1宜根据拟建水库的具体条件，按下述三种情况计算波浪要素： 1） 平原、滨海地区水库，宜按莆田试验站公式计算：（2.4.3-9）（2.4.3-10）式中： hm 平均波高，m； Tm 平均波周期，s；0 计算风速，m/s；D 风区长度，m；Hm 水域平均水深，m；g 重力加速度，9.81m/s 2。2） 丘陵、平原地区水库，宜按鹤地水库公式计算（适用于库水较深、0 26.5m/s及D 7.5km）：（2.4.3-11）（2.4.3-12）式中： h2% 累积频率为2%的波高，m；Lm 平均波长，m。3）内陆峡谷水库，宜按官厅水库公式计算（适用于 0 20m/s及 D 20km）：（2.4.3-13）（2.4.3-14）式中：h当 gD/02=20250时，为累积频率5%的波高 h 5%；当 gD/02=2501000时，为累积频率 10%的波高 h 10%。 2 累积频率为P（%）的波高h p与平均波高的关系可按表2.4.3-3进行换算。 表2.4.3-3累积频率为P（%）的波高与平均波高的比值3平均波长L m与平均波周期T m可按下式换算：（2.4.3-15）对于深水波，即当 H 0.5Lm时，上式可简化为：（2.4.3-16）4.3.5.4 波浪要素可按4.3.5.3条计算。其中计算风速的取值应遵循下列规定： 1当浪压力参与荷载基本组合时，采用重现期为50年的年最大风速； 2当浪压力参与特殊组合时，采用多年平均年最大风速。4.3.6 冰压力冰压力分为静冰压力和动冰压力，系统中分别计算这两种冰压力，从中取大值。4.3.6.1 静冰压力冰层升温膨胀时，作用于坝面单位长度上的静冰压力可按表2.4.3-3采用。 4.3.6.2 动冰压力 作用于铅直坝面上的动冰压力可按下式计算： （2.4.3-17）式中： Fbk 冰块撞击建筑物时产生的动冰压力（MN）； 冰块流速（m/s），宜按实测资料确定，当无实测资料时，对于河（渠）冰可采用水流流速；对于水库冰可采用历年冰块运动期内最大风速的3%，但不宜大于 0.6m/s；对于过冰建筑物可采用该建筑物前流冰的行近流速；A 冰块面积（m 2）,可由当地或邻近地点的实测或调查资料确定； di 流冰厚度，可采用当地最大冰厚的0.70.8倍，流冰初期取大值； fic 冰的抗压强度（MPa），宜由试验确定，当无试验资料时，对于水库可采用0.3MPa；对于河流，流冰初期可采用 0.45MPa，后期可采用 0.3MPa。 表2.4.3-3 静 冰 压 力4.3.7 动水压力（反弧段水流离心力）4.3.7.1 溢流坝等泄水建筑物反弧段底面上的动水压强近似取均匀分布，其代表值可按下式计算：（2.4.3-18）式中： Pcr水流离心力压强代表值，N/m 2； q 相应设计状况下反弧段上的单宽流量m 3/(sm)；v 反弧段最低点处的断面平均流速，m/s；R 反弧半径，m。4.3.7.2 溢流坝等泄水建筑物反弧段上离心力合力的水平及垂直分力代表值可按下式计算：（2.4.3-19）（2.4.3-20）式中： Pxr 单位宽度上离心力合力的水平分力代表值，N/m；Pyr 单位宽度上离心力合力的垂直分力代表值，N/m；1、2图2.4.3-5中所示的角度，取其绝对值。2.4.3-5 反弧段水流离心力示意4.3.8 土压力当坝前或坝后有填土时，则存在土压力。土压力是分布力，包括两部分：水平分布力和竖向分布力。在计算坝前土压力时，如果覆土上面存在淤沙，则在计算水平土压力时需要考虑淤沙的超载作用。系统将坝前水平土压力按主动土压力进行计算，坝后水平土压力按被动土压力进行计算。