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水力发电作为一种清洁能源,近年来得到了国家的大力扶持,水电建设也处于前所未有的大好形势下,但我们应该对维护水电站运行安全的复杂性有深刻的认识。同时在水电站这样一项庞大的系统工程中,如何保证大坝的安全性,对于整个水电站的安全运行的意义是十分巨大的。随着我国对于生产安全重视程度的不断提高,大坝的安全问题越来越得到重视,人们对大坝下游的人民生命财产潜在风险意识也在不断增加,虽然大坝失事的概率很小,但造成损失却是十分巨大的。而要预测和了解大坝失事后可能造成的影响,必须开展溃坝事故研究,因此对于溃坝事故的分析研究,以及对溃坝事故过程及结果的模拟对制定区域防洪应急预案、分析溃坝洪水风险都是非常必要的,具有很高的实际应用价值。
对大坝安全性研究不断深入,使关于渍坝问题的研究所涉及的领域也越来越广,对研究成果的要求也越来越高。而目前在此问题的研究过程中普遍应用的是数值模拟方法和采用物理模型研究方法。由于大坝的溃决过程很复杂,单独依靠抽象的数值模拟,而没有直观的可视化效果,又或者只依靠缩小比例的溃坝模型,而不能随意改变所研究坝体的参数的研究方法都表现出了一定的局限性。但随着计算机可视化技术的不断进步,为我们采用更新的研究方法研究该问题提供了有效地研究手段。而虚拟现实技术是一项发展迅速的高新技术,它汇集了计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人—机接口技术、传感器技术、高度并行实时计算技术和人的行为学研究等多项关键技术,是模拟仿真技术的最新、最高层次,是当今世界前沿科学之一。同时由于虚拟现实技术表现出的交互性(Interactivity)、沉浸性(Illusion of Immersion)、构想性(Imagination)、全息性(Multi Perceives)的特点,已经使其成为目前最热点的计算机模拟技术,从而被应用到了越来越多的研究领域中。基于这些情况,我们将虚拟现实技术引入水电施工溃坝事故模拟研究,不仅能够得到准确的溃坝事故结果分析数据,同时可视化,可交互的模拟系统也可以使溃坝事故研究变得轻松高效。
本文分五个部分。
第一部分介绍了课题的研究背景和意义以及本课题目前的研究现状。通过统计资料分析,得出土石坝漫顶溃坝事故在溃坝事故中占到了最大的比例,同时发现在建大坝虽然数量较少,但是在建大坝的溃坝事故所占的比例却偏高。
第二部分重点介绍了虚拟现实技术的发展概况、系统组成、特点以及建模方法。通过分析虚拟现实技术的特点以及建模方法,以此说明我们选用虚拟现实技术来实现溃坝事故模拟的可行性。并确定了该研究过程中需要用到的软件。
第三部分分析了漫顶溃坝的机理以及物理模型。漫顶溃坝就是坝体受水流侵蚀出现溃口,并且溃口在水流不断冲刷的作用下逐渐扩展的过程。并通过溃坝的物理模型,得出该研究的数学计算过程。
第四部分阐述了该溃坝事故虚拟现实模拟系统的实现过程。详细介绍了该模拟系统中的三维场景生成的方法,交互系统的设计则是以真实性、可操作性、总体设计和分步实施、数据完备和数据统一四个原则进行设计的。根据模拟的需要,我们将系统结构分为静态环境部分、动态模拟部分、视窗控制部分、图形用户接口(GUI)部分、逻辑控制(Logic)部分等五个模块组,并说明了运用虚拟现实软件最终将该系统的交互功能实现的过程。最后对事故模拟结果进行了简单验证。
第五部分为结论和展望。
我国目前已经拥有大坝86000多座,其中大型水坝25800多座,同时我国也是世界上在建大坝最多的国家,2008年我国在建的大型水电站依然在100座以上。数量如此众多的大坝在给我们提供电力,调节洪水方面发挥着巨大的作用,但是近年来时有发生的溃坝事故造成的恶性后果也不断提醒我们要时刻保持警惕,维护大坝的安全性。特别是目前在建的大坝,由于其在施工阶段防洪泄洪能力的不完善,更加应该提高警惕,运用先进的技术手段对大坝发生溃坝事故的可能性进行分析,并制定相应的事故应急预案。