用于抽水蓄能电站库盆开挖建坝的设计与评价方法与流程

1.本发明涉及一种设计与评价方法，尤其是涉及一种用于抽水蓄能电站库盆开挖建坝的设计与评价方法，属于水利水电工程建造工艺技术领域。


背景技术：

2.为了实现“双碳”目标，提高电网的稳定性、安全性及经济性，具有调峰、填谷、调频、调相、事故备用、黑启动等功能的抽水蓄能电站迎来了良好的发展机遇。为了适应电网需求，抽蓄电站选址范围受限，尤其是负荷侧抽蓄站址常位于大城市周边，许多站址不具备修建混凝土坝的地质条件，故时常采用钢筋混凝土面板当地材料坝，它上游坝坡较陡进而侵占库容较小，下游坝坡根据料源情况灵活调整；在库盆天然库容的基础上开挖一部分有效库容以满足抽蓄电站调节库容要求，同时将开挖料按物理力学性能优劣分区填筑在坝体相应区域及死水位以下是较为经济的方案。但受环境保护、基本农田、公益林等限制，要求尽量减少征地范围，不专设渣场，做到挖填平衡，即开挖的土石料刚好满足坝体及死水位以下填筑要求，没有多余的弃渣，达到绿色环保要求。抽蓄电站常要求在较短的设计周期内提出科学合理的设计成果，但挖填平衡常占用大量的设计时间，原因在于目前尚缺少方便快捷的挖填平衡设计方法，以及较为科学的库盆特性评价参数。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是：提供一种能较快的实现坝体、开挖工作量以及开挖平衡性判别的用于抽水蓄能电站库盆开挖建坝的设计与评价方法。
4.为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种用于抽水蓄能电站库盆开挖建坝的设计与评价方法，所述的设计与评价方法以勘探资料和建站参数指标为基础，先在bim平台上分别建立钢筋混凝土面板当地材料坝体模型、开挖坡体模型，然后分别给坝体模型赋值输入控制参数、设计参数获得建坝填筑工程量和给开挖坡体模型依据地质调查资料、勘探数据资料赋值及料区分类获得开挖工程量和开挖调节库容量，最后依据开挖效率、有效开挖库容判别和挖填平衡判别比选确定库址，完成大坝设计，
5.其中，钢筋混凝土面板当地材料坝体模型通过调用钢筋混凝土面板当地材料坝模板建立，开挖坡体模型通过调用开挖模板建立，
6.开挖效率按有效开挖系数≥0.5，开挖效率＝优；0.5＞有效开挖系数≥0.4，开挖效率＝中；有效开挖系数＜0.4，开挖效率＝差予以赋值确定，
7.有效开挖库容判别按有效开挖库容+天然调节库容-调节库容≥0，有效开挖库容判别＝满足要求；有效开挖库容+天然调节库容-调节库容＜0，有效开挖库容判别＝不满足要求予以赋值判定，
8.挖填平衡判别按坝料a区工程量
×
0.1≥坝料a区盈余≥0且坝料b区工程量
×
0.1≥坝料b区盈余≥0，则挖填平衡判别＝平衡；否则挖填平衡判别＝不平衡予以赋值判定。
9.进一步的是，有效开挖系数按下述公式计算获得，有效开挖库容/总开挖工程量＝
有效开挖系数；有效开挖库容按下述公式计算获得，有效开挖库容＝调节库容-天然调节库容；调节库容依据装机容量、死水位以及给定的正常蓄水位在建站参数指标中确定；勘探资料至少包括等高线下的地质钻孔探明的地质条件。
10.上述方案的优选方式是，在bim平台上建立钢筋混凝土面板当地材料坝模板是按下述步骤进行的，
11.a参数准备，先按建站参数指标建立坝高不超过350m的相应类型大坝的参数，
12.b输入元素准备，输入坐标形式任意新建两个点a、b，通过这两个点的x、y坐标确定其平面位置，z坐标取代表坝顶高程的同一个数值，连接a、b建立一根直线作为坝轴线，以坝轴线位置的垂直面作为支持面作一个草图，具体过程为，先作一根高程低于坝轴线但与坝轴线距离小于350m的水平线，然后将该水平线的两个端点分别与a点、b点连接，之后将该草图沿法向向两侧各拉伸3000m形成一个假象地形面；将坝轴线、a点、地形面进行隔离保留作为新建大坝三维模板的输入元素，然后删除上述其他建模过程，
13.c建模过程：过a点作坝轴线的法向面，然后以该法向面为支持面，a点为坐标原点，建立大坝典型剖面草图，将步骤a中的设计参数及预制参数赋值给草图中对应的标注项目；将草图中从上游至下游的每个坝料分区轮廓输出并命名；将每个坝料分区轮廓沿坝轴线扫略形成实体，并用地形剪切，形成对应坝料分区的输出成果，并将其体积提取赋值给步骤a中的工程量参数，
14.d模板封装，将坝轴线、a点、地形面作为模板输入元素，各剪切后的坝料分区作为输出元素，发布步骤a中的设计参数，并将a点名字更改为坝轴线端点，
15.e模板调用，准备一个实际的三维地形面，以及一根形状为直线、曲线或折线的坝轴线，坝轴线的两端应伸入地形里面，坝轴线的高程为坝顶高程；调用模板，依次选取坝轴线、坝轴线的一个端点、地形面即建立了一个钢筋混凝土面板当地材料坝三维模型；调用模板过程中，坝轴线端点选取坝轴线的一个端点，通过单击预览图中的箭头改变方向将大坝上下游方向调整至预想的方向；
