AutoLISP在黃河下游引黃涵閘閘室設(shè)計中的應(yīng)用

鄭釗 薛志強(qiáng) 王鳳群 王偉鋒

摘 要：為了提高黃河下游引黃涵洞式水閘閘室設(shè)計質(zhì)量與效率，采用基于AutoLISP的AutoCAD二次開發(fā)技術(shù)編寫涵洞式閘室設(shè)計程序，實現(xiàn)在輸入有限設(shè)計參數(shù)的情況下，自動繪制涵洞式閘室三維模型并生成工程量、循環(huán)計算多工況閘室荷載、生成多工況涵閘滲流穩(wěn)定計算結(jié)果及閘室穩(wěn)定計算結(jié)果。以黃河下游典型穿堤引黃涵閘趙口閘為例，展示了該設(shè)計程序在涵洞式閘室設(shè)計應(yīng)用中的便利性與實用性。

關(guān)鍵詞：涵洞式閘室;AutoLISP;滲流穩(wěn)定計算;閘室穩(wěn)定計算;黃河下游

中圖分類號：TV222.1;TV882.1 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.12.031

引用格式：鄭釗，薛志強(qiáng)，王鳳群，等.AutoLISP在黃河下游引黃涵閘閘室設(shè)計中的應(yīng)用[J].人民黃河，2021，43（12）：150-154，159.

Abstract： In order to improve the design quality and efficiency of culvert-sluice chamber in the Lower Yellow River， using AutoLISP-based AutoCAD secondary development technology to compile the design program of culvert-sluice chamber， realized when entering the limited design parameters， the program could automatically draw chamber’s 3D model and generate engineering quantity， and the program could calculate chamber’s load of multi-working condition cyclically， generate the seepage stability calculation results and the chamber stability calculation results of multi-working condition. Taking Zhaokou sluice（a typical culvert-sluice in the lower Yellow River） as an example， it showed the convenience and practicality of the program in the design of culvert-sluice chamber.

Key words： culvert-sluice chamber; AutoLISP; seepage flow stability computation; chamber stability computation; Lower Yellow River

1 引 言

隨著小浪底水庫持續(xù)運用，黃河下游河床沖刷下切，黃河下游引黃涵閘引水條件與設(shè)計情況相比發(fā)生了很大變化，導(dǎo)致部分引黃涵閘引水困難，甚至無法引水，對黃河下游兩岸地區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展造成不利影響。自2016年起，黃委組織相關(guān)部門開展黃河下游引黃涵閘改建工作，經(jīng)現(xiàn)場查勘與技術(shù)論證，確定需要拆除重建的引黃涵閘共計48座，其中河南河段18座、山東河段30座。待拆除重建的引黃涵閘多為穿黃河大堤、控導(dǎo)工程涵洞式水閘，閘室布置是否合理、閘室穩(wěn)定與否不僅關(guān)系到涵閘自身的安全，也關(guān)系到黃河大堤等防洪工程的安全。因此，保障黃河下游引黃涵閘閘室穩(wěn)定是改建設(shè)計工作的關(guān)鍵內(nèi)容之一。

根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL 265—2016）[1]要求，閘室穩(wěn)定需要同時滿足3項控制性指標(biāo)：①抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)大于規(guī)范要求;②閘室基底應(yīng)力應(yīng)小于地基允許承載力，這是判別是否需要對閘基進(jìn)行處理的關(guān)鍵依據(jù);③閘室基底應(yīng)力最大值與最小值之比應(yīng)小于規(guī)范要求。黃河下游引黃涵閘典型閘室由閘底板、閘墩、胸墻、閘墩間撐梁等構(gòu)件組成，閘室上部布置工作橋以及啟閉機(jī)室。設(shè)計人員以往需要不斷調(diào)整各閘室構(gòu)件尺寸及相對位置關(guān)系，反復(fù)計算上述3項控制性指標(biāo)，以尋求滿足規(guī)范要求的較優(yōu)閘室布置方案。目前，閘室穩(wěn)定計算大多采用傳統(tǒng)的Excel建表方式，效率較低、可視性差且校核不便，加之涵閘閘前控制水位變幅較大、閘室布置方案復(fù)雜多變，Excel建表計算已不能滿足新形勢下黃河下游涵洞式閘室設(shè)計工作的需求，亟須尋找新的計算手段，提高閘室設(shè)計質(zhì)量與效率。已有學(xué)者就此做了大量值得借鑒的工作，如李楊紅等[2]開發(fā)了水閘設(shè)計計算軟件，該軟件包含閘室穩(wěn)定分析、底板結(jié)構(gòu)計算等多個功能程序模塊，實現(xiàn)了閘室自動化設(shè)計;密新武等[3]開發(fā)了單孔涵閘CAD軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以生成單孔涵閘平面圖、剖面圖以及主要工程量，有效縮短了涵閘設(shè)計周期;傅朝康等[4]采用ABAQUS三維有限元軟件建立閘站三維有限元模型，對3種工況進(jìn)行了閘站抗滑穩(wěn)定、閘站結(jié)構(gòu)位移以及地基應(yīng)力分析，準(zhǔn)確直觀反映了閘站結(jié)構(gòu)的真實情況。但現(xiàn)有研究成果主要存在2個問題：①基本都依據(jù)舊版《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL 265—2001）開展研究;②已開發(fā)的水閘設(shè)計程序需要手動輸入大量參數(shù)和主要荷載，自動化程度稍差，不適用于黃河下游較為特殊的閘室結(jié)構(gòu)及設(shè)計工況。

