杜震宇，陳 軍，謝金元，劉 躍

（中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072）

0 前 言

豎井旋流內(nèi)消能工是一種新型消能方式，通常利用前期導(dǎo)流洞改建而成，具有布置靈活、消能率高、地形地質(zhì)條件適應(yīng)性強等優(yōu)點［1-5］。另一方面，豎井內(nèi)螺旋式水流水力學(xué)指標難以測量及分析，上平洞段與渦室岔口、豎井與導(dǎo)流洞交叉口水力學(xué)體型難以確定和清晰表達，并且，其與前期導(dǎo)流洞結(jié)合部位改建施工也較為繁瑣［5-10］。

兩河口水電站為雅礱江中下游的“龍頭”水庫，采用壩式開發(fā)，最大壩高295.00 m，校核洪水位2 870.36 m，電站裝機3 000 MW。工程泄洪系統(tǒng)由洞式溢洪道、深孔泄洪洞、豎井旋流泄洪洞和放空洞組成，均布置左岸。豎井旋流泄洪洞為利用3號導(dǎo)流洞改建而成的非常泄洪洞，最大泄量約1 200 m3/s，具有水頭高、泄量大等特點。根據(jù)施工進度安排，由3號導(dǎo)流洞改建豎井旋流泄洪洞的設(shè)計及施工周期均較短，為實現(xiàn)2021年首臺機組蓄水發(fā)電的目標，滿足三維可視化要求并提升設(shè)計效率，應(yīng)加強豎井旋流泄洪洞設(shè)計的規(guī)范化、可視化和一體化建設(shè)。鑒此，本文基于兩河口水電站，對豎井旋流泄洪洞一體化設(shè)計技術(shù)進行了初探，以期為類似工程提供一定參考。

1 一體化設(shè)計方案

1.1 架 構(gòu)

結(jié)合豎井旋流泄洪洞設(shè)計的內(nèi)容和特點，將一體化設(shè)計技術(shù)定義為一種能由工程師進行水力學(xué)、結(jié)構(gòu)、施工仿真設(shè)計且能有效指導(dǎo)現(xiàn)場施工的一種方法，具有智能化、標準化、可視化、體系化和規(guī)范化等特點。豎井旋流泄洪洞一體化設(shè)計應(yīng)包含水力學(xué)仿真計算模塊、結(jié)構(gòu)計算模塊、仿真建造反饋模塊和三維交付模塊（見圖1）。

圖1 一體化設(shè)計模塊

1.2 方案和平臺

結(jié)合豎井泄洪洞水力學(xué)優(yōu)化、結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工仿真需求和特點，在查閱文獻的基礎(chǔ)上，提出了三個方案，即傳統(tǒng)方案、獨立方案、Workbench方案。經(jīng)充分對比分析后，從經(jīng)濟性、效率性、技術(shù)性、規(guī)范化等方面綜合分析，最終采用Workbench方案作為一體化設(shè)計方案，并充分利用集合在ANSYS Workbench平臺內(nèi)的各計算軟件，及平臺自帶的內(nèi)部信息傳導(dǎo)機制。

1.3 流 程

一體化設(shè)計包含水力學(xué)仿真計算、結(jié)構(gòu)計算、仿真建造反饋、三維交付四大模塊。其中水力學(xué)仿真計算模塊充分利用了ANSYS Workbench平臺內(nèi)的ICEM、FLUENT和CFD-POST三款軟件分別進行的網(wǎng)格剖分、數(shù)值求解和后處理，另一方面該模塊還充分利用了ANSYS Workbench集成平臺內(nèi)各軟件之間的流場信息傳遞；不同結(jié)構(gòu)體型只需進行一次參數(shù)化建模，就可以達到自動剖分網(wǎng)格，然后再進行不同結(jié)構(gòu)體型的水力學(xué)數(shù)值計算和后處理。具體水力學(xué)仿真分析流程見圖2。