16.在电站前期设计阶段，地形面可以是天然地形面；后期设计阶段，则为考虑了坝基开挖后的地形面。
17.进一步的是，参数准备时依据的建站参数指标至少包括设计参数、预置参数和工程量参数，
18.所述的设计参数至少包括含有坝顶宽度、钢筋混凝土面板厚度、垫层区宽、过渡区宽、坝料b区顶宽、坝料b区顶距坝顶以及坝料b区底距坝顶的长度参数和含有上游坝坡坡比、下游坝坡坡比以及坝料b区内坡比的实数参数，
19.所述的预置参数至少包括坝高，
20.所述的工程量参数至少包括坝料a区工程量和坝料b区工程量。
21.上述方案的优选方式是，在bim平台上建立开挖模板是按下述步骤进行的，
22.a)输入元素准备，任意建立一根空间曲线，并提取其一个端点，将空间曲线及曲线端点隔离作为模板输入元素，删除其他建模过程，并将其分别命名为起坡线、起坡线端点，
23.b建模过程，过起坡线端点，建立起坡线的法向面，以法向面为支持面，起坡线端点为坐标原点作一个开挖草图剖面，剖面以坐标原点为起点，每隔高差h设置一级宽3m的马道，每级马道的坡比均为n；将开挖剖面沿起坡线扫略形成一个开挖面，
24.c模板封装，将起坡线、起坡线端点作为模板输入元素，开挖面作为输出元素，发布参数h及n并命名为马道高差、开挖坡比。
25.进一步的是，开挖调节库容量是以新建立的开挖平衡设计参数为依据获得的，在建立开挖平衡设计参数时，至少应包括控制参数、设计参数和判别参数，并对控制参数及设计参数赋初始值，然后再将等高线导入bim平台中生成可编辑的地形面，
26.其中，控制参数至少包括含有正常蓄水位和死水位的长度参数以及含有调节库容的体积参数，
27.设计参数至少包括坝顶距正常蓄水位和终采平台距死水位，
28.判别参数至少包括含有坝料各分区盈余和含有开挖效率、有效开挖库容判别以及挖填平衡判别的字符串参数。
29.上述方案的优选方式是，对开挖边坡模型进行分区是按下述步骤进行的，
30.先将地层自上而下划分为弃渣料区、坝料b区料源、坝料a区料源，并在bim平台中建立弃渣料底面、坝料b区料源底面和坝料a区料源底面，坝料a区料源为主堆石区，决定上游坝坡坡比；坝料b区料源为次堆石区，决定下游坝坡坡比，坝料b区内坡比由坝料a区、坝料b区的协调过渡要求确定；弃渣料区填筑于坝前死库容以下，依据坝料a区、坝料b区、弃渣料区的物理力学性质同时确定了其库盆开挖坡比，并随着勘察设计工作深入，结合探洞成果优化调整坝料及料源分区界面。
31.进一步的是，建立钢筋混凝土面板当地材料坝体模型和天然调节库容是按下述步骤进行的，
32.根据地形地质条件布置坝轴线，坝轴线的z坐标＝正常蓄水位+坝顶距正常蓄水位，调用权利3所述的钢筋混凝土面板当地材料坝模板，建立大坝三维模型，并根据坝料情况修改相应参数，
33.建立两个水平面，高程分别为正常蓄水位、死水位，将这两个水平面与上游坝面、地形面封闭成的区域建立一个实体，提取其体积并命名为“天然调节库容”。
34.上述方案的优选方式是，在计算有效开挖系数时需要先进行料区赋值，其具体过程是，
35.建立一个水平面，其高程＝死水位-终采平台距死水位，以该水平面为支持面，在选择的库盆开挖区作一个开挖起坡线，然后调用开挖模板建立开挖面，之后用坝料b区料源底面将上述开挖面剪切，保留下半部分作为坝料a区料源开挖面，同时提取其顶面线作为坝料b区料源开挖起坡线；同理调用开挖模板建立开挖面，并用弃渣料底面将其剪切，保留下半部分作为坝料b区料源开挖面，同时提取其顶部边线作为弃渣料开挖起坡线；调用开挖模板建立开挖面并用地形面剪切保留下半部分形成弃渣料开挖面；
36.将终采平台、坝料a区料源开挖面、坝料b区料源底面封闭提取其体积并命名为坝料a区开挖量，然后按照规则“坝料a盈余＝坝料a区开挖量-坝料a区工程量”对体积参数“坝料a盈余”赋值；将终采平台、坝料b区料源开挖面、坝料b区料源底面、弃渣料底面封闭提取其体积并命名为坝料b区开挖量，然后按照规则“坝料b盈余＝坝料b区开挖量-坝料b区工程量”对体积参数“坝料b盈余”赋值；将坝料a区开挖面、坝料b区开挖面、弃渣料开挖面结合为一个空间曲面并与正常蓄水位、死水位、地形面封闭提取其体积并命名为有效开挖库容；将坝料a区开挖面、坝料b区开挖面、弃渣料开挖面结合为一个空间曲面并与地形面封闭提取
其体积并命名为总开挖工程量，最后按权利要求2所述公式计算有效开挖系数。
37.进一步的是，在设计大坝时，在抽蓄电站中，对选定的库址而言，假定坝轴线位置是确定的，装机容量、死水位不变的情况下，正常蓄水位、调节库容是相互关联的物理量；当给定正常蓄水位后确定调节库容，同时确定天然调节库容，则有效开挖库容＝调节库容-天然调节库容；