4.3.9 地震作用力水平地震力代表值可按下式计算： （2.4.3-21）（2.4.3-22）式中： 作用在质点上的水平惯性力代表值； 水平设计地震加速度代表值，由表2.4.3-4查得； 地震作用的效应折减系数，一般取=0.25 集中在质点i的重力作用标准值，KN；g 重力加速度，9.81 质点i的动态分布系数；n 坝体计算质点总数H 坝高，溢流坝的H应算至闸墩顶，m； 质点i、j的高度，m集中在质点j的重力作用标准值，kN；产生地震惯性力的建筑物总重力作用标准值，KN；据统计，竖向地震加速度最大值约为水平地震加速度最大值的2/3，即v = 2 / 3h。当同时计入水平和竖向地震惯性力时，竖向地震惯性力还应乘以遇合系数0.5。表2.4.3-4水平设计地震加速度代表值设计烈度789其他地震加速度代表值0.1g0.2g0.3g04.4 荷载组合混凝土重力坝抗滑稳定及坝体应力计算的荷载组合应分为基本组合和特殊组合两种。荷载组合应按表2.4.4-1规定进行，必要时应考虑其他可能的不利组合。系统提供操作界面供用户编辑各种荷载组合情况。表2.4.4-1荷载组合4.5 主要设计原则4.5.1 混凝土重力坝应以材料力学法和刚体极限平衡法计算成果作为确定坝体断面的依据，有限元法作为辅助方法。 高坝及修建在复杂地基上的中坝宜进行有限元分析，必要时可采用结构模型试验验证。 坝体内的孔口等结构复杂部位的配筋设计，宜用有限元法确定其应力分布，据以进行钢筋配置。 4.5.2 重力坝的设计断面应由基本荷载组合控制，并以特殊荷载组合复核。复核特殊荷载组合时，可考虑坝体的空间作用或采取其他适当措施，不宜由特殊荷载组合控制设计断面。 4.5.3 宽缝重力坝可用材料力学法计算坝体应力，头部附近等部位，也可用有限元法计算，并允许在离上游面较远的局部区域出现拉应力，但不得超过坝体混凝土的允许拉应力。 4.5.4 空腹重力坝可用结构力学、材料力学和有限元法计算坝体应力，应尽量优选体形，避免出现不利的应力分布状态。 4.5.5 设置横缝的重力坝，其强度和稳定计算应按平面问题考虑，可取一个坝段或取单位宽度进行计算。4.6 坝的应力计算4.6.1 坝的应力计算主要内容包括： 1计算坝体选定截面上的应力（应根据坝高选定计算截面，包括坝基面，折坡处的截面及其他需要计算的截面）； 2计算坝体削弱部位（如孔洞、泄水管道、电站引水管道部位等）的局部应力； 3计算坝体个别部位的应力（如闸墩、胸墙、导墙、进水口支承结构、宽缝重力坝的头部等）； 4需要时分析坝基内部的应力。 设计时可根据工程规模和坝体结构情况，计算上述内容的部分或全部，或另加其他内容。 4.6.2 重力坝坝基面坝踵、坝趾的垂直应力应符合下列要求： 1运用期 1） 在各种荷载组合下（地震荷载除外），坝踵垂直应力不应出现拉应力，坝趾垂直应力应小于坝基容许压应力；2） 在地震荷载作用下，坝踵、坝趾的垂直应力应符合水工建筑物抗震设计规范（SL203）的要求；2施工期坝趾垂直应力可允许有小于 0.1MPa的拉应力。4.6.3 重力坝坝基截面的垂直应力应按下式计算：（2.4.6-1）式中： y 坝踵、坝趾垂直应力，kPa；W作用于坝段上或 1m坝长上全部荷载（包括扬压力，下同）在坝基截面上法向力的总和，kN；M作用于坝段上或 1m坝长上全部荷载对坝基截面形心轴的力矩总和，kNm； A坝段或1m坝长的坝基截面积，m 2；x坝基截面上计算点到形心轴的距离，m。J坝段或者 1m坝长的坝基截面对形心轴的惯性矩，m 4。4.6.4 重力坝坝体应力应符合下列要求： 1运用期 1） 坝体上游面的垂直应力不出现拉应力（计扬压力）。2） 坝体最大主压应力，应不大于混凝土的允许压应力值。3） 在地震情况下，坝体上游面的应力控制标准应符合水工建筑物抗震设计规范（SL203）的要求。 4）关于坝体局部区域拉应力的规定：（1） 宽缝重力坝离上游面较远的局部区域，可允许出现拉应力，但不超过混凝土的允许拉应力。（2） 当溢流坝堰顶部位出现拉应力时，应配置钢筋。（3）廊道及其他孔洞周边的拉应力区域，宜配置钢筋；有论证时，可少配或不配钢筋。