圖2 水力學(xué)仿真流程

結(jié)構(gòu)設(shè)計模塊的功能及目標是根據(jù)水力學(xué)推薦的體型先采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法進行簡化粗算，后選取結(jié)構(gòu)較為特殊復(fù)雜部位利用ANYS Mechanics有限元精算，結(jié)構(gòu)設(shè)計流程見圖3。

圖3 結(jié)構(gòu)設(shè)計流程

施工仿真模塊的功能及目標是根據(jù)水力學(xué)和結(jié)構(gòu)計算成果，在CATIA平臺中仿真“建造”豎井旋流泄洪洞三維模型，并根據(jù)現(xiàn)場實際情況初步明確一期修建邊界、二期改建部分及一期與二期的結(jié)合問題，使用CATIA軟件的包絡(luò)體建模、布爾運算、隱藏與顯示等功能，通過顯示不同時刻建造的形象面貌，從而實現(xiàn)仿真“建造”豎井旋流泄洪洞過程，并采用錄屏軟件顯示施工過程，用以指導(dǎo)現(xiàn)場施工。三維交付模塊功能及目標是通過采用仿真（CFD-POST后處理軟件、Mechanics后處理）及CATIA軟件新工具，提供可視可感的三維數(shù)字化成果，達到輕量化、可視化的效果，并有效指導(dǎo)現(xiàn)場施工和管理。

在水電工程設(shè)計中，CATIA依靠其強大的建模功能和便捷的協(xié)同數(shù)據(jù)管理模式，被作為開展三維設(shè)計的建模軟件，而ANSYS Workbench依靠友好的人機交互界面和完善的多物理場計算能力，使其在數(shù)值分析工程領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。ANSYS Workbench本身的建模功能雖然較傳統(tǒng)的ANSYS APDL有所加強，但相比專業(yè)的三維設(shè)計軟件，在建模效率上仍有很大差距。一體化設(shè)計技術(shù)的關(guān)鍵在于兩者之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的雙向傳遞并互相驅(qū)動，各模塊間的信息傳遞情況見圖4。信息傳遞與統(tǒng)籌本質(zhì)為通過一種參數(shù)化、信息化的三維模型，貫穿豎井旋流泄洪洞一體化設(shè)計全生命周期。

圖4 各模塊間的信息傳遞

2 一體化設(shè)計成果

首先，在CATIA中建立兩河口豎井旋流泄洪洞的參數(shù)化模型，然后導(dǎo)入ANSYSWorkbench平臺內(nèi)嵌的ICEM軟件進行網(wǎng)格剖分，再導(dǎo)入ANSYSWorkbench平臺內(nèi)嵌的FLUENT軟件進行水力學(xué)仿真計算。通過對初擬體型進行數(shù)值模擬研究成果發(fā)現(xiàn)，初擬體型的渦室渦井存在水流在渦室頂部有一定的壅高，最高點已經(jīng)達到豎井頂蓋，頂部將無法保證有效通氣，此外豎井收縮段及豎井下部壁面壓強較小，存在水流空化數(shù)較低等問題（見圖5）。

圖5 初擬體型校核工況下渦室流態(tài)

鑒此，對渦室渦井體型進行了多次優(yōu)化，包括將渦室頂部由原來的2 852 m高程抬高至2 865 m高程，增加收縮段長度至30 m，將豎井底板抬高到2 710 m高程等；并通過豎井旋流泄洪洞一體化設(shè)計技術(shù)，在CATIA修改中參數(shù)化模型得到優(yōu)化體型，經(jīng)網(wǎng)格剖分后導(dǎo)入FLUENT軟件再次進行仿真計算，如此循環(huán)得到推薦體型（見圖6）。數(shù)模成果表明，校核工況下渦室最大瞬時水面高程2 850.72 m；環(huán)狀水躍發(fā)生高程約2 767.5 m，渦室渦井壁面壓強見圖7，豎井壁面水流空化數(shù)見表1（均大于0.3）。經(jīng)專家評審，校核工況下，水流流態(tài)、壁面壓強及空化數(shù)等均能滿足規(guī)范要求。