38.通过调整正常蓄水位、死水位及对应的调节库容，然后调整开挖位置及开挖起坡线，选择开挖效率＝优、有效开挖库容判别＝满足要求、挖填平衡判别＝平衡完成设计，具体过程为，开挖效率作为不同库址的比选参数，开挖效率优且达到挖填平衡时造价低的库址即为理想库址。
39.本发明的有益效果是：由于本技术提供的设计与评价方法是以勘探资料和建站参数指标为基础，先在bim平台上分别建立钢筋混凝土面板当地材料坝体模型、开挖坡体模型，然后分别给坝体模型赋值输入控制参数、设计参数获得建坝填筑工程量和给开挖坡体模型依据地质调查资料、勘探数据资料赋值及料区分类获得开挖工程量和开挖调节库容量，最后依据开挖效率、有效开挖库容判别和挖填平衡判别比选确定库址，完成大坝设计。这样，由于在进行坝址选择、大坝坝型设计以及土石方开挖前先进行了开挖效率、有效开挖库容判别和挖填平衡判别的比选，从而在较短的设计周期内提出科学合理的设计成果，大量减少挖填平衡占用的设计时间，提高设计、评价效率和科学性。
附图说明
40.图1为本发明用于抽水蓄能电站库盆开挖建坝的设计与评价方法涉及到的库盆开挖设计平面示意图；
41.图2为本发明用于抽水蓄能电站库盆开挖建坝的设计与评价方法涉及到的库盆开挖设计剖面简化结构示意图；
42.图3为本发明用于抽水蓄能电站库盆开挖建坝的设计与评价方法涉及到的大坝典型剖面简化结构示意图。
43.图中标记为：弃渣料区1、坝料b区料源2、坝料a区料源3、弃渣料底面4、坝料b区料源底面5、坝料a区料源底面6、死水位7、正常蓄水位8、天然调节库容9、有效开挖库容10、开挖起坡线11、开挖工程量12、调节库容h。
具体实施方式
44.如图1、图2、图3所示是本发明提供的一种能较快的实现坝体、开挖工作量以及开挖平衡性判别的用于抽水蓄能电站库盆开挖建坝的设计与评价方法。所述的设计与评价方法以勘探资料和建站参数指标为基础，先在bim平台上分别建立钢筋混凝土面板当地材料坝体模型、开挖坡体模型，然后分别给坝体模型赋值输入控制参数、设计参数获得建坝填筑工程量和给开挖坡体模型依据地质调查资料、勘探数据资料赋值及料区分类获得开挖工程量12和开挖调节库容量，最后依据开挖效率、有效开挖库容判别和挖填平衡判别比选确定库址，完成大坝设计，
45.其中，钢筋混凝土面板当地材料坝体模型通过调用钢筋混凝土面板当地材料坝模板建立，开挖坡体模型通过调用开挖模板建立，
46.开挖效率按有效开挖系数≥0.5，开挖效率＝优；0.5＞有效开挖系数≥0.4，开挖效率＝中；有效开挖系数＜0.4，开挖效率＝差予以赋值确定，
47.有效开挖库容判别按有效开挖库容+天然调节库容-调节库容≥0，有效开挖库容判别＝满足要求；有效开挖库容+天然调节库容-调节库容＜0，有效开挖库容判别＝不满足要求予以赋值判定，
48.挖填平衡判别按坝料a区工程量
×
0.1≥坝料a区盈余≥0且坝料b区工程量
×
0.1≥坝料b区盈余≥0，则挖填平衡判别＝平衡；否则挖填平衡判别＝不平衡予以赋值判定。由于本技术提供的设计与评价方法是以勘探资料和建站参数指标为基础，先在bim平台上分别建立钢筋混凝土面板当地材料坝体模型、开挖坡体模型，然后分别给坝体模型赋值输入控制参数、设计参数获得建坝填筑工程量和给开挖坡体模型依据地质调查资料、勘探数据资料赋值及料区分类获得开挖工程量和开挖调节库容量，最后依据开挖效率、有效开挖库容判别和挖填平衡判别比选确定库址，完成大坝设计。这样，由于在进行坝址选择、大坝坝型设计以及土石方开挖前先进行了开挖效率、有效开挖库容判别和挖填平衡判别的比选，从而在较短的设计周期内提出科学合理的设计成果，大量减少挖填平衡占用的设计时间，提高设计、评价效率和科学性。由于本技术提供的设计与评价方法是以勘探资料和建站参数指标为基础，先在bim平台上分别建立钢筋混凝土面板当地材料坝体模型、开挖坡体模型，然后分别给坝体模型赋值输入控制参数、设计参数获得建坝填筑工程量和给开挖坡体模型依据地质调查资料、勘探数据资料赋值及料区分类获得开挖工程量和开挖调节库容量，最后依据开挖效率、有效开挖库容判别和挖填平衡判别比选确定库址，完成大坝设计。这样，由于在进行坝址选择、大坝坝型设计以及土石方开挖前先进行了开挖效率、有效开挖库容判别和挖填平衡判别的比选，从而在较短的设计周期内提出科学合理的设计成果，大量减少挖填平衡占用的设计时间，提高设计、评价效率和科学性。需要说明的一点是，本技术所述的bim平台是指能够实现参数化三维建模的平台，如catia、3de、revit等，或在上述软件基础上开发的可视化、集成化、人机互动更便捷的全生命周期bim数据管理平台。
49.更为具体的是，有效开挖系数按下述公式计算获得，有效开挖库容/总开挖工程量＝有效开挖系数；有效开挖库容按下述公式计算获得，有效开挖库容＝调节库容-天然调节库容；调节库容依据装机容量、死水位以及给定的正常蓄水位在建站参数指标中确定；勘探资料至少包括等高线下的地质钻孔探明的地质条件。
