AutoLISP在黄河下游引黄涵闸闸室设计中的应用

AutoLISP在黄河下游引黄涵闸闸室设计中的应用
作者：郑钊薛志强王凤群王伟锋
来源：《人民黄河》2021年第12期
摘要：為了提高黄河下游引黄涵洞式水闸闸室设计质量与效率，采用基于AutoLISP的AutoCAD二次开发技术编写涵洞式闸室设计程序，实现在输入有限设计参数的情况下，自动绘制涵洞式闸室三维模型并生成工程量、循环计算多工况闸室荷载、生成多工况涵闸渗流稳定计算结果及闸室稳定计算结果。

以黄河下游典型穿堤引黄涵闸赵口闸为例，展示了该设计程序在涵洞式闸室设计应用中的便利性与实用性。

关键词：涵洞式闸室;AutoLISP;渗流稳定计算;闸室稳定计算;黄河下游
中图分类号：TV222.1;TV882.1 文献标志码：A
doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.12.031
引用格式：郑钊，薛志强，王凤群，等.AutoLISP在黄河下游引黄涵闸闸室设计中的应用[J].人民黄河，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 genera te 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
随着小浪底水库持续运用，黄河下游河床冲刷下切，黄河下游引黄涵闸引水条件与设计情况相比发生了很大变化，导致部分引黄涵闸引水困难，甚至无法引水，对黄河下游两岸地区的经济社会发展造成不利影响。

自2016年起，黄委组织相关部门开展黄河下游引黄涵闸改建工作，经现场查勘与技术论证，确定需要拆除重建的引黄涵闸共计48座，其中河南河段18座、山东河段30座。

待拆除重建的引黄涵闸多为穿黄河大堤、控导工程涵洞式水闸，闸室布置是否合理、闸室稳定与否不仅关系到涵闸自身的安全，也关系到黄河大堤等防洪工程的安全。

因此，保障黄河下游引黄涵闸闸室稳定是改建设计工作的关键内容之一。

根据《水闸设计规范》（SL 265—2016）[1]要求，闸室稳定需要同时满足3项控制性指标：①抗滑稳定安全系数应大于规范要求;②闸室基底应力应小于地基允许承载力，这是判别是否需要对闸基进行处理的关键依据;③闸室基底应力最大值与最小值之比应小于规范要求。

黄河下游引黄涵闸典型闸室由闸底板、闸墩、胸墙、闸墩间撑梁等构件组成，闸室上部布置工作桥以及启闭机室。

设计人员以往需要不断调整各闸室构件尺寸及相对位置关系，反复计算上述3项控制性指标，以寻求满足规范要求的较优闸室布置方案。

目前，闸室稳定计算大多采用传统的Excel建表方式，效率较低、可视性差且校核不便，加之涵闸闸前控制水位变幅较大、闸室布置方案复杂多变，Excel建表计算已不能满足新形势下黄河下游涵洞式闸室设计工作的需求，亟须寻找新的计算手段，提高闸室设计质量与效率。

已有学者就此做了大量值得借鉴的
工作，如李杨红等[2]开发了水闸设计计算软件，该软件包含闸室稳定分析、底板结构计算等多个功能程序模块，实现了闸室自动化设计;密新武等[3]开发了单孔涵闸CAD软件系统，该系统可以生成单孔涵闸平面图、剖面图以及主要工程量，有效缩短了涵闸设计周期;傅朝康等[4]采用ABAQUS三维有限元软件建立闸站三维有限元模型，对3种工况进行了闸站抗滑稳定、闸站结构位移以及地基应力分析，准确直观反映了闸站结构的真实情况。

但现有研究成果主要存在2个问题：①基本都依据旧版《水闸设计规范》（SL 265—2001）开展研究;②已开发的水闸设计程序需要手动输入大量参数和主要荷载，自动化程度稍差，不适用于黄河下游较为特殊的闸室结构及设计工况。

笔者主要依据《水闸设计规范》（SL 265—2016），针对黄河下游涵洞式水闸闸室，采用AutoLISP二次开发语言编写了涵洞式水闸闸室设计程序，实现了快速绘制涵洞式闸室三维模型、计算多工况渗流稳定系数、闸室稳定系数以及闸室基底应力等，以期为黄河下游引黄涵闸改建工程设计提供有效技术支撑。