筆者主要依據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL 265—2016），針對黃河下游涵洞式水閘閘室，采用AutoLISP二次開發(fā)語言編寫了涵洞式水閘閘室設(shè)計程序，實現(xiàn)了快速繪制涵洞式閘室三維模型、計算多工況滲流穩(wěn)定系數(shù)、閘室穩(wěn)定系數(shù)以及閘室基底應(yīng)力等，以期為黃河下游引黃涵閘改建工程設(shè)計提供有效技術(shù)支撐。

2 AutoLISP二次開發(fā)語言的特點

AutoLISP是AutoCAD R13及更高版本所內(nèi)嵌的基礎(chǔ)性二次開發(fā)語言工具，不僅具有算術(shù)運算、邏輯運算、字符處理、輸入輸出等高級語言常備功能，還具有圖形擴(kuò)展功能。AutoLISP語言可直接調(diào)用幾乎全部的AutoCAD命令，算法簡捷、表達(dá)能力強(qiáng)、函數(shù)種類多、程序控制結(jié)構(gòu)靈活。用戶可以把AutoLISP和AutoCAD的繪圖命令有機(jī)結(jié)合起來，使設(shè)計、繪圖、計算三者完全融為一體，還可以利用AutoLISP語言編程對AutoCAD當(dāng)前圖形數(shù)據(jù)庫進(jìn)行直接訪問和修改，為實現(xiàn)對屏幕圖形的實時修改、交互設(shè)計、參數(shù)化設(shè)計以及人工智能在繪圖領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了方便。AutoLISP由于綜合了LISP人工智能語言特性和AutoCAD圖形編輯功能，可謂是一種人工智能繪圖語言，因此在水利工程中得到了廣泛應(yīng)用[5-10]。

3 閘室設(shè)計程序開發(fā)

所開發(fā)涵洞式閘室設(shè)計程序流程見圖1。

3.1 設(shè)計參數(shù)輸入

黃河下游引黃涵閘閘室安全穩(wěn)定的控制性因素主要有建筑物各構(gòu)件尺寸、相對位置關(guān)系以及對外部荷載的合理分配。因此，需要輸入的設(shè)計參數(shù)包括：閘孔數(shù)量、閘室后穿堤涵洞長度，閘孔、閘底板、中墩、邊墩、縫墩、閘門槽、胸墻、機(jī)架橋等構(gòu)件尺寸和相對位置關(guān)系，啟閉機(jī)、閘門、金屬埋件等自重，上下游特征水位，地震設(shè)計烈度、動態(tài)分布系數(shù)等地震設(shè)計參數(shù)，胸墻后填土以及地基土體相關(guān)參數(shù)。設(shè)計參數(shù)輸入以Excel辦公軟件為載體，參數(shù)輸入完畢以備AutoLISP程序讀取。需要說明的是，對于單聯(lián)水閘，閘室不需要分縫，此時不需要輸入縫墩尺寸，僅需輸入閘室兩側(cè)邊墩與中墩尺寸;對于多聯(lián)水閘，閘室分縫處閘墩（縫墩）結(jié)構(gòu)形式往往異于邊墩或中墩，此時需根據(jù)具體情況，輸入閘室兩側(cè)邊墩、中墩與縫墩尺寸。