50.相应的，为了简化建模过程，以及建模后的调用，本技术在bim平台上建立钢筋混凝土面板当地材料坝模板是按下述步骤进行的，
51.a参数准备，先按建站参数指标建立坝高不超过350m的相应类型大坝的参数，
52.b输入元素准备，输入坐标形式任意新建两个点a、b，通过这两个点的x、y坐标确定其平面位置，z坐标取代表坝顶高程的同一个数值，连接a、b建立一根直线作为坝轴线，以坝轴线位置的垂直面作为支持面作一个草图，具体过程为，先作一根高程低于坝轴线但与坝轴线距离小于350m的水平线，然后将该水平线的两个端点分别与a点、b点连接，之后将该草图沿法向向两侧各拉伸3000m形成一个假象地形面；将坝轴线、a点、地形面进行隔离保留作为新建大坝三维模板的输入元素，然后删除上述其他建模过程，
53.c建模过程：过a点作坝轴线的法向面，然后以该法向面为支持面，a点为坐标原点，建立大坝典型剖面草图，将步骤a中的设计参数及预制参数赋值给草图中对应的标注项目；
将草图中从上游至下游的每个坝料分区轮廓输出并命名；将每个坝料分区轮廓沿坝轴线扫略形成实体，并用地形剪切，形成对应坝料分区的输出成果，并将其体积提取赋值给步骤a中的工程量参数，
54.d模板封装，将坝轴线、a点、地形面作为模板输入元素，各剪切后的坝料分区作为输出元素，发布步骤a中的设计参数，并将a点名字更改为坝轴线端点，
55.e模板调用，准备一个实际的三维地形面，以及一根形状为直线、曲线或折线的坝轴线，坝轴线的两端应伸入地形里面，坝轴线的高程为坝顶高程；调用模板，依次选取坝轴线、坝轴线的一个端点、地形面即建立了一个钢筋混凝土面板当地材料坝三维模型；调用模板过程中，坝轴线端点选取坝轴线的一个端点，通过单击预览图中的箭头改变方向将大坝上下游方向调整至预想的方向；
56.在电站前期设计阶段，地形面可以是天然地形面；后期设计阶段，则为考虑了坝基开挖后的地形面。具体来说就是，参数准备时依据的建站参数指标至少包括设计参数、预置参数和工程量参数，
57.所述的设计参数至少包括含有坝顶宽度、钢筋混凝土面板厚度、垫层区宽、过渡区宽、坝料b区顶宽、坝料b区顶距坝顶以及坝料b区底距坝顶的长度参数和含有上游坝坡坡比、下游坝坡坡比以及坝料b区内坡比的实数参数，
58.所述的预置参数至少包括坝高，
59.所述的工程量参数至少包括坝料a区工程量和坝料b区工程量。在bim平台上建立开挖模板是按下述步骤进行的，
60.a)输入元素准备，任意建立一根空间曲线，并提取其一个端点，将空间曲线及曲线端点隔离作为模板输入元素，删除其他建模过程，并将其分别命名为起坡线、起坡线端点，
61.b建模过程，过起坡线端点，建立起坡线的法向面，以法向面为支持面，起坡线端点为坐标原点作一个开挖草图剖面，剖面以坐标原点为起点，每隔高差h设置一级宽3m的马道，每级马道的坡比均为n；将开挖剖面沿起坡线扫略形成一个开挖面，
62.c模板封装，将起坡线、起坡线端点作为模板输入元素，开挖面作为输出元素，发布参数h及n并命名为马道高差、开挖坡比。
63.进一步的，在建模中使用到的参数，以及分区的具体要求如下，
64.开挖调节库容量是以新建立的开挖平衡设计参数为依据获得的，在建立开挖平衡设计参数时，至少应包括控制参数、设计参数和判别参数，并对控制参数及设计参数赋初始值，然后再将等高线导入bim平台中生成可编辑的地形面，
65.其中，控制参数至少包括含有正常蓄水位和死水位的长度参数以及含有调节库容的体积参数，
66.设计参数至少包括坝顶距正常蓄水位和终采平台距死水位，
67.判别参数至少包括含有坝料各分区盈余和含有开挖效率、有效开挖库容判别以及挖填平衡判别的字符串参数。对开挖边坡模型进行分区是按下述步骤进行的，
68.先将地层自上而下划分为弃渣料区1、坝料b区料源2、坝料a区料源3，并在bim平台中建立弃渣料底面4、坝料b区料源底面5和坝料a区料源底面6，坝料a区料源为主堆石区，决定上游坝坡坡比；坝料b区料源为次堆石区，决定下游坝坡坡比，坝料b区内坡比由坝料a区、坝料b区的协调过渡要求确定；弃渣料区填筑于坝前死库容以下，依据坝料a区、坝料b区、弃
渣料区的物理力学性质同时确定了其库盆开挖坡比，并随着勘察设计工作深入，结合探洞成果优化调整坝料及料源分区界面。建立钢筋混凝土面板当地材料坝体模型和天然调节库容是按下述步骤进行的，
69.根据地形地质条件布置坝轴线，坝轴线的z坐标＝正常蓄水位+坝顶距正常蓄水位，调用权利3所述的钢筋混凝土面板当地材料坝模板，建立大坝三维模型，并根据坝料情况修改相应参数，
70.建立两个水平面，高程分别为正常蓄水位、死水位，将这两个水平面与上游坝面、地形面封闭成的区域建立一个实体，提取其体积并命名为“天然调节库容”。在计算有效开挖系数时需要先进行料区赋值，其具体过程是，
