基于CATIA的抽水蓄能电站库盆三维设计研究

邓成进,张志伟，袁秋霜

(1.中国电建集团西北勘测设计院有限公司，西安 710065；2.新疆阜康抽水蓄能有限公司，乌鲁木齐 830011)

1 研究背景

在满足电网调峰所需发电量、电站调节库容等指标前提下，抽水蓄能电站水库库盆设计尽量做到挖填平衡，满足经济技术合理的要求。因此设计往往需要进行大量水位比选、装机容量比选、水库坝址、坝线比选工作[1-3]。各设计方案不仅要满足相应库容要求，还需计算相应工程量，进行投资对比，工作量非常大，效率不高。随着三维设计的应用，设计人员逐渐尝试采用Auto CAD 、Solid Works、Rhinoceros等软件进行抽水蓄能电站三维库盆设计[4]，实现库盆三维设计的可视化，提高设计效率，这就需要建立大量的三维模型。随着抽水蓄能电站工程的开发提速，项目设计周期也随之大大缩短，迫切需要设计人员采用新手段提高设计效率。

CATIA软件是法国达索(dassaul)公司开发的一款三维设计软件, 具有强大的三维建模能力，在水电工程参数化建模、骨架设计和多专业协同设计等有着广泛的应用[5-7]。本文研究基于CATIA平台参数化建模功能，以某抽水蓄能电站工程为例建立上水库库盆的三维模型，实现通过修改参数和驱动骨架，快速实时更新，从而极大提高设计效率[8-10]。

2 地质三维实体模型的建立

2.1 工程区地形地貌特征

某抽水蓄能电站上水库坝址位于山顶一个凹地内，分析认为应属早期冰蚀洼地，仅南面发育一条窄小冲沟与库外相连，西南侧为地形稍低缓的垭口，最低高程2 230.00 m左右，库盆底部高程2 210.00～2 220.00 m，为一良好的天然库盆(见图1)，首先建立三维地质模型。

2.2 将地形数据导入CATIA

采用小插件程序提取地形线的高程信息和坐标，生成点云数据，保存为*.asc格式文件。在“Digitized Shape Editor”逆向曲面设计平台，打开“Cloud Import”工具条，导入地形点云数据，生成的CATIA三维点，见图2。

图2 CATIA生成三维点图

2.3 生成三维地形体

在CATIA导入云点数据后，采用“mesh creation”生成三维地表Mesh体，见图3。

图3 CATIA生成三维地表Mesh体图

为了方便与三维设计面进行裁剪等操作，需要将三维Mesh地形转化为地形曲面，启动“Quick Surface Reconstruction”快速曲面平台，采用“Automatic Surface”命令对Mesh地形进行曲面化。根据库盆范围建立长方体，用曲面化地形对其进行裁剪操作，形成地形体。依据现场地质勘探成果，对地形体进行剖分建立地层分界面，建立地质体三维模型，见图4所示。

图4 CATIA生成三维地质体图

3 上水库库盆三维模型的建立

3.1 上水库库盆设计方案

根据前期阶段工作，拟推荐库址上水库正常蓄水位2 247.00 m，死水位2 220.00 m，水库消落深度27 m，调节库容684万m3。本阶段通过方案比选最终确定正常水位、调节库容等参数。上水库拟采用全库盆混凝土面板防渗的形式，主坝采用混凝土面板堆石坝，坝顶宽10.00 m，上游坝坡1∶1.4，下游坝坡1∶1.4。上水库库盆顶高程2 252.00 m，库底高程2 218.00 m，库顶2 252.00 m至库底2 218.00 m间按坡比1∶1.4规则开挖，库底填筑石碴。

3.2 骨架建立

骨架设计决定了三维模型的可修改性和可重复使用性，因此需尽可能地设计简单、方便修改，以骨架为中心向周围层层驱动。根据库盆的设计特点，整个库盆三维形态是由库盆轴线所决定，因此将库盆轴线设计为CATIA三维模型的骨架。

根据地形、地质条件，上水库库盆仅需要在凹地南冲沟沟口和西南冲沟垭口筑坝，利用凹地形成水库，同时需要对其它三面山体进行开挖修整；在满足发电调节库容及特征水位要求条件下，最终确定库盆轴线。

