水闸辅助设计系统开发与多方案模拟选优

2017-12-01吴芳

水利规划与设计 2017年10期

关键词：辅助设计消力池功能模块

吴芳

（江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司，江苏苏州 215128）

水闸辅助设计系统开发与多方案模拟选优

吴芳

（江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司，江苏苏州 215128）

针对平原河网地区水闸特点，采用Visual Basic语言和面向对象的编程技术，开发具有良好设计界面的水闸计算机辅助设计系统，不仅可大幅提高设计人员设计效率和工程设计质量，而且可以在此基础上，进行消能防冲设计、闸室稳定计算等多方案模拟选优。

水闸；辅助设计系统；CAD二次开发；模拟选优

水闸是平原河网地区最常见的低水头水工建筑物，目前，水闸设计大多依靠手工计算，重复劳动量大，国内尚无一套较完整的按《水闸设计规范》（SL265-2001）编制的计算机辅助设计系统。因此，开发一套实用的、人机交互性好、面向广大中小设计单位的计算软件系统，是十分有意义的。

1 水闸计算机辅助设计系统开发

1.1 系统总体结构设计

水闸设计一般包括：水闸的总体布置、闸孔设计、水闸水力设计（含防渗及消能防冲设计等）、水闸稳定分析和结构计算等。系统从开发过程可分为主控模块可视化部分及内部各子模块计算程序部分，从功能上分可分为10个子模块，即文件系统、设计概述、总体布置、水力设计、防渗排水设计、水闸稳定分析、结构计算、造价分析、查询系统及帮助系统，各个子模块之间相对独立，能各自完成独立功能，便于将来不断完善和扩充。

1.2 系统主控模块

系统的主控模块也即系统的主界面，由一个主窗体构建而成，在其中分布了所有系统的功能模块，它包括主菜单、工具条、工具栏等各种信息，调用系统后将出现如图1所示的主控界面。

（1）界面的最上部分为主菜单，它分布了该系统的全部功能模块，用户根据需要可以调用相应的功能模块。

（2）在菜单接下来的部分为工具条部分，它以图标的方式来代替主菜单中的文字，当鼠标在图标上停留时将显示相应的功能模块名称。

（3）在界面最左边部分为工具栏，它更能以简单明了的方式显示出各功能模块的位置及相关功能名称，当鼠标在图标上停留时将显示相应的功能模块名称。

（4）在界面最中部显示了该系统的相关信息如名称，版本信息等。

（5）在界面最底部分为姿态栏，主要用于显示模块的相关信息以及设计者的相关信息。

图1 系统主控模块（主窗体）

1.3 系统的数据结构和数据库设计

根据辅助设计系统特点，数据可采用二维表的格式存放，数据库采用Office2007提供的Access小型数据库平台，可为系统实施节约成本。

表1为水闸挖深式消力池消能计算时各计算参数，ID为变量顺序，VarName为变量名称，Var为变量值，VarHelp为变量的相关说明，ComputeType为消力池的各种类型，GraphicsName为各消力池的示例图形。本系统中提供了大量类似该表结构的数据表，用于存放各种各样的参数，系统采用Sql语句调用相关数据库表。

表1 系统数据结构分布表

1.4 模块开发

本辅助设计系统共分10个模块，本文以水闸辅助设计之消能防冲模块为例说明开发过程。

消力池设计主要是计算确定消力池的深度、长度和消力池底板的厚度。本功能模块提供了挖深式消力池、尾坎式消力池、综合式消力池的消能计算。图2为挖深式消力池消能计算程序流程图。

图2 挖深式消力池消能计算程序流程图

主要步骤为：

（1）假设某一池深 d，计算从池底顶面算起的池前总水头T

式中，Z2-上游水位高程，m；Z3-下游池底高程，m；V0-水的流速，m/s。

（2）池内收缩水深hc

式中，q-为收缩断面处的单宽流量，q=Q/b，m3/（s·m）； Q-通过消力池的总流量， m3/s； α-动能校正系数系数，一般取1～1.5；φ-消力池的流速系数，一般取0.95。