71.建立一个水平面，其高程＝死水位-终采平台距死水位，以该水平面为支持面，在选择的库盆开挖区作一个开挖起坡线，然后调用开挖模板建立开挖面，之后用坝料b区料源底面将上述开挖面剪切，保留下半部分作为坝料a区料源开挖面，同时提取其顶面线作为坝料b区料源开挖起坡线；同理调用开挖模板建立开挖面，并用弃渣料底面将其剪切，保留下半部分作为坝料b区料源开挖面，同时提取其顶部边线作为弃渣料开挖起坡线；调用开挖模板建立开挖面并用地形面剪切保留下半部分形成弃渣料开挖面；
72.将终采平台、坝料a区料源开挖面、坝料b区料源底面封闭提取其体积并命名为坝料a区开挖量，然后按照规则“坝料a盈余＝坝料a区开挖量-坝料a区工程量”对体积参数“坝料a盈余”赋值；将终采平台、坝料b区料源开挖面、坝料b区料源底面、弃渣料底面封闭提取其体积并命名为坝料b区开挖量，然后按照规则“坝料b盈余＝坝料b区开挖量-坝料b区工程量”对体积参数“坝料b盈余”赋值；将坝料a区开挖面、坝料b区开挖面、弃渣料开挖面结合为一个空间曲面并与正常蓄水位、死水位、地形面封闭提取其体积并命名为有效开挖库容；将坝料a区开挖面、坝料b区开挖面、弃渣料开挖面结合为一个空间曲面并与地形面封闭提取其体积并命名为总开挖工程量，最后按权利要求2所述公式计算有效开挖系数。在设计大坝时，在抽蓄电站中，对选定的库址而言，假定坝轴线位置是确定的，装机容量、死水位7不变的情况下，正常蓄水位8、调节库容h是相互关联的物理量；当给定正常蓄水位8后确定调节库容h，同时确定天然调节库容9，则有效开挖库容10＝调节库容-天然调节库容9；
73.通过调整正常蓄水位8、死水位7及对应的调节库容h，然后调整开挖位置及开挖起坡线11，选择开挖效率＝优、有效开挖库容判别＝满足要求、挖填平衡判别＝平衡完成设计，具体过程为，开挖效率作为不同库址的比选参数，开挖效率优且达到挖填平衡时造价低的库址即为理想库址。
74.下面通过具体的实施例对本技术的技术方案作进一步说明：
75.实施例一
76.一种采用钢筋混凝土面板当地材料坝的抽水蓄能电站水库库盆挖填平衡设计方法，以及较为科学的库盆特性评价参数。
77.具体技术方案为：
78.1)正常蓄水位-死水位＝消落深度，消落深度范围内地形面与上游坝面围护的体积叫天然调节库容；消落深度范围内地面与库盆开挖面围护的体积叫有效开挖库容；地形面与库盆开挖面围护的体积为总开挖工程量。
79.2)定义有效开挖库容/总开挖工程量＝有效开挖系数，有效开挖系数大于0.5，称
开挖效率优；有效开挖系数为0.4～0.5，称开挖效率中；有效开挖系数小于0.4，称开挖效率差。
80.3)在抽蓄电站中，对某个库址而言，假定坝轴线位置是确定的，装机容量、死水位不变的情况下，正常蓄水位、调节库容是相互关联的物理量。当给定正常蓄水位后，即确定了调节库容，同时确定了天然调节库容，则有效开挖库容＝调节库容-天然调节库容。
81.4)采用3de(一款三维设计软件)建立钢筋混凝土当地材料坝三维模板：
82.(a)参数准备：先按图1新建相应类型的参数。设计参数可参照某个典型工程设置。一般工程的坝高不超过350m，因此参数“坝高”数值可设置为350m。
83.(b)输入元素准备：输入坐标形式任意新建两个点a、b，这两个点的x、y坐标确定其平面位置，z坐标取同一个值，代表坝顶高程。连接a、b建一根直线作为坝轴线。为使建立的三维模板轻量化以方便调用，以坝轴线位置的铅直面作为支持面，作一个草图：先作一根高程低于坝轴线但与坝轴线距离小于350m的水平线，然后将该水平线的两个端点分别与a、b点连接。之后将该草图沿法向向两侧各拉伸3000m形成一个假象地形面。将坝轴线、a点、地形面进行隔离保留作为当地材料坝三维模板的输入元素，然后删除上述其他建模过程。
84.(c)建模过程：过a点作坝轴线的法向面，然后以该法向面为支持面，a点为坐标原点，按图2建立大坝典型剖面草图，将步骤(a)中的设计参数及预制参数赋值给草图中对应的标注项目；将草图中从上游至下游的每个坝料分区轮廓输出并命名，如“坝料a区轮廓”；将每个坝料分区轮廓沿坝轴线扫略形成实体，并用地形剪切，形成对应坝料分区的输出成果，并将其体积提取赋值给步骤(a)中的工程量参数。
85.(d)模板封装：将坝轴线、a点、地形面作为模板输入元素，各剪切后的坝料分区作为输出元素，发布步骤(a)中的设计参数。并将a点名字更改为坝轴线端点。
86.(e)模板调用说明：准备一个实际的三维地形面，以及一根坝轴线(可为直线、曲线、折线)，坝轴线的两端应伸入地形里面，坝轴线的高程为坝顶高程；调用模板，依次选取坝轴线、坝轴线的一个端点、地形面即建立了一个钢筋混凝土面板当地材料坝三维模型。调用模板过程中，坝轴线端点可选取坝轴线的一个端点，通过单击预览图中的箭头改变方向即可将大坝上下游方向调整至预想的方向。在电站前期设计阶段，地形面可以是天然地形面；后期设计阶段，则为考虑了坝基开挖后的地形面。