2施工期1） 坝体任何截面上的主压应力应不大于混凝土的允许压应力。2） 在坝体的下游面，可允许有不大于0.2MPa的主拉应力。4.6.5 计算重力坝坝体应力时，可不考虑纵缝的影响；但对于高坝，及坝上游面有倒悬的，应考虑在施工期纵缝灌浆前上游坝块的应力情况，在设计中对不利应力情况应采取措施加以限制和改善。4.6.6 对岸坡坝段，根据地形、地质条件，结合坝基开挖，应计算在三向荷载共同作用下的抗滑稳定及应力。在难以避免的情况下，坝踵垂直应力允许出现不大的拉应力，且应采取措施保证运用期和施工期的稳定和应力要求。 4.6.7 不能作为平面问题处理的坝体或坝段，以及其他不能用材料力学进行应力分析的结构，可采用有限元法分析，局部应力值可不受4.6.4条关于应力指标的规定，但如果局部应力数值超过指标较多时应研究其原因，并应设法改善。 4.6.8用有限元法计算坝体应力，单元剖分应达到设计所要求的精度，单元的型式应结合坝体体形合理选用，计算模型及计算条件等应接近于实际情况。 4.6.9 有限元法计算的坝基应力，其上游面拉应力区宽度，宜小于坝底宽度的 0.07倍，或小于坝踵至帷幕中心线的距离。4.6.10 混凝土的允许应力应按混凝土的极限强度除以相应的安全系数确定。坝体混凝土抗压安全系数，基本组合应不小于 4.0；特殊组合（不含地震情况）应不小于3.5。 当局部混凝土有抗拉要求时，抗拉安全系数应不小于4.0。在地震情况下，坝体的结构安全应符合水工建筑物抗震设计规范（SL203）的要求。注1： 混凝土极限抗压强度，指90d龄期的15cm立方体强度，强度保证率为80%； 注2：坝体局部结构的设计和计算，应符合水工混凝土结构设计规范（SL/T191）。 4.7 坝体抗滑稳定计算4.7.1 坝体抗滑稳定计算主要核算坝基面滑动条件，应按抗剪断强度公式（2.4.7-1）或抗剪强度公式(2.4.7-2)计算坝基面的抗滑稳定安全系数。 1抗剪断强度的计算公式: （2.4.7-1）式中： K 按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；f 坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数；C 坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断凝聚力，KP a；A 坝基接触面截面积，m 2。W 作用于坝体上全部荷载（包括扬压力，下同）对滑动平面的法向分值，kN；P 作用于坝体上全部荷载对滑动平面的切向分值，kN；2抗剪强度的计算公式： （2.4.7-2）式中：K 按抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数；f 坝体混凝土与坝基接触面的抗剪摩擦系数； 4.7.2 坝基岩体内存在软弱结构面、缓倾角裂隙时，根据地质资料可概化为单滑动面、双滑动面和多滑动面，进行抗滑稳定分析。双滑动面为最常见情况，如图2.4.7-1所示。图2.4.7-1双斜滑动面示意图坝基深层抗滑稳定采用等安全系数法，按抗剪断强度公式（2.4.7-3）、（2.4.7-4）或按抗剪强度公式（2.4.7-5）、（2.4.7-6）进行计算。1采用抗剪断强度公式计算：考虑 ABD块的稳定，则有：（2.4.7-3）考虑 BCD块的稳定，则有：（2.4.7-4）通过公式（2.4.7-3）、（2.4.7-4）及 K1K2K，求解 Q、 K值。 