为了方便库盆轴线的调整和修改，在草图(Sketch)中建立库盆轴线，输出为轮廓作为整个模型的骨架。草图的支持面选为坝顶高程2 252.00 m的平面，新建附近任意点作为参考点。根据坝址区的地形条件，上库盆轴线最终由6段直线围成，直线间采用圆弧段相接，并在草图中对轴线进行尺寸约束(见图5)，即可通过修改约束尺寸修改轴线布置。

图5 上水库骨架(库盆轴线)的建立图

3.3 库盆三维设计

在“创成式外形设计”平台建立库盆的三维外形；根据大坝设计剖面建立大坝的草图，草图支持面垂直于库盆轴线，通过扫掠曲面命令建立大坝三维上下游面；并依据库盆设计方案，通过扫掠曲面建立库盆和库岸边坡，与库底平面剪切得到库盆三维外形面(见图6)，并建立水库水体三维模型。

分别用库盆三维外形面和大坝三维上下游面对地质体进行分割开挖，形成上水库大坝和库盆三维形态,见图7。通过CATIA 软件中的“测量项”工具，可以直接读取模型水库库容，以及各项所需开挖量(强风化、弱风化、覆盖层)、填筑量等主要工程量，将测量值导入工程量计算表中便可算得项目工程量，并可结合土石方平衡，对设计方案进行优化调整。

图6 大坝和库盆三维外形面图

图7 上水库大坝和库盆三维设计图

4 上水库库盆设计方案比选

4.1 参数化三维模型

抽水蓄能电站上下水库的设计方案与水库的正常蓄水位、死水位等主要参数密切相关，水位条件直接决定水库库底和库顶的高程，以及水库库容。因此选择正常蓄水位、死水位等参数对CATIA三维库盆模型进行参数化，大坝及库盆的主要高程数据、水库库容均可由模型计算得出[11-12]。

4.2 三维库盆修改和更新

本阶段上水库方案的比选工作共计12个方案，包括装机容量、正常蓄水位比选、以及坝址、坝线的比选工作。正常水位比选参数见表1，建立参数化三维模型后，修改库盆的水位条件，更新驱动后即可获得各水位条件下的三维模型。通过修改骨架(库盆轴线)驱动修改模型，以满足不同方案的水库库容要求，而后更新驱动后获得开挖量、填筑量，以及库盆、库底面积等参数，一般驱动更新仅十几秒即可全部完成。通过反复调整库盆轴线几次，可获得各水位条件下相对较优的布置方案，计算主要工程量。各正常水位比选方案的驱动修改后的三维模型见图8。

图8 各水位条件下的三维库盆开挖模型图

由图8三维模型可直观展示：随着正常水位的抬高，在调节库容相差不大的条件下，相应可利用天然库容增大，坝体高度增加，坝体填筑量增大，库盆开挖量减小，且库底回填量也增大。

表1 上水库水位比选方案表

经过土石方平衡后，各方案主要工程量见表2所示，方案2开挖的可利用料可满足大坝填筑料所需，其他不能利用料作为弃碴堆于坝后，挖填基本平衡；方案1开挖的可利用料较多，而填筑量较少，堆碴量较大；方案3开挖的可利用量远小于坝体的填筑量，需选择专门的开采石料场来补充填坝料。因此，从土石方平衡上看，方案2较优。本阶段其他的方案比选均采用三维模型更新骨架的方法快速完成设计工作，取得较好的效果。

表2 各水位条件下土石方平衡表

5 结 语

(1) 本文基于CATIA平台，建立某抽水蓄能电站上水库库盆的三维模型，实现由二维向三维设计转变。通过三维设计的可视性，直观展示各设计方案优缺点，可方便地对设计方案进行修改和调整[13-14]。

(2) 通过建立CATIA的参数化模型，可通过调整参数及骨架修改快速更新三维设计模型，计算水库库容，实时更新库盆开挖量、填筑量，以及库盆、库底面积等参数，导入表格计算工程量，可极大提高方案比较的设计效率，缩短设计周期。