87.(5)参照步骤(4)建一个开挖模板：
88.(a)输入元素准备：任意建立一根空间曲线，并提取其一个端点，将空间曲线及曲线端点隔离作为模板输入元素，删除其他建模过程。并将其分别命名为起坡线、起坡线端点。
89.(b)建模过程：过起坡线端点，建立起坡线的法向面。以法向面为支持面，起坡线端点为坐标原点作一个开挖草图剖面，剖面以坐标原点为起点，每隔高差h设置一级宽3m马道，总共设置20级马道，每级马道的坡比均为n。将开挖剖面沿起坡线扫略形成一个开挖面。
90.(c)模板封装：将起坡线、起坡线端点作为模板输入元素，开挖面作为输出元素，发布参数h及n并命名为马道高差、开挖坡比。
91.(d)模板说明：设置20级马道能够满足一般工程边坡开挖高度要求。可选取已有的空间曲线任意端点作为起坡线端点，通过单击预览图中的箭头改变方向满足开挖方向需求。
92.6)按图3新建相应类型的参数，并对控制参数及设计参数赋初始值。将图1所示等高线导入3de中生成可以编辑的地形面。
93.7)根据库盆工程地质调查资料及图2所示的勘探孔资料成果，将地层自上而下划分为弃渣料、坝料b区料源、坝料a区料源，并在3de中建立弃渣料底面、坝料b区料源底面。坝料a区为主堆石区，决定上游坝坡坡比；坝料b区为次堆石区，决定下游坝坡坡比，坝料b区内坡比由坝料a区、坝料b区的协调过渡要求确定。弃渣区填筑于坝前死库容以下，坝料a区、坝料b区、弃渣料区的物理力学性质同时确定了其库盆开挖坡比。随着勘察设计工作深入，可结合探洞等成果优化调整坝料及料源分区界面。
94.8)根据地形地质条件布置坝轴线，坝轴线的z坐标＝正常蓄水位+坝顶距正常蓄水位，调用步骤(4)的钢筋混凝土当地材料坝三维模板，建立大坝三维模型，并根据坝料情况修改相应参数。
95.9)建立两个水平面，高程分别为正常蓄水位、死水位，将这两个水平面与上游坝面、地形面封闭成的区域建立一个实体，提取其体积并命名为“天然调节库容”。
96.10)建立一个水平面，其高程＝死水位-终采平台距死水位，以该水平面为支持面，在选择的库盆开挖区作一个如图1所示的开挖起坡线，然后调用步骤(5)的开挖模板建立开挖面，之后用步骤(7)的坝料b区料源底面将上述开挖面剪切，保留下半部分作为坝料a区料源开挖面，同时提取其顶面线作为坝料b区料源开挖起坡线；同理调用开挖模板建立开挖面，并用弃渣料底面将其剪切，保留下半部分作为坝料b区料源开挖面，同时提取其顶部边线作为弃渣料开挖起坡线；调用开挖模板建立开挖面并用地形面剪切保留下半部分形成弃渣料开挖面。
97.11)将终采平台、坝料a区料源开挖面、坝料b区料源底面封闭提取其体积并命名为坝料a区开挖量，然后按照规则“坝料a盈余＝坝料a区开挖量-坝料a区工程量”对体积参数“坝料a盈余”赋值；将终采平台、坝料b区料源开挖面、坝料b区料源底面、弃渣料底面封闭提取其体积并命名为坝料b区开挖量，然后按照规则“坝料b盈余＝坝料b区开挖量-坝料b区工程量”对体积参数“坝料b盈余”赋值；将坝料a区开挖面、坝料b区开挖面、弃渣料开挖面结合为一个空间曲面并与正常蓄水位、死水位、地形面封闭提取其体积并命名为有效开挖库容；将坝料a区开挖面、坝料b区开挖面、弃渣料开挖面结合为一个空间曲面并与地形面封闭提取其体积并命名为总开挖工程量，从而按步骤(2)计算有效开挖系数。
98.12)按照规则“若有效开挖系数≥0.5，则开挖效率＝优；若0.5＞有效开挖系数≥0.4，则开挖效率＝中；若有效开挖系数＜0.4，则开挖效率＝差”对字符串参数“开挖效率”赋值。
99.13)按照规则“若有效开挖库容+天然调节库容-调节库容≥0，则有效开挖库容判别＝满足要求；若有效开挖库容+天然调节库容-调节库容＜0，则有效开挖库容判别＝不满足要求”对字符串参数“有效开挖库容判别”赋值。
100.13)按照规则“若坝料a区工程量*0.1≥坝料a区盈余≥0且坝料b区工程量*0.1≥坝料b区盈余≥0，则挖填平衡判别＝平衡；否则挖填平衡判别＝不平衡”对字符串参数“挖填平衡判别”赋值。
101.14)通过调整正常蓄水位、死水位及对应的调节库容，然后调整开挖位置及开挖起坡线，尽量做到开挖效率＝优、有效开挖库容判别＝满足要求、挖填平衡判别＝平衡，设计
即完成了。
102.15)开挖效率可作为不同库址的比选参数，开挖效率优且达到挖填平衡时造价低的库址即为理想库址。

技术特征：