式中： K1、K2、K按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数； W作用于坝体上全部荷载（不包括扬压力，下同）的垂直分值，kN； H作用于坝体上全部荷载的水平分值，kN； G1 、G2分别为岩体 ABD、BCD重量的垂直作用力，kN；f1 、 f2 分别为 AB、BC滑动面的抗剪断摩擦系数； c1、c2 分别为 AB、BC滑动面的抗剪断凝聚力，kPa；A 1、 A 2分别为AB、BC面的面积，m 2； 、分别为 AB、BC面与水平面的夹角； U1 、U2 、U3分别为AB、BC、BD面上的扬压力，kN； Q、分别为 BD面上的作用力及其与水平面的夹角。夹角值需经论证后选用，从偏于安全考虑可取 0. 0。2采用抗剪强度公式计算：对于采取工程措施后应用抗剪断强度公式计算仍无法满足表2.4.7-1要求的坝段，可采用抗剪强度公式（2.4.7-5）、（2.4.7-6）计算抗滑稳定安全系数，其安全系数指标可经论证确定。考虑 ABD块的稳定，则有：（2.4.7-5）考虑 BCD块的稳定，则有：（2.4.7-6）通过公式（2.4.7-5）、（2.4.7-6）及 K1K2K，求解 Q、K值。 式中： K1、K2、K按抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数； f1、 f 2分别为 AB、BC滑动面的抗剪摩擦系数； 单滑面的情况比较简单，这里不再列出计算式。多滑面的情况又比较复杂，可参照双滑面的计算式，列出各个滑裂体的算式，求解 K值。4.7.3 抗滑稳定安全系数的规定 1）按抗剪断强度公式（2.4.7-1）计算的坝基面抗滑稳定安全系数 K值应不小于表2.4.7-1的规定。 表2.4.7-1 坝基面抗滑稳定安全系数K2）按抗剪强度公式（2.4.7-2）计算的坝基面抗滑稳定安全系数K值应不小于表2.4.7-2规定的数值。 表2.4.7-2 坝基面抗滑稳定安全系数K4.7.4 坝基岩体内存在软弱结构面、缓倾角裂隙时，按抗剪断强度公式（2.4.7-3）、（2.4.7-4）计算的 K值应不小于表 2.4.7-1的规定。 当采取工程措施后 K值仍不能达到表2.4.7-1要求时,可按抗剪强度（2.4.7-5）及（2.4.7-6）公式计算坝基深层抗滑稳定安全系数,其安全系数指标应经论证后确定，对于单滑面情况，尤须慎重。 4.7.5 坝体混凝土与坝基接触面之间的抗剪断摩擦系数 f、凝聚力C和抗剪摩擦系数 f的取值：规划阶段可参考混凝土重力坝设计规范 （SL319-2005）附录D选用；可行性研究阶段及以后的设计阶段，应经试验确定；中型工程的中、低坝，若无条件进行野外试验时，宜进行室内试验，并参照混凝土重力坝设计规范 （SL319-2005）附录D选用。 4.7.6 在坝体抗滑稳定计算中，经论证可考虑位于坝后的水电站厂房或其他大体积建筑物与坝体的联合作用，但应做好相应的结构设计。 4.7.7 当坝基岩体内存在软弱结构面、缓倾角裂隙时，需核算深层抗滑稳定。根据滑动面的分布情况综合分析后，可分为单滑面、双滑面和多滑面计算模式，以刚体极限平衡法计算为主，必要时可辅以有限元法、地质力学模型试验等方法分析深层抗滑稳定，并进行综合评定，其成果可作为坝基处理方案选择的依据。当坝基岩体内无不利的顺流向断层裂隙及横缝设有键槽并灌浆，核算深层抗滑稳定时可计入相邻坝段的阻滑作用。三、操作指南1、系统模块划分本系统主要内容包括：前处理、核心计算、后处理三个部分，如图3.1-1所示。前处理包括：输入设计基底高程、设计洪水位、校核洪水位、附加荷载等参数；定义材料属性；指定大坝断面和基础的材料类型；自动划分单元。核心计算包括：在不同荷载组合的工况下进行应力计算、稳定分析等；得到最不利荷载组合下的各项计算指标。后处理包括：根据计算结果生成总报告、计算书，绘制计算简图、应力图、细部结构详图等。图3.1-1 系统模块划分启动大坝工具箱后，新建或者打开一个dwg文件，在该图形中绘制大坝轮廓线和基础轮廓线如图3.1-2所示。图3.1-2 大坝轮廓线和基础轮廓线在AutoCAD命令行输入“INIT”命令，弹出图3.1-3所示初始设置对话框。