2 AutoLISP二次开发语言的特点
AutoLISP是AutoCAD R13及更高版本所内嵌的基础性二次开发语言工具，不仅具有算术运算、逻辑运算、字符处理、输入输出等高级语言常备功能，还具有图形扩展功能。

AutoLISP 语言可直接调用几乎全部的AutoCAD命令，算法简捷、表达能力强、函数种类多、程序控制结构灵活。

用户可以把AutoLISP和AutoCAD的绘图命令有机结合起来，使设计、绘图、计算三者完全融为一体，还可以利用AutoLISP语言编程对AutoCAD当前图形数据库进行直接访问和修改，为实现对屏幕图形的实时修改、交互设计、参数化设计以及人工智能在绘图领域中的应用提供了方便。

AutoLISP由于综合了LISP人工智能语言特性和AutoCAD图形编辑功能，可谓是一种人工智能绘图语言，因此在水利工程中得到了广泛应用[5-10]。

3 闸室设计程序开发
所开发涵洞式闸室设计程序流程见图1。

3.1 设计参数输入
黄河下游引黄涵闸闸室安全稳定的控制性因素主要有建筑物各构件尺寸、相对位置关系以及对外部荷载的合理分配。

因此，需要输入的设计参数包括：闸孔数量、闸室后穿堤涵洞长度，闸孔、闸底板、中墩、边墩、缝墩、闸门槽、胸墙、机架桥等构件尺寸和相对位置关系，启闭机、闸门、金属埋件等自重，上下游特征水位，地震设计烈度、动态分布系数等地震设计参数，胸墙后填土以及地基土体相关参数。

设计参数输入以Excel办公软件为载体，参数输入完毕以备AutoLISP程序读取。

需要说明的是，对于单联水闸，闸室不需要分缝，此时不需要输入缝墩尺寸，仅需输入闸室两侧边墩与中墩尺寸;对于多联水闸，闸室分缝处闸墩（缝墩）结构形式往往异于边墩或中墩，此时需根据具体情况，输入闸室两侧边墩、中墩与缝墩尺寸。

3.2 计算工况及荷载组合
根据《水闸设计规范》（SL 265—2016），结合黄河下游涵闸实际情况，确定了2种荷载组合及6种计算工况。

荷载组合分别为：①基本组合，包括完建期、设计引水位、最高运用水位以及设计防洪水位4种计算工况;②特殊组合，包括校核防洪水位与设计引水位+地震2种计算工况。

各荷载组合及计算工况见表1。

开发的AutoLISP闸室设计程序可以根据上游水位自动识别并确定计算工况，若待改建涵闸为穿黄河大堤建筑物，则需分析表1中的6种工况，此时，需输入设计引水位、最高运用水位、设计防洪水位以及校核防洪水位;若待改建涵闸为穿控导工程连坝建筑物（一般为与穿堤闸配套的渠首闸），仅需输入设计引水位与最高运用水位，程序能够自动忽略设计防洪水位与校核防洪水位这2种工况的相关计算。

闸室自重主要包括闸底板、闸墩、闸墩间撑梁、机架桥、启闭机、闸门、胸墙后填土等自重。

闸室水重根据闸门启闭状态确定，设计防洪水位与校核防洪水位这2种计算工况下闸门关闭，闸门后闸室按无水考虑。

闸室渗透压力根据改进阻力系数法（详见文献[1]附录C）计算成果确定。

胸墙后填土土压力采用朗肯主动土压力公式（详见文献[1]附录D）计算。

设计防洪水位、校核防洪水位两种计算工况考虑闸门门前淤沙，泥沙淤积高度按相应水深1/3考虑。

采用AutoLISP语言编写上述各种荷载计算功能函数，以备主程序调用。

3.3 涵闸渗流稳定计算
黄河下游穿堤涵闸渗流稳定计算至关重要，不仅可以验证穿堤涵闸防渗体系能否满足规范要求，还能为闸室稳定计算提供渗透压力荷载。

黄河下游穿堤涵闸主要由防渗铺盖、闸室、闸室后穿堤涵洞、消能建筑物组成，其中防渗铺盖、闸室、闸室后穿堤涵洞构成防渗体系。

本研究主要针对闸室设计，但是为了开展渗流稳定计算，并获取闸室底部渗透压力，输入设计参数时也需要输入铺盖长度、涵洞长度以及齿墙尺寸等防渗体系关键参数。

依据《水闸设计规范》（SL 265—2016）附录C提供的改进阻力系数法，编写计算进出口段、水平段、垂直段等阻力系数功能函数，可自动计算多工况防渗体系各部位渗透压力以及出口段渗流坡降，并生成Excel表格供检验校核。

