基于VB.net的重力壩斷面設(shè)計(jì)程序開發(fā)與研究

梅 強(qiáng) 李春雷 張 丹

(1.湖北省水利水電科學(xué)研究院，湖北 武漢 430070； 2.湖北金土規(guī)劃勘測有限公司，湖北 武漢 430070)

·計(jì)算機(jī)技術(shù)及應(yīng)用·

基于VB.net的重力壩斷面設(shè)計(jì)程序開發(fā)與研究

梅 強(qiáng)1李春雷2張 丹1

(1.湖北省水利水電科學(xué)研究院，湖北 武漢 430070； 2.湖北金土規(guī)劃勘測有限公司，湖北 武漢 430070)

通過VB.net編程工具，開發(fā)了重力壩基本剖面的優(yōu)化設(shè)計(jì)程序，以基本剖面尺寸參數(shù)為循環(huán)變量并對其設(shè)定計(jì)算范圍和步長，批量計(jì)算重力壩基本剖面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)及壩踵壩趾應(yīng)力，最后將計(jì)算成果輸出保存到Excel文件。

重力壩，基本剖面，VB.net，循環(huán)變量，安全系數(shù)

0 引言

目前重力壩基本剖面的優(yōu)化計(jì)算程序，基本尺寸等參數(shù)需要人工擬定，重力壩所受的各種作用力和力臂需要人工計(jì)算，基本尺寸需要經(jīng)過多次擬定試算，較為繁瑣，且計(jì)算結(jié)果不能直接保存下來。因此，有必要開發(fā)批量計(jì)算重力壩基本剖面設(shè)計(jì)的程序。筆者采用VB.net可視化編程工具開發(fā)了重力壩基本剖面的優(yōu)化設(shè)計(jì)程序，本程序操作簡便，界面清晰，以基本剖面尺寸參數(shù)為循環(huán)變量并對其設(shè)定計(jì)算范圍和步長，批量計(jì)算重力壩基本剖面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)及壩踵壩趾應(yīng)力，并將計(jì)算成果輸出保存到Excel文件，并且通過工程實(shí)例加以詳細(xì)說明。

1 重力壩基本剖面設(shè)計(jì)的計(jì)算方法

1.1 計(jì)算模型的擬定

采用上游面部分傾斜的基本剖面作為計(jì)算模型。上游斜坡坡度通常取0～0.2，下游斜坡坡度通常取0.6～0.8。

1.2 壩頂高程計(jì)算

在給定各種工況上游水位后，壩頂高程應(yīng)大于壩前水位和壩頂超高之和的最大值。壩頂超高計(jì)算公式：

Δh=h1%+hz+hc。

其中，Δh為壩頂超高,m；h1%為累計(jì)頻率1%的波高,m；hz為風(fēng)壅高度,m；hc為安全加高,m。

其中，g為重力加速度,m/s2；D為吹程,m；L為波長,m；hz為壅高,m；v0為計(jì)算風(fēng)速,m/s；H為壩前水深,m；hc為安全超高,m。

1.3 荷載計(jì)算

1)壩體自重。

壩體自重W(kN)的計(jì)算公式：

W=γc×V。

其中，V為壩體體積，m3；γc為壩體混凝土的重度，24kN/m3。

力矩作以下規(guī)定：以壩底中心為力矩，逆時(shí)針為正，順時(shí)針為負(fù)。

2)靜水壓力。

靜水壓力分為水平水壓力P和垂直水壓力W兩種。

P=(1/2)γwH2。

W=γw×V。

其中，V為壩前壩后水體體積，m3。

3)淤沙壓力。

其中，γsb為淤沙浮容重，kN/m3；hs為淤沙高度，m；φs為淤沙內(nèi)摩擦角，(°)。

4)波浪壓力。

深水波浪壓力計(jì)算公式：

5)安全系數(shù)計(jì)算。

壩體沿壩基面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)：

Ks=f(∑W-U)/∑P。

其中，f為壩基面的摩擦系數(shù)；∑W為壩基面所受的總垂直壓力，kPa；U為壩基面所受的揚(yáng)壓力，kPa；∑P為壩基面所受的總水平推力，kPa。

6)壩體應(yīng)力計(jì)算。

壩體的最大和最小應(yīng)力一般出現(xiàn)在壩面上下游邊緣：

2 計(jì)算程序和實(shí)例驗(yàn)證

2.1 工程實(shí)例和計(jì)算參數(shù)

某工程重力壩工程等級為3等，主要水工建筑物級別為3級，壩基高程771 m，正常蓄水位與設(shè)計(jì)洪水位高程均為848 m，相應(yīng)下游水位793.1 m，校核洪水位高程均為652.74 m，相應(yīng)下游水位801.4 m，上游壩坡邊坡系數(shù)0.2～0.3，下游壩坡邊坡系數(shù)0.7～0.9，主排水孔滲壓系數(shù)0.25，混凝土與基巖摩擦系數(shù)0.65，淤沙高度31 m，淤沙浮容重5 kN/m3，淤沙內(nèi)摩擦角28°，計(jì)算風(fēng)速9.6 m/s，有效吹程2 000 m。