在对话框中设置“绘图比例”与“出图比例”，这两个参数的比值即为轮廓线的绘图比例。如图3.1-3所示对话框中“绘图比例”与“出图比例”的比值为100，则dwg图中1绘图单位长度代表大坝实际尺寸为100mm。例如，坝顶设计宽度为8米，则在dwg图中需绘制80个绘图单位长度的坝顶水平线。用户可以根据实际需求任意选择比例，但务必使绘制轮廓线的比例与“初始设置”对话框中设置的比例保持一致。图3.1-3 初始设置对话框在AutoCAD命令行输入“ZLBJS”命令，弹出图3.1-4所示界面，即为重力坝辅助设计系统的操作界面。该界面中包含了该系统所有操作的菜单指令。图3.1-4 重力坝辅助设计系统的操作界面2、前处理模块2.1前处理流程图图3.2.1-1 前处理流程图2.2新建工程菜单位置：工程新建命令功能：新建一个项目的工作路径，既可以调入已有的工作目录，也可在输入框中键入新的工作目录，后面操作中生成的所有文件（包括数据文件及计算书等）均保存在设置的工作目录下。点击该菜单，将弹出如图3.2.2-1所示对话框：图3.2.2-1 新建工程对话框浏览：鼠标左键单击该按钮，用户能够浏览文件夹，指定项目所在工作路径。项目工作路径：用户可以在该输入框中键入新的工作路径，系统将在指定路径创建一个新的文件夹。项目名称：系统生成的的数据文件、计算书等将以该输入框中内容命名。2.3打开工程菜单位置：工程打开命令功能：导入一个之前创建项目的数据。点击该菜单，系统弹出如图3.2.3-1所示对话框：图3.2.3-1 打开工程对话框项目名称：下拉列表框中将显示dwg文件中已经创建的所有项目名称，用户可以从中选择一个项目。浏览：鼠标左键单击该按钮，用户能够浏览文件夹，选定项目的数据文件。2.4设置基本参数菜单位置：参数设置设置基本参数命令功能：设置项目的一些控制参数并在图中标注高程、水位。点击该菜单，系统弹出如图3.2.4-1所示对话框：图3.2.4-1设置基本参数对话框依据规范：可以根据项目的性质选择：水利规范、水电规范；重力坝级别：选项有：1级、2级、3级、4级、5级；结构安全级别：选项有：1级、2级、3级；地震设计烈度：选项有：不考虑、7级、8级、9级；分析方法：选项有：结构力学法、有限单元法；坝底标高：大坝上游侧坝踵标高，单位为m。该参数必须设置，其他标高都将以坝底标高作为基准点进行调整；上游土表标高：上游侧填土上表面标高，单位为m。该参数用于计算上游土压力，当该参数值小于“坝底标高”时，则不考虑上游填土作用；下游土表标高：下游侧填土上表面标高，单位为m。该参数用于计算下游侧土压力，当该参数值小于“坝底标高”时，则不考虑下游填土作用；上游淤沙标高：上游侧淤沙上表面标高，单位为m；该参数用于计算上游侧淤沙压力，当该参数值小于“坝底标高”或“上游土表标高”时，则不考虑下游淤沙作用；水容重：单位为kN/m3，该参数用于计算水压力，默认值为9.81 kN/m3，用户可根据实际情况调整改值；填土浮容重：单位为kN/m3，该参数用于计算水平土压力和作用在坝体的土重；填土内摩擦角：单位为度，该参数用于计算水平土压力；淤沙浮容重：单位为kN/m3，该参数用于计算淤沙水平压力和作用在坝体的淤沙重量；淤沙内摩擦角：单位为度，该参数用于计算淤沙水平压力；导入：左键单击该按钮，允许用户从其他项目的数据文件中读取基本参数值。保存：左键单击该按钮，允许用户将基本参数值存入当前项目数据文件。另存为：左键单击该按钮，允许用户将基本参数值存入用户指定的数据文件，方便下次读取。所有参数都设置好以后，左键单击“确定”按钮，命令行将提示：请框选已经存在的标高文字：如果用户之前已经设置过该项目的坝底标高、土表标高及淤沙标高等，则用户应该框选这些标高文字，程序在下面的操作中将从这些选择的标高中寻找对应的标高进行编辑。如果用户直接回车不选择标高文字，则程序将绘制新的标高符号。