3.4 闸室稳定计算
4 实例应用
以河南郑州赵口引黄涵闸为例，说明笔者开发程序在黄河下游涵洞式闸室设计应用中的便利性与实用性。

赵口闸位于黃河下游右岸大堤桩号42+675处，赵口险工40垛与41垛之间，为典型的黄河下游穿堤涵闸。

该闸设计引水流量210 m3/s（大I型，1级水工建筑物），本次
改建方案为两联14孔箱型涵洞式水闸，其中10孔为赵口引黄灌区供水，供水流量150 m3/s。

闸底板高程79.70 m，闸室单孔净宽3.00 m，穿堤涵闸全长168.00 m（其中防渗体系水平长度为110.00 m）。

闸室基底面与地基之间的摩擦系数为0.30。

地震设计烈度7度，水平向设计地震加速度代表值ah取0.98，地震作用的效应折减系数ξ取0.25。

闸室分左、右两联，每联7孔，边墩顶部宽度为1.20 m，底部宽度为2.00 m，缝墩顶部宽度与底部宽度均为0.90 m。

设计引水位为82.57 m，最高运用水位为88.70 m，设计防洪水位为90.40 m，校核防洪水位为91.40 m。

需对表1所列举6种工况进行闸室稳定分析。

将赵口闸左联闸室关键参数输入Excel表格，生成特定格式数据文本，运行AutoLISP程序即可读取文本开始绘图、计算，闸室部分关键设计参数见表2。

4.1 三维模型绘制及工程量生成
利用已开发AutoLISP程序读取设计参数文本即可瞬时生成闸室三维模型并输出闸室主体工程量，赵口引黄涵闸左联闸室三维模型见图2。

4.2 渗流稳定计算结果生成
开发的AutoLISP程序可以循环生成设计引水位、最高运用水位、设计防洪水位和校核防洪水位4种工况下的渗流稳定计算结果，限于篇幅，在此仅列举校核防洪水位渗流稳定计算结果，见表3。

同时输出水平段渗透坡降J水平=0.15，出口段渗透坡降J出口=0.48。

AutoLISP是AutoCAD R13及更高版本所内嵌的基础性二次开发语言工具，不仅具有算术运算、逻辑运算、字符处理、输入输出等高级语言常备功能，还具有图形扩展功能。

AutoLISP 语言可直接调用几乎全部的AutoCAD命令，算法简捷、表达能力强、函数种类多、程序控制结构灵活。

用户可以把AutoLISP和AutoCAD的绘图命令有机结合起来，使设计、绘图、计算三者完全融为一体，还可以利用AutoLISP语言编程对AutoCAD当前图形数据库进行直接访问和修改，为实现对屏幕图形的实时修改、交互设计、参数化设计以及人工智能在绘图领域中的应用提供了方便。

AutoLISP由于综合了LISP人工智能语言特性和AutoCAD图形编辑功能，可谓是一种人工智能绘图语言，因此在水利工程中得到了广泛应用[5-10]。

3 闸室设计程序开发
所开发涵洞式闸室设计程序流程见图1。

3.1 设计参数输入
黄河下游引黄涵闸闸室安全稳定的控制性因素主要有建筑物各构件尺寸、相对位置关系以及对外部荷载的合理分配。

因此，需要输入的设计参数包括：闸孔数量、闸室后穿堤涵洞长
度，闸孔、闸底板、中墩、边墩、缝墩、闸门槽、胸墙、机架桥等构件尺寸和相对位置关系，启闭机、闸门、金属埋件等自重，上下游特征水位，地震设计烈度、动态分布系数等地震设计参数，胸墙后填土以及地基土体相关参数。

设计参数输入以Excel办公软件为载体，参数输入完毕以备AutoLISP程序读取。

需要说明的是，对于单联水闸，闸室不需要分缝，此时不需要输入缝墩尺寸，仅需输入闸室两侧边墩与中墩尺寸;对于多联水闸，闸室分缝处闸墩（缝墩）结构形式往往异于边墩或中墩，此时需根据具体情况，输入闸室两侧边墩、中墩与缝墩尺寸。