3.2 計算工況及荷載組合

根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL 265—2016），結(jié)合黃河下游涵閘實際情況，確定了2種荷載組合及6種計算工況。荷載組合分別為：①基本組合，包括完建期、設(shè)計引水位、最高運用水位以及設(shè)計防洪水位4種計算工況;②特殊組合，包括校核防洪水位與設(shè)計引水位+地震2種計算工況。各荷載組合及計算工況見表1。

開發(fā)的AutoLISP閘室設(shè)計程序可以根據(jù)上游水位自動識別并確定計算工況，若待改建涵閘為穿黃河大堤建筑物，則需分析表1中的6種工況，此時，需輸入設(shè)計引水位、最高運用水位、設(shè)計防洪水位以及校核防洪水位;若待改建涵閘為穿控導(dǎo)工程連壩建筑物（一般為與穿堤閘配套的渠首閘），僅需輸入設(shè)計引水位與最高運用水位，程序能夠自動忽略設(shè)計防洪水位與校核防洪水位這2種工況的相關(guān)計算。

閘室自重主要包括閘底板、閘墩、閘墩間撐梁、機(jī)架橋、啟閉機(jī)、閘門、胸墻后填土等自重。閘室水重根據(jù)閘門啟閉狀態(tài)確定，設(shè)計防洪水位與校核防洪水位這2種計算工況下閘門關(guān)閉，閘門后閘室按無水考慮。閘室滲透壓力根據(jù)改進(jìn)阻力系數(shù)法（詳見文獻(xiàn)[1]附錄C）計算成果確定。胸墻后填土土壓力采用朗肯主動土壓力公式（詳見文獻(xiàn)[1]附錄D）計算。設(shè)計防洪水位、校核防洪水位兩種計算工況考慮閘門門前淤沙，泥沙淤積高度按相應(yīng)水深1/3考慮。采用AutoLISP語言編寫上述各種荷載計算功能函數(shù)，以備主程序調(diào)用。

3.3 涵閘滲流穩(wěn)定計算

黃河下游穿堤涵閘滲流穩(wěn)定計算至關(guān)重要，不僅可以驗證穿堤涵閘防滲體系能否滿足規(guī)范要求，還能為閘室穩(wěn)定計算提供滲透壓力荷載。黃河下游穿堤涵閘主要由防滲鋪蓋、閘室、閘室后穿堤涵洞、消能建筑物組成，其中防滲鋪蓋、閘室、閘室后穿堤涵洞構(gòu)成防滲體系。本研究主要針對閘室設(shè)計，但是為了開展?jié)B流穩(wěn)定計算，并獲取閘室底部滲透壓力，輸入設(shè)計參數(shù)時也需要輸入鋪蓋長度、涵洞長度以及齒墻尺寸等防滲體系關(guān)鍵參數(shù)。

依據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL 265—2016）附錄C提供的改進(jìn)阻力系數(shù)法，編寫計算進(jìn)出口段、水平段、垂直段等阻力系數(shù)功能函數(shù)，可自動計算多工況防滲體系各部位滲透壓力以及出口段滲流坡降，并生成Excel表格供檢驗校核。

3.4 閘室穩(wěn)定計算

4 實例應(yīng)用

以河南鄭州趙口引黃涵閘為例，說明筆者開發(fā)程序在黃河下游涵洞式閘室設(shè)計應(yīng)用中的便利性與實用性。趙口閘位于黃河下游右岸大堤樁號42+675處，趙口險工40垛與41垛之間，為典型的黃河下游穿堤涵閘。該閘設(shè)計引水流量210 m3/s（大I型，1級水工建筑物），本次改建方案為兩聯(lián)14孔箱型涵洞式水閘，其中10孔為趙口引黃灌區(qū)供水，供水流量150 m3/s。閘底板高程79.70 m，閘室單孔凈寬3.00 m，穿堤涵閘全長168.00 m（其中防滲體系水平長度為110.00 m）。閘室基底面與地基之間的摩擦系數(shù)為0.30。地震設(shè)計烈度7度，水平向設(shè)計地震加速度代表值ah取0.98，地震作用的效應(yīng)折減系數(shù)ξ取0.25。閘室分左、右兩聯(lián)，每聯(lián)7孔，邊墩頂部寬度為1.20 m，底部寬度為2.00 m，縫墩頂部寬度與底部寬度均為0.90 m。