假设用户之前尚未定义过这些高程，直接回车后，命令行提示：是否在图中选择坝底标高符号?是(Yes)/否(No)用户输入“N”选项，则程序将自动绘制默认格式标高符号；输入“Y”选项时，命令行提示：请选择“坝底标高”符号实体(包括文字和曲线):此时，用户需要选择如图3.2.4-2所示的白色实体，所选实体中至少要包含一个dtext实体文字和一根文字下侧的直线。正确选择以后，程序将编辑所选标高符号中的文字，将数值设成图3.2.4-1所示对话框中的坝底标高，即“1711.0”。图3.2.4-2 典型的标高符号其余标高符号的绘制与“坝底标高”符号绘制基本相同。需要注意的是： 这些标高的y坐标是以“坝底标高”符号为基准，程序通过这些标高与“坝底标高”的差值，并按照图3.1-3所示初始设置对话框中“绘图比例”与“出图比例”进行换算得到的。以上游淤沙标高为例，换算公式如下：Y沙Y底（上游淤沙标高坝底标高）1000出图比例/绘图比例上式中：Y沙 上游淤沙标高符号文字下划线的y坐标；Y底 坝底标高符号文字下划线的y坐标。因此，在执行该操作之前，一定要事先设置好图3.1-3所示初始设置对话框中的比例，使其与坝体轮廓线绘图比例相一致。2.5 管理材料库菜单位置：参数设置管理材料库命令功能：设置项目的材料参数。点击该菜单，系统弹出如图3.2.5-1所示对话框：图3.2.5-1管理材料库对话框材料名：用来标识材料名称，是检索材料库的关键词，同一项目的材料库中必须是唯一的，不存在相同名字的材料；容重：单位为kN/m3，指材料的湿容重；浮容重：单位为kN/m3，用于水下材料；弹性模量：单位为kN/m2；材料厚度：单位为m，程序默认为1m；材料颜色：闭合区域定义材料后生成面域显示的颜色，用户可以点击图3.2.5-1所示对话框中的颜色录入框，为各种材料选择不同的颜色；导入：左键单击该按钮，允许用户从其他项目的数据文件中读取基本参数值。保存：左键单击该按钮，允许用户将基本参数值存入当前项目数据文件。另存为：左键单击该按钮，允许用户将基本参数值存入用户指定的数据文件，方便下次读取。入库：左键单击该按钮，用户将把“一般参数”里面所列的材料添加到项目的材料库中，并在图3.2.5-1所示对话框的左侧列表框中显示当前项目的所有材料名称。编辑：用户在图3.2.5-1所示对话框的左侧列表框中选择一种材料，修改这个材料在“一般参数”里面显示的数据后，左键单击该按钮，则程序将修改这个材料在项目材料库中相应的数据。删除：用户在图3.2.5-1所示对话框的左侧列表框中选择一种材料，左键单击该按钮，程序在项目材料库中删除这种材料。2.6 荷载组合菜单位置：参数设置荷载组合命令功能：设置项目的荷载组合情况，并输入荷载计算的一些参数。点击该菜单，系统弹出如图3.2.6-1所示对话框：图3.2.6-1荷载组合对话框风区位置类型：选项有：平原滨海地区，丘陵、平原地区，内陆峡谷水库。该参数用来控制浪压力的计算公式；坝体类型：选项有：实体重力坝、宽缝重力坝、大头支墩坝、空腹重力坝。该参数用来计算坝基扬压力；大坝部位：选项有：河床坝段、岸坡坝段。该参数用来计算坝基扬压力；坝基情况：选项有：不做处理，仅设排水孔，帷幕、排水孔，主副排水孔并抽排。当选择“仅设排水孔”时，渗压系数将加上一个“渗压系数提高值”；分缝处坝宽b：该参数只对宽缝重力坝和大头支墩坝有效，用来计算坝基扬压力的折线段长度；主排水孔距离：该参数指主排水孔至大坝上游侧坝踵点的水平距离，用来控制坝基扬压力的折线位置；主孔至分缝边距：该参数只对宽缝重力坝和大头支墩坝有效，指主排水孔至分缝上游边的水平距离；副排水孔起距：该参数只在坝基设主副排水孔并抽排时有效，指副排水孔上游侧至大坝上游侧坝踵点的水平距离；副排水孔终距：该参数只在坝基设主副排水孔并抽排时有效，指副排水孔下游侧至大坝上游侧坝踵点的水平距离；渗压系数提高值：该参数只在坝基为“仅设排水孔”时有效，根据表格查得的渗压系数将加上该参数；用户可以在荷载组合列表框中“坝前水位”与“坝后水位”列输入实数，当这两列参数的值小于图3.2.4-1所示设置基本参数对话框中的“坝底高程”时，则系统将忽略坝前或者坝后水压力的影响。