1.用于抽水蓄能电站库盆开挖建坝的设计与评价方法，其特征在于：所述的设计与评价方法以勘探资料和建站参数指标为基础，先在bim平台上分别建立钢筋混凝土面板当地材料坝体模型、开挖坡体模型，然后分别给坝体模型赋值输入控制参数、设计参数获得建坝填筑工程量(12)和给开挖坡体模型依据地质调查资料、勘探数据资料赋值及料区分类获得开挖工程量(12)和开挖调节库容量，最后依据开挖效率、有效开挖库容判别和挖填平衡判别比选确定库址，完成大坝设计，其中，钢筋混凝土面板当地材料坝体模型通过调用钢筋混凝土面板当地材料坝模板建立，开挖坡体模型通过调用开挖模板建立，开挖效率按有效开挖系数≥0.5，开挖效率＝优；0.5＞有效开挖系数≥0.4，开挖效率＝中；有效开挖系数＜0.4，开挖效率＝差予以赋值确定，有效开挖库容判别按有效开挖库容+天然调节库容-调节库容≥0，有效开挖库容判别＝满足要求；有效开挖库容+天然调节库容-调节库容＜0，有效开挖库容判别＝不满足要求予以赋值判定，挖填平衡判别按坝料a区工程量
×
0.1≥坝料a区盈余≥0且坝料b区工程量
×
0.1≥坝料b区盈余≥0，则挖填平衡判别＝平衡；否则挖填平衡判别＝不平衡予以赋值判定。2.根据权利要求1所述的用于抽水蓄能电站库盆开挖建坝的设计与评价方法，其特征在于：有效开挖系数按下述公式计算获得，有效开挖库容/总开挖工程量＝有效开挖系数；有效开挖库容按下述公式计算获得，有效开挖库容＝调节库容-天然调节库容；调节库容依据装机容量、死水位以及给定的正常蓄水位在建站参数指标中确定；勘探资料至少包括等高线下的地质钻孔探明的地质条件。3.根据权利要求1所述的用于抽水蓄能电站库盆开挖建坝的设计与评价方法，其特征在于：在bim平台上建立钢筋混凝土面板当地材料坝模板是按下述步骤进行的，a)参数准备，先按建站参数指标建立坝高不超过350m的相应类型大坝的参数，b)输入元素准备，输入坐标形式任意新建两个点a、b，通过这两个点的x、y坐标确定其平面位置，z坐标取代表坝顶高程的同一个数值，连接a、b建立一根直线作为坝轴线，以坝轴线位置的垂直面作为支持面作一个草图，具体过程为，先作一根高程低于坝轴线但与坝轴线距离小于350m的水平线，然后将该水平线的两个端点分别与a点、b点连接，之后将该草图沿法向向两侧各拉伸3000m形成一个假象地形面；将坝轴线、a点、地形面进行隔离保留作为新建大坝三维模板的输入元素，然后删除上述其他建模过程，c)建模过程：过a点作坝轴线的法向面，然后以该法向面为支持面，a点为坐标原点，建立大坝典型剖面草图，将步骤a)中的设计参数及预制参数赋值给草图中对应的标注项目；将草图中从上游至下游的每个坝料分区轮廓输出并命名；将每个坝料分区轮廓沿坝轴线扫略形成实体，并用地形剪切，形成对应坝料分区的输出成果，并将其体积提取赋值给步骤a)中的工程量参数，d)模板封装，将坝轴线、a点、地形面作为模板输入元素，各剪切后的坝料分区作为输出元素，发布步骤a)中的设计参数，并将a点名字更改为坝轴线端点，e)模板调用，准备一个实际的三维地形面，以及一根形状为直线、曲线或折线的坝轴线，坝轴线的两端应伸入地形里面，坝轴线的高程为坝顶高程；调用模板，依次选取坝轴线、坝轴线的一个端点、地形面即建立了一个钢筋混凝土面板当地材料坝三维模型；调用模板
过程中，坝轴线端点选取坝轴线的一个端点，通过单击预览图中的箭头改变方向将大坝上下游方向调整至预想的方向；在电站前期设计阶段，地形面可以是天然地形面；后期设计阶段，则为考虑了坝基开挖后的地形面。4.根据权利要求3所述的用于抽水蓄能电站库盆开挖建坝的设计与评价方法，其特征在于：参数准备时依据的建站参数指标至少包括设计参数、预置参数和工程量参数，所述的设计参数至少包括含有坝顶宽度、钢筋混凝土面板厚度、垫层区宽、过渡区宽、坝料b区顶宽、坝料b区顶距坝顶以及坝料b区底距坝顶的长度参数和含有上游坝坡坡比、下游坝坡坡比以及坝料b区内坡比的实数参数，所述的预置参数至少包括坝高，所述的工程量参数至少包括坝料a区工程量和坝料b区工程量。5.根据权利要求1所述的用于抽水蓄能电站库盆开挖建坝的设计与评价方法，其特征在于：在bim平台上建立开挖模板是按下述步骤进行的，a)输入元素准备，任意建立一根空间曲线，并提取其一个端点，将空间曲线及曲线端点隔离作为模板输入元素，删除其他建模过程，并将其分别命名为起坡线、起坡线端点，b)建模过程，过起坡线端点，建立起坡线的法向面，以法向面为支持面，起坡线端点为坐标原点作一个开挖草图剖面，剖面以坐标原点为起点，每隔高差h设置一级宽3m的马道，每级马道的坡比均为n；将开挖剖面沿起坡线扫略形成一个开挖面，c)模板封装，将起坡线、起坡线端点作为模板输入元素，开挖面作为输出元素，发布参数h及n并命名为马道高差、开挖坡比。6.