3.2 计算工况及荷载组合
根据《水闸设计规范》（SL 265—2016），结合黄河下游涵闸实际情况，确定了2种荷载组合及6种计算工况。

荷载组合分别为：①基本组合，包括完建期、设计引水位、最高运用水位以及设计防洪水位4种计算工况;②特殊组合，包括校核防洪水位与设计引水位+地震2种计算工况。

各荷载组合及计算工况见表1。

开发的AutoLISP闸室设计程序可以根据上游水位自动识别并确定计算工况，若待改建涵闸为穿黄河大堤建筑物，则需分析表1中的6种工况，此时，需输入设计引水位、最高运用水位、设计防洪水位以及校核防洪水位;若待改建涵闸为穿控导工程连坝建筑物（一般为与穿堤闸配套的渠首闸），仅需输入设计引水位与最高运用水位，程序能够自动忽略设计防洪水位与校核防洪水位这2种工况的相关计算。

闸室自重主要包括闸底板、闸墩、闸墩间撑梁、机架桥、启闭机、闸门、胸墙后填土等自重。

闸室水重根据闸门启闭状态确定，设计防洪水位与校核防洪水位这2种计算工况下闸门关闭，闸门后闸室按无水考虑。

闸室渗透压力根据改进阻力系数法（详见文献[1]附录C）计算成果确定。

胸墙后填土土压力采用朗肯主动土压力公式（详见文献[1]附录D）计算。

设计防洪水位、校核防洪水位两种计算工况考虑闸门门前淤沙，泥沙淤积高度按相应水深1/3考虑。

采用AutoLISP语言编写上述各种荷载计算功能函数，以备主程序调用。

3.3 涵闸渗流稳定计算
黄河下游穿堤涵闸渗流稳定计算至关重要，不仅可以验证穿堤涵闸防渗体系能否满足规范要求，还能为闸室稳定计算提供渗透压力荷载。

黄河下游穿堤涵闸主要由防渗铺盖、闸室、闸室后穿堤涵洞、消能建筑物组成，其中防渗铺盖、闸室、闸室后穿堤涵洞构成防渗体系。

本研究主要针对闸室设计，但是为了开展渗流稳定计算，并获取闸室底部渗透压力，输入设计参数时也需要输入铺盖长度、涵洞长度以及齿墙尺寸等防渗体系关键参数。

依据《水闸设计规范》（SL 265—2016）附录C提供的改进阻力系数法，编写计算进出口段、水平段、垂直段等阻力系数功能函数，可自动计算多工况防渗体系各部位渗透压力以及出口段渗流坡降，并生成Excel表格供检验校核。

3.4 闸室稳定计算
4 实例应用
以河南郑州赵口引黄涵闸为例，说明笔者开发程序在黄河下游涵洞式闸室设计应用中的便利性与实用性。

赵口闸位于黄河下游右岸大堤桩号42+675处，赵口险工40垛与41垛之间，为典型的黄河下游穿堤涵闸。

该闸设计引水流量210 m3/s（大I型，1级水工建筑物），本次改建方案为两联14孔箱型涵洞式水闸，其中10孔为赵口引黄灌区供水，供水流量150 m3/s。

闸底板高程79.70 m，闸室单孔净宽3.00 m，穿堤涵闸全长168.00 m（其中防渗体系水平长度为110.00 m）。

闸室基底面与地基之间的摩擦系数为0.30。

地震设计烈度7度，水平向设计地震加速度代表值ah取0.98，地震作用的效应折减系数ξ取0.25。

闸室分左、右两联，每联7孔，边墩顶部宽度为1.20 m，底部宽度为2.00 m，缝墩顶部宽度与底部宽度均为0.90 m。

设计引水位为82.57 m，最高运用水位为88.70 m，设计防洪水位为90.40 m，校核防洪水位为91.40 m。

需对表1所列举6种工况进行闸室稳定分析。

将赵口闸左联闸室关键参数输入Excel表格，生成特定格式数据文本，运行AutoLISP程序即可读取文本开始绘图、计算，闸室部分关键设计参数见表2。

4.1 三维模型绘制及工程量生成
利用已开发AutoLISP程序读取设计参数文本即可瞬时生成闸室三维模型并输出闸室主体工程量，赵口引黄涵闸左联闸室三维模型见图2。

4.2 渗流稳定计算结果生成
开发的AutoLISP程序可以循环生成设计引水位、最高运用水位、设計防洪水位和校核防洪水位4种工况下的渗流稳定计算结果，限于篇幅，在此仅列举校核防洪水位渗流稳定计算结果，见表3。

同时输出水平段渗透坡降J水平=0.15，出口段渗透坡降J出口=0.48。