荷载组合列表框中“附加荷载”列有3个选项：“经常出现”、“不常出现”、“”。用户根据具体情况进行选择。系统提供图形交互工具在图中添加附加荷载，在进行运算时，系统将读取图形信息，生成荷载数据文件。所有参数都设置好以后，左键单击“确定”按钮，系统将在图中自动绘制各荷载组合的坝前水位和坝后水位标高符号。在执行该操作之前，先要执行“设置基本参数”，在图中设定好“坝底标高”。2.7 设置分区材料菜单位置：图形交互设置分区材料命令功能：该步骤用于指定闭合区域的材料类型，执行该命令之前需先执行“管理材料库”，在项目材料库中增添若干材料类型。点击该菜单，系统弹出如图3.2.7-1所示对话框：图3.2.7-1设置分区材料对话框材料名称：在这个下拉列表框中将显示“管理材料库”操作中定义的材料名称；孤岛检测样式：选项有：外部、忽略，不同选项所选择的区域如图3.2.7-2阴影部分所示；图3.2.7-2 孤岛检测样式文字高度：用来控制程序绘制材料名称文字的高度，图中绘制的文字高度该参数“出图比例”。按照命令行提示在图3.2.7-3所示图形的闭合区域中间点取一点后，程序将在闭合区域生成一个面域（region实体）并绘制材料名称，面域颜色为所选材料指定的颜色。材料定义完成以后，用户可以执行“shademode”命令，输入“F”选项来查看定义的材料区域，如图3.2.7-3所示。图3.2.7-3 材料填充2.8 设置坝基线菜单位置：图形交互设置坝基线命令功能：该步骤用于指定项目的坝体、基础分界线（坝基线）。坝基线必须是一整根多段线（pline实体）或者线段（line实体），如果坝基线由多根线段组成，请执行“pedit”命令的“J”选项，将多根线段连成一整根多段线。点击该菜单，命令行将提示：请选择坝基线（pline,line）:选择一根曲线以后，命令行将提示：请点取坝基线符号所在方向:在图中想要绘制坝基线符号一侧点取一点，程序将设置该曲线为坝基线，同时在指定一侧绘制坝基线符号，方便用户查看。图3.2.8-1中白色符号即为坝基线符号。图3.2.8-1 定义坝基线2.9 设置深层滑动面菜单位置：图形交互设置深层滑动面命令功能：该步骤用于指定基础中存在的滑动面，可以是一根或者多根多段线（pline实体）或者直线段（line实体）。点击该菜单，命令行将提示：请选择滑动面分界线（pline,line）:选择一根曲线以后，命令行将提示：请点取深层滑动面符号所在方向:在图中想要绘制滑动面符号一侧点取一点，程序将设置该曲线为深层滑动面，同时在指定一侧绘制滑动面符号，方便用户查看。图3.2.9-1中青色符号即为滑动面符号。图3.2.9-1 定义滑动面2.10输入附加荷载菜单位置：图形交互输入附加荷载命令功能：该步骤用于在指定位置绘制附加荷载。附加荷载是指混凝土重力坝设计规范 （SL319-2005）第6.1.1条中的9）、15）、1）类荷载；其余荷载程序将自动计算，无需用户另外添加。点击该菜单，系统弹出如图3.2.10-1所示对话框：图3.2.10-1添加附加荷载对话框类型：选项有：点荷载、线荷载；工况：选项有：常现荷载、不常现荷载、永久设备自重，分别对应于混凝土重力坝设计规范 （SL319-2005）第6.1.1条中的9）、15）、1）类荷载；q：单位为kN，指点荷载大小或者线荷载的起始位置荷载强度。q2：单位为kN，只对线荷载有效，指线荷载的终止位置荷载强度。角度：单位为度，用户指定的荷载作用方向。方式：选项有：输入角度、垂直长度线、垂直轮廓线、图中点取、平行轮廓线。