基于虚拟仿真技术的土石坝设计教学演示平台研究

姓 名：王 岩导 师：王宗敏（教授）

主要内容

土石坝原型及装配

虚拟仿真技术的土石坝设计教学演示平台开发

土石坝设计流程研究

总结

研究背景和意义

研究背景和意义

1. 土石坝是国内外应用最多的坝型土石坝对自然条件有广泛的适应性，它对地基的要求

比混凝土坝低，适应变形能力强 ; 土石坝可以就地取材，可以充分利用枢纽建筑物基础开挖料筑坝。典型工程小浪底水利枢纽、甘肃碧口水电站及四川东西关水电站等。

2. 针对于土石坝设计开发的 CAD 系统非常少由于土石坝基础资料多、设计内容繁多，除包括常规

的枢纽布置与坝型选择、坝体结构设计、坝基处理、坝体与坝基、岸坡与其他建筑物的连接、坝的计算与分析外，还包括分期施工方案设计与大坝安全监测设计，所以，要求土石坝系统的开发要做到贯穿工程设计的全过程、功能全面、专业性强。因此针对土石坝设计开发的 CAD 系统非常少。

3. 传统水利教学方式具有很大的限制性传统的教学以教为主，学生始终处于被动的学习环境中，对

于水利工程学科，由于条件限制，学生不能到达工程现场，很难对土石坝形成直观的感觉和印象；引入虚拟现实技术到教学中，逼真的虚拟环境可提供良好的人机交互功能，使学生不仅可以对土石坝有直观的印象，还可以进一步了解其组成部分和组成过程。

4. 将虚拟仿真技术应用于水利方面教学很少由于虚拟现实技术的特点，它的实际应用在理工科的教学中

比较广泛。尤其在建筑、机械、物理、化学等学科有着质的突破。相对于这些学科，应用于水利学科的虚拟仿真平台至今没有。

土石坝原型及装配

土石坝的参数化

土石坝原型建模

土石坝原型的虚拟装配

1.土石坝的参数化

实现土石坝参数化首先要提取出可以描述坝体特征的各项参数，这些参数包括结构图形参数和规则参数。结构图形参数包括关键点的坐标，线段的长度和等控制点和控制尺寸 ; 规则参数可以是一种关系的描叙，也可以是一个计算公式，甚至是一个复杂的方程组。（下表为均质坝的部分坝体参数）

名称 参数 包含参数 名称 参数 包含参数

坝顶

H

安全加高 A

防浪墙

FLQ

材料 FLQM

设计波高 h 伸缩缝长度FLQ_SSCD

上游坝坡坡率 m 宽度 FLQ_KD

上游护坡糙率 n 高度 FLQ_GD

正常蓄水位 NH 　设计水位 DH 　校核水位 JH 　

坝坡

BP上游坝坡比例 BP_SBL 马

道MD

马道宽度 MD_KD

下游坝坡比例 BP_XBL 马道高程 MD_H

坡护

PH

坡护材质 PH_CZ坝面排水

BMPS

下游坝面排水沟宽度BMPS_XKD

坡护类型 PH_LX 纵向排水沟断面宽度BPMS_ZKD

反滤层

FLC

上游坡护厚度 PH_SHD 纵向排水沟断面深度BPMS_ZSD

下游坡护厚度 PH_XHD 横向排水沟间隔距离BPMS_HJD

2.土石坝原型建模

土石坝工程虚拟环境是真实工程环境在计算机中的数字化表示，为便于视算一体化操作，虚拟环境中的模型要求全部是真三维模型，主要包括地形、地质构造、地理景观的地学虚拟环境。目前拟采用的建模方法：1 ）利用 CATIA 、 UG 等三维设计软件创建各个部件

的三维模型。2 ）利用 3D Studio MAX8.0软件对所有的三维模型进

行渲染和编辑。3 ）利用 VrmlPad软件编辑模型在虚拟现实中的位置

和关系。

3.土石坝原型的虚拟装配

为了更好使用户了解土石坝的构造，对各个部件形成深刻的理解，需要对土石坝各个部件进行装配，根据土石坝设计的原则和流程以坝轴线为装配约束方式，进行装配，最终实现脱离 CATIA软件实现单独的装配。目前使用 Visual C++ 6.0作为开发平台的工具，结

合一些开源软件，已实现对 CATIA软件建模形成的 Wrl格式的读入，以及对模型的简单操作，如放大，缩小，移动。

土石坝设计流程研究

土石坝设计流程图

NO

虚拟仿真技术的土石坝设计教学演示平台开发

系统框架图

虚拟教学模块1 ） 土石坝课程教学。本部分将结合《水工建筑物》、《碾压式土石坝设计规范 SL274-2001》以及土石坝的教学大纲内容进行设计，使其能够满足教学的要求，部分章节将结合相应的土石坝模型进行设计教学内容，如《水工建筑物》土石坝一章的第八节中“土石坝的构造”中防渗体一部分中，将结合三种不同类型防渗体的模型进行讲解，包括三维模型，二维草图等。2 ）课堂练习及考试。本部分主要根据相应的课后习题以及考试重点内容进行设计。3 ）土石坝实例展示。本部分将会提供多个土石坝实例，如典型工程小浪底水利枢纽、甘肃碧口水电站及四川东西关水电站等。

土石坝原型操作及装配模块1 ）土石坝原型创建。将根据用户提供的参数进行土石坝原型的建模。

2 ）原型操作。本部分可供用户对相应原型进行移动、旋转、放大、缩小等操作，让用户能全方位的了解土石坝的各个部件。

3 ）原型参数展示。本部分将提供土石坝部件参数展示，通过二维草图向用户展示每个部件所有的参数。

4 ）原型的虚拟装配。本部分将提供土石坝各部件之间的虚拟装配，让用户了解各个部件的空间关系。

土石坝流程创建模块1 ）布置坝轴线。将提供不同的坝址地形图，让用户区布置坝轴线。

2 ）计算坝高。提供相应的数据和公式选项，根据提示，让用户自己选择公式进行计算，最终得到坝高。

3 ）在最大控制断面图上进行坝体结构设计。提供最大控制断面图，让用户自己进行坝体结构的设计。

4 ）分析计算（渗流、稳定）。提供相应的数据和公式选项，根据提示，让用户自己选择公式进行计算，最终得到想要的结果。

5 ）原型创建。根据用户所选择的原型种类，以及输入的相应参数得到各个部件原型。

6 ）虚拟装配。用户可以将所选择的原型以及三维地质模型进行装配。

总结

本项目利用虚拟仿真技术对土石坝的设计流程的各个环节进行辅助设计与模拟仿真，建立土石坝三维原型，进行交互式参数装配，结合人机交互实现水利工程辅助设计，最终形成土石坝设计教学演示系统。由于虚拟仿真的真实性、可操作性、以及交互性等优点，使得学生可以在虚拟世界中认识土石坝，了解土石坝的设计流程，比起传统的教学模式具有无可比拟的优越性。

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