表1 豎井壁面水流空化數(shù)

圖6 推薦體型校核工況下渦室流態(tài)

圖7 P～h關(guān)系曲線

在得到兩河口豎井旋流泄洪洞推薦水力學(xué)體型后，將推薦體型的CATIA模型（同一個模型）導(dǎo)入ANSYSMechanics中進行結(jié)構(gòu)計算。通過ANSYS豎井結(jié)構(gòu)與前期導(dǎo)流洞結(jié)構(gòu)結(jié)合段結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算成果可知，襯砌最大拉應(yīng)力為0.06 MPa，最大壓應(yīng)力為-3.6 MPa，均未超過混凝土抗拉/抗壓強度設(shè)計值，采用相關(guān)配筋后能滿足規(guī)范要求，襯砌內(nèi)力及裂縫開展寬度可控。

從便于現(xiàn)場實施的角度，在CATIA軟件中對豎井旋流泄洪洞三維模型進行了重構(gòu)，并重新對一期、二期混凝土進行了定義，形成了改建仿真施工的方案。一期和二期混凝土不同時刻的施工形象面貌分別見圖8和圖9。最后形成并交付的產(chǎn)品包含：①豎井旋流泄洪水力學(xué)仿真試驗?zāi)M動畫（整體及局部）；②豎井旋流泄洪洞結(jié)構(gòu)計算算稿；③豎井旋流泄洪洞結(jié)構(gòu)圖、鋼筋圖（含大量三維軸測）等；④豎井旋流泄洪洞施工仿真建造視頻；⑤輕量化可隨時查看的3D Composer模型。

圖8 不同時刻的一期混凝土施工形象示意

圖9 不同時刻的二期混凝土施工形象示意

3 效益分析

采用本文所述的一體化設(shè)計方法進行測算，其中參數(shù)化水力學(xué)仿真試驗（ANSYS Workbench的ICEM、FLUENT、CFD-POST）需要50天，成本需10萬元，結(jié)構(gòu)計算需要15天，成本需3萬元；采用BIM軟件輔助設(shè)計需10天，成本需2萬元；采用BIM軟件進行豎井旋流泄洪洞仿真建造設(shè)計需要5天，成本需1萬元。綜上，采用一體化設(shè)計的總費用為16萬元，總設(shè)計周期80天。若采用傳統(tǒng)方案，即采用傳統(tǒng)模型試驗+EXCEL表格結(jié)構(gòu)計算+AUTO CAD設(shè)計出圖，經(jīng)測算需要總費用45萬元，總設(shè)計周期210天。若采用獨立方案，即采用多軟件獨立進行水力學(xué)仿真試驗（FLOW 3D）+結(jié)構(gòu)計算（ANSYS Mechanics）+AUTO CAD設(shè)計出圖，經(jīng)測算總費用為32萬元，總設(shè)計周期160天。鑒此，采用豎井旋流泄洪洞一體化設(shè)計技術(shù)，可以大大節(jié)約時間并創(chuàng)造良好經(jīng)濟效益。

4 結(jié) 語

兩河口水電站的豎井旋流泄洪洞一體化設(shè)計技術(shù)采用基于CATIA+ANSYSWorkbench平臺的水力學(xué)仿真試驗+結(jié)構(gòu)計算+仿真建造+三維交付的方法，其充分利用了Workbench平臺內(nèi)嵌套的各軟件之間的數(shù)據(jù)雙向傳遞和驅(qū)動功能，實現(xiàn)了信息貫穿一體化設(shè)計周期。另外，水力學(xué)仿真可得旋流式流道內(nèi)輪廓，然后計算結(jié)構(gòu)襯砌和配筋，再利用計算模型進行仿真建造及三維交付。該技術(shù)使豎井的復(fù)雜體型和結(jié)構(gòu)變得可觸可感，實現(xiàn)了可視化設(shè)計。由于作者研究范圍所限，本文僅在Workbench平臺實現(xiàn)了初步功能，但并不能適用平臺以外的軟件，其功能還有待進一步完善。