（3）池内跃后水深 hc′

式中，Δz-出池落差，m；φ-流速系数，一般取0.95；hs′-出池河床水深（下游水深），m。

（5）水跃淹没系数σ

当1.05≤σ≤1.10时假设正确，否则重新假设池深d进行计算。

式中，σ-水跃淹没系数，可采用 1.05～1.10；h′-跃后水深，m；hc-收缩水深，m；-水流动能校正系数，可用1.0～1.05；q-过闸单宽流量，m3/（s·m）；b1-消力池首端宽度，m；b2-消力池末端宽度，m。

（4）出池落差 Δz

2 计算机辅助设计系统的工程应用

本文以江苏某节制闸为例说明消能防冲模块的应用过程。该闸主要任务是实施后能满足调节水位、控制流量等基本功能要求，闸下河床土质为重粉质壤土或粉质粘土，总流量 Q=61.04m3/s；消力池首端宽度b1=4m、末端宽度b2=6m；消能防冲设计组合为：上游水位3.6m，下游水位2.0m。

该节制闸工程的消能防冲计算人机对话界面，见图3～5。经消能计算，消力池池深d=0.117m，池长L=7.8m，故消力池长度取为8m，池深取为0.5m。

3 水闸设计多方案模拟选优

水闸优化设计用计算机辅助设计系统进行多方案模拟选优。

江苏某单孔净宽4m节制闸设计中，初选总体布置方案中考虑了2种不同的闸门结构型式（直升式平面钢闸门、升卧式平面钢闸门）、2种不同的消能防冲设计（挖深式消力池、尾坎式消力池）以及2种不同的工程防渗结构形式（水平防渗铺盖、铺盖加垂直防渗体），共8种组合的设计方案。采用计算机辅助设计系统分别对该8个方案进行了模拟计算，主要计算每个方案的工程造价、主要技术参数（抗滑稳定、抗倾稳定与防渗安全、消能防冲效果、结构计算等）、外观设计等指标，最终通过专家会议评审对该8个方案进行比选，确定了满足功能和安全要求、经济最省的方案。

图3 消能防冲计算人机对话界面（a）

图4 消能防冲计算人机对话界面（b）

图5 消能防冲计算人机对话界面（c）

通过本系统软件模拟优选确定该方案为：底板顶高程-1.0m，闸顶高程6.0m，底板顺水流方向长度11m，闸底板厚0.8m，采用升卧式平面钢闸门，闸门顶高程4.9m，上游侧设8m长钢筋混凝土防渗铺盖，下游侧设置长8m、池深0.5m的钢筋混凝土挖深式消力池。

4 结论

本系统软件以W indows9x/2000/xp作为操作平台，以Visual Basic 6.0作为主要开发工具，在水利工程CAD二次开发软件方面进行了积极的探索与尝试，开发了适用于平原河网地区的水闸计算机辅助设计系统。本系统涉及九个模块，鉴于开发时间及人力精力有限，着重开发了闸室稳定计算与消能防冲计算辅助设计模块。本文通过消能防冲模块的应用实现了水闸消能防冲设计的多方案综合比选，大幅提升了工程设计效率。

水闸计算机辅助设计系统投入运行之后，将存在纠正性、适应性、完善性及预防性等多方面维护工作量。为了丰富和完善水闸CAD模块系统，今后将进一步加强对数据库建立功能、开展集合数据引入程序计算、图形输出具备尺寸分析标注功能以及有效维护数据一致性和完整性等方面的研究和探讨。

［1］刘彬彬，安剑.Visual Basic从入门到精通［M］.第二版.北京：清华大学出版社，2010.

［2］马涛，刘仔旭，宋亮.中小型水库管理自动化系统技术研究［J］.水利技术监督，2008（06）.

［3］吴娟.水闸辅助设计系统的初步开发与应用［D］.河海大学，2005.

［4］俞建.平面闸门可视化 CAD集成系统研究［D］.河海大学，2004.

［5］李梦黎.交互式力学图形生成系统（MCAD）［M］.大连：大连理工大学出版社，2004.

［6］陈宝华，张世儒.水闸［M］.北京：中国水利水电出版社，2003.

［7］景作定，方建军，徐宏海.计算机辅助设计与工程分析［M］.北京：化学业出版社，2002.

［8］董正言.面向对象程序设计［M］.北京：清华大学出版社，2010.

［9］张晋西.Visual Basic与AutoCAD二次开发［M］.北京：清华大学出版社，2002.

［10］ SL265-2001.水闸设计规范［S］.

［11］萧枫，尧远.Visual Basice实用技术精粹［M］.北京：人民邮电出版社，1999.