根据权利要求1或2所述的用于抽水蓄能电站库盆开挖建坝的设计与评价方法，其特征在于：开挖调节库容量是以新建立的开挖平衡设计参数为依据获得的，在建立开挖平衡设计参数时，至少应包括控制参数、设计参数和判别参数，并对控制参数及设计参数赋初始值，然后再将等高线导入bim平台中生成可编辑的地形面，其中，控制参数至少包括含有正常蓄水位和死水位的长度参数以及含有调节库容的体积参数，设计参数至少包括坝顶距正常蓄水位和终采平台距死水位，判别参数至少包括含有坝料各分区盈余和含有开挖效率、有效开挖库容判别以及挖填平衡判别的字符串参数。7.根据权利要求1或6所述的用于抽水蓄能电站库盆开挖建坝的设计与评价方法，其特征在于：对开挖边坡模型进行分区是按下述步骤进行的，先将地层自上而下划分为弃渣料区(1)、坝料b区料源(2)、坝料a区料源(3)，并在bim平台中建立弃渣料底面(4)、坝料b区料源底面(5)和坝料a区料源底面(6)，坝料a区料源为主堆石区，决定上游坝坡坡比；坝料b区料源为次堆石区，决定下游坝坡坡比，坝料b区内坡比由坝料a区、坝料b区的协调过渡要求确定；弃渣料区填筑于坝前死库容以下，依据坝料a区、坝料b区、弃渣料区的物理力学性质同时确定了其库盆开挖坡比，并随着勘察设计工作深入，结合探洞成果优化调整坝料及料源分区界面。8.根据权利要求1所述的用于抽水蓄能电站库盆开挖建坝的设计与评价方法，其特征在于：建立钢筋混凝土面板当地材料坝体模型和天然调节库容是按下述步骤进行的，
根据地形地质条件布置坝轴线，坝轴线的z坐标＝正常蓄水位+坝顶距正常蓄水位，调用权利3所述的钢筋混凝土面板当地材料坝模板，建立大坝三维模型，并根据坝料情况修改相应参数，建立两个水平面，高程分别为正常蓄水位、死水位，将这两个水平面与上游坝面、地形面封闭成的区域建立一个实体，提取其体积并命名为“天然调节库容”。9.根据权利要求1或2所述的用于抽水蓄能电站库盆开挖建坝的设计与评价方法，其特征在于：在计算有效开挖系数时需要先进行料区赋值，其具体过程是，建立一个水平面，其高程＝死水位-终采平台距死水位，以该水平面为支持面，在选择的库盆开挖区作一个开挖起坡线，然后调用开挖模板建立开挖面，之后用坝料b区料源底面将上述开挖面剪切，保留下半部分作为坝料a区料源开挖面，同时提取其顶面线作为坝料b区料源开挖起坡线；同理调用开挖模板建立开挖面，并用弃渣料底面将其剪切，保留下半部分作为坝料b区料源开挖面，同时提取其顶部边线作为弃渣料开挖起坡线；调用开挖模板建立开挖面并用地形面剪切保留下半部分形成弃渣料开挖面；将终采平台、坝料a区料源开挖面、坝料b区料源底面封闭提取其体积并命名为坝料a区开挖量，然后按照规则“坝料a盈余＝坝料a区开挖量-坝料a区工程量”对体积参数“坝料a盈余”赋值；将终采平台、坝料b区料源开挖面、坝料b区料源底面、弃渣料底面封闭提取其体积并命名为坝料b区开挖量，然后按照规则“坝料b盈余＝坝料b区开挖量-坝料b区工程量”对体积参数“坝料b盈余”赋值；将坝料a区开挖面、坝料b区开挖面、弃渣料开挖面结合为一个空间曲面并与正常蓄水位、死水位、地形面封闭提取其体积并命名为有效开挖库容；将坝料a区开挖面、坝料b区开挖面、弃渣料开挖面结合为一个空间曲面并与地形面封闭提取其体积并命名为总开挖工程量，最后按权利要求2所述公式计算有效开挖系数。10.根据权利要求1所述的用于抽水蓄能电站库盆开挖建坝的设计与评价方法，其特征在于：在设计大坝时，在抽蓄电站中，对选定的库址而言，假定坝轴线位置是确定的，装机容量、死水位(7)不变的情况下，正常蓄水位(8)、调节库容(h)是相互关联的物理量；当给定正常蓄水位(8)后确定调节库容(h)，同时确定天然调节库容(9)，则有效开挖库容(10)＝调节库容-天然调节库容(9)；通过调整正常蓄水位(8)、死水位(7)及对应的调节库容(h)，然后调整开挖位置及开挖起坡线(11)，选择开挖效率＝优、有效开挖库容判别＝满足要求、挖填平衡判别＝平衡完成设计，具体过程为，开挖效率作为不同库址的比选参数，开挖效率优且达到挖填平衡时造价低的库址即为理想库址。

技术总结
本发明公开了一种用于抽水蓄能电站库盆开挖建坝的设计与评价方法，属于水利水电工程建造工艺技术领域。提供一种能较快的实现坝体、开挖工作量以及开挖平衡性判别的用于抽水蓄能电站库盆开挖建坝的设计与评价方法。所述的设计与评价方法以勘探资料和建站参数指标为基础，先在BIM平台上分别建立钢筋混凝土面板当地材料坝体模型、开挖坡体模型，然后分别给坝体模型赋值输入控制参数、设计参数获得建坝填筑工程量和给开挖坡体模型依据地质调查资料、勘探数据资料赋值及料区分类获得开挖工程量和开挖调节库容量，最后依据开挖效率、有效开挖库容判别和挖填平衡判别比选确定库址，完成大坝设计。完成大坝设计。完成大坝设计。


技术研发人员：张凤财 朱先文 周正军
受保护的技术使用者：中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司
技术研发日：2023.06.09
技术公布日：2023/9/6