当用户选择“输入角度”选项时，荷载方向为“角度”输入框中的数值；当用户选择“垂直长度线”选项时，荷载方向垂直于用户指定的起点和终点之间的连线；当用户选择“垂直轮廓线”选项时，荷载方向垂直于用户选择的轮廓线；当用户选择“图中点取”选项时，荷载方向由用户在图中点取两点确定；当用户选择“平行轮廓线”选项时，荷载方向平行于用户选择的轮廓线。文字高度：用来控制荷载标注文字的高度，图中绘制的文字高度该参数“出图比例”。绘图比例：用来控制荷载箭头的长短。该参数越大，则箭头越短；反之越长。2.11划分网格菜单位置：图形交互划分网格命令功能：该步骤用于给用户选择的材料区域划分单元网格，在执行该命令之前必须先执行步骤“设置分区材料”。点击该菜单，系统弹出如图3.2.11-1所示对话框：图3.2.11-1划分网格对话框纵向网格线角度：单位为度，指定纵向网格线的角度；横线间距变化方式：选项有：等间距布置、由下向上间距渐变、由上向下间距渐变、由外向内间距渐变、由内向外间距渐变。该参数用于控制水平网格线的间距变化型式。纵线间距变化方式：选项有：等间距布置、由左向右间距渐变、由右向左间距渐变、由外向内间距渐变、由内向外间距渐变。该参数用于控制竖直网格线的间距变化型式。横线间距：单位为米，横向网格线的起始间距。横线步长：单位为米，相邻横向网格线的间距变化值，当间距变化方式为“等间距布置”时，该参数无效。纵线间距：单位为米，纵向网格线的起始间距。纵线步长：单位为米，相邻竖向网格线的间距变化值，当间距变化方式为“等间距布置”时，该参数无效。节点编号字高：用来控制节点编号文字的高度，图中绘制的文字高度该参数“出图比例”。单元编号字高：用来控制单元编号文字的高度，图中绘制的单元编号尺寸该参数“出图比例”。所有参数都设置好以后，左键单击“确定”按钮，命令行将提示：请选择要划分网格的材料分区面域:选择要划分网格的材料区域（面域）后，命令行将提示：请框选该项目已经存在的单元和节点:如果之前已经划分了当前项目的某些材料区域，则框选生成所有的节点和单元，否则直接按回车键不选。程序自动在各材料区域能生成网格和节点，如图3.2.11-2所示。图3.2.11-2 生成的网格和节点2.12 沿滑动面切分单元菜单位置：图形交互沿滑动面切分单元命令功能：该步骤用于切分与滑动面相交的单元。执行该命令前必须先执行“设置深层滑动面”操作，定义好滑动面曲线；并且滑动面所在区域已经划分好了网格单元。点击该菜单，命令行将提示：请框选该项目已经存在的单元和节点以及定义好的深层滑动面:用户框选当前项目所有节点和单元，以及滑动面，程序将自动切分与滑动面相交网格单元，如图3.2.12-1所示。图3.2.12-1 沿滑动面切分后的单元2.13 设置约束点、约束边菜单位置：图形交互设置约束点、约束边命令功能：该步骤用于设置单元节点或者边线的约束情况。点击该菜单，系统弹出如图3.2.13-1所示对话框：图3.2.13-1设置约束点、约束边对话框操作类型：选项为：设置约束点、设置约束边；约束类型：选项为：X向约束、Y向约束、XY向约束、取消约束。当选项为“取消约束”时，程序将删除之前定义的约束信息。约束点给定的X向位移值：单位为米，该参数只有当操作类型为“设置约束点”，约束类型为“X向约束”或者“XY向约束”时才有效；约束点给定的Y向位移值：单位为米，该参数只有当操作类型为“设置约束点”，约束类型为“Y向约束”或者“XY向约束”时才有效；符号尺寸：用来控制图3.2.13-2中紫色的约束符号大小；文字高度：用来控制图3.2.13-2中紫色文字的大小；在对话框设置好参数后，命令行提示：请选择单元节点:用户选择图3.2.13-2中单元节点（红色实心圆）后，程序将在节点位置绘制符号和文字，如图3.2.13-2所示：图3.2.13-2 设置约束点当操作类型为“设置约束边”时，命令行提示：请选择