設(shè)計引水位為82.57 m，最高運用水位為88.70 m，設(shè)計防洪水位為90.40 m，校核防洪水位為91.40 m。需對表1所列舉6種工況進(jìn)行閘室穩(wěn)定分析。將趙口閘左聯(lián)閘室關(guān)鍵參數(shù)輸入Excel表格，生成特定格式數(shù)據(jù)文本，運行AutoLISP程序即可讀取文本開始繪圖、計算，閘室部分關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)見表2。

4.1 三維模型繪制及工程量生成

利用已開發(fā)AutoLISP程序讀取設(shè)計參數(shù)文本即可瞬時生成閘室三維模型并輸出閘室主體工程量，趙口引黃涵閘左聯(lián)閘室三維模型見圖2。

4.2 滲流穩(wěn)定計算結(jié)果生成

開發(fā)的AutoLISP程序可以循環(huán)生成設(shè)計引水位、最高運用水位、設(shè)計防洪水位和校核防洪水位4種工況下的滲流穩(wěn)定計算結(jié)果，限于篇幅，在此僅列舉校核防洪水位滲流穩(wěn)定計算結(jié)果，見表3。同時輸出水平段滲透坡降J水平=0.15，出口段滲透坡降J出口=0.48。

4.3 閘室穩(wěn)定計算成果生成

趙口閘為典型的穿黃河大堤涵閘，利用開發(fā)程序?qū)ν杲ㄆ?、設(shè)計引水位、最高運用水位、設(shè)計防洪水位、校核防洪水位及設(shè)計引水位+地震6種工況進(jìn)行閘室穩(wěn)定計算。在此僅列舉設(shè)計引水位+地震工況全部荷載計算結(jié)果（見表4）與閘室穩(wěn)定計算結(jié)果（見表5）。

4.4 計算結(jié)果討論

趙口引黃涵閘6種工況閘室穩(wěn)定計算結(jié)果見表6。

由表6可知，除設(shè)計防洪水位、校核防洪水位2種工況下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL 265—2016）要求外，其他工況閘基應(yīng)力不均勻系數(shù)和抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)都滿足要求。說明閘室布置存在不合理性，需進(jìn)一步優(yōu)化，如調(diào)整閘門門槽位置、增加2種工況閘室水重，以滿足抗滑穩(wěn)定要求。此時僅需優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，重新運行AutoLISP程序，直至6種工況所有控制性指標(biāo)都滿足規(guī)范要求為止。

為驗證AutoLISP程序計算結(jié)果可信，采用Excel建表對程序計算結(jié)果進(jìn)行復(fù)核，其中閘室穩(wěn)定Excel建表計算結(jié)果見表7。

經(jīng)對比，兩種方法滲流穩(wěn)定計算結(jié)果基本一致，而閘室穩(wěn)定計算結(jié)果略有差異，但此差異可以忽略不計。出現(xiàn)差異是采用Excel建表計算閘室穩(wěn)定時沒有建立閘室三維模型，計算各構(gòu)件自重時精確性稍差所致。綜上，AutoLISP程序計算精度完全可以滿足設(shè)計需求。此外，應(yīng)用本研究所開發(fā)程序時，參數(shù)輸入一旦完成，運行程序完成趙口閘三維建模以及6種工況分析計算僅需30 s，且優(yōu)化設(shè)計方案僅需調(diào)整相關(guān)參數(shù)即可。整體而言，AutoLISP程序擁有手動制圖、Excel建表計算所無可比擬的高效率。

5 結(jié) 語

基于AutoLISP的AutoCAD二次開發(fā)技術(shù)可以有效應(yīng)用于黃河下游涵洞式閘室設(shè)計中，所開發(fā)涵洞式閘室設(shè)計程序可使設(shè)計人員從繁瑣復(fù)雜的繪圖、計算、修改工作中解放出來，集中精力開展閘室布置優(yōu)化工作，為黃河下游涵洞式閘室改建提供一種較為高效便利的設(shè)計方法。此外，AutoLISP語言具有繪圖與計算有機(jī)融合的特性，建議將其與黃河下游工程設(shè)計實際工作相結(jié)合，優(yōu)化設(shè)計思路，改進(jìn)設(shè)計方法，提高設(shè)計質(zhì)量。

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【責(zé)任編輯 栗 銘】