2.2 軟件系統(tǒng)計(jì)算流程

采用VB.net面向?qū)ο蟮拈_發(fā)工具，開發(fā)了設(shè)計(jì)參數(shù)輸入界面、依據(jù)規(guī)范公式的計(jì)算模塊、計(jì)算結(jié)果展示界面以及成果保存至Excel鏈接工具。具體流程如下：

1)創(chuàng)建主體窗口：將“文本”“壩高計(jì)算”“單個(gè)斷面設(shè)計(jì)”“批量斷面演算”“演算結(jié)果查看”“幫助”6項(xiàng)主要功能集成在主窗口中。其中，“文本”提供主界面打開、保存、退出等功能，“幫助”提供程序施工方法和注意事項(xiàng)。點(diǎn)擊“壩高計(jì)算”“單個(gè)斷面設(shè)計(jì)”“批量斷面演算”“演算結(jié)果查看”，都將打開一個(gè)新的子窗口，提供計(jì)算輸入輸出平臺(tái)。

2)“壩高計(jì)算”子窗口：提供壩高計(jì)算參數(shù)輸入界面，點(diǎn)擊“計(jì)算”按鈕即可通過上述公式計(jì)算出壩高，見圖1。

3)“批量斷面演算”子窗口：提供參數(shù)輸入界面，包括：壩體基本斷面尺寸范圍、各工況水位、計(jì)算分項(xiàng)系數(shù)等；點(diǎn)擊“計(jì)算”按鈕即可通過上述公式批量計(jì)算給定斷面尺寸范圍內(nèi)的安全系數(shù)和壩體最大最小應(yīng)力，見圖2。

4)“單個(gè)斷面設(shè)計(jì)”子窗口：僅提供單個(gè)壩體基本斷面尺寸的模型計(jì)算，與“批量斷面演算”子窗口功能基本相同，不再贅述。

5)“演算結(jié)果查看”子窗口：提供單個(gè)或批量壩體基本斷面的計(jì)算成果，見圖3。同時(shí)，點(diǎn)擊“保存”按鈕即可將批量計(jì)算成果以Excel文件形式保存到指定文件夾下。

2.3 計(jì)算結(jié)果及結(jié)論

使用本系統(tǒng)對工程實(shí)例進(jìn)行計(jì)算分析后，提供單個(gè)或批量壩體基本斷面的計(jì)算成果，可以直觀查看各斷面尺寸的安全系數(shù)和壩體最大最小應(yīng)力信息，僅一次計(jì)算操作，即可為設(shè)計(jì)者提供大量可供選擇的基本剖面，為進(jìn)一步的詳細(xì)設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。

3 結(jié)語

根據(jù)重力壩設(shè)計(jì)的基本理論和規(guī)范要求，采用VB.net面對對象編程工具，開發(fā)了混凝土重力壩斷面設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)。本軟件系統(tǒng)操作簡單，界面友好，能夠批量計(jì)算不同斷面尺寸的壩體安全系數(shù)和最大最小應(yīng)力，并且可將批量計(jì)算成果以Excel文件形式保存到指定文件夾下。通過工程實(shí)例的應(yīng)用，計(jì)算出指定范圍內(nèi)每一種斷面尺寸組合下的壩體安全系數(shù)和應(yīng)力結(jié)果，證明本軟件系統(tǒng)能夠清晰便捷地批量得出滿足規(guī)范要求的壩體斷面尺寸，為進(jìn)一步深入設(shè)計(jì)提供重要參考，計(jì)算結(jié)果可靠，很大程度上提高了重力壩設(shè)計(jì)效率，值得推廣使用。

采用VB.net編程工具，不僅能夠方便快捷地實(shí)現(xiàn)重力壩斷面的可視化設(shè)計(jì)，而且能夠達(dá)成大量其他水利水電工程設(shè)計(jì)的可視化模擬和演算，比如擋土墻、水閘、堤防等，為類似計(jì)算分析提供重要參考。

[1] 陳勝宏.水工建筑物[M].北京：中國水利水電出版社，2004：135-136.

[2] 董 剛,孫利宇,何署適.重力壩剖面設(shè)計(jì)的優(yōu)化[J].吉林水利,1998(11):17-19.

[3] SL 319—2005，混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] 蘇卷昌.漳平市澤源水電站重力壩優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].水利科技，2005(15)：89-90.

Program development and research of gravity dam section design based on VB.net

Mei Qiang1Li Chunlei2Zhang Dan1

(1.HubeiProvincialWaterConservancyandHydropowerResearchInstitute,Wuhan430070,China；2.HubeiGoldenLandPlanningSurveyCo.,Ltd,Wuhan430070,China)

The optimization design program of the basic profile of gravity dam is developed based on the VB.net programming tool. The procedures for the basic profile of size parameters for the calculation range and step cycle variable and the setting of batch computing basic profile of the anti sliding stability of gravity dam and the safety coefficient of dam heel stress of dam toe, and the calculation results are saved to the Excel file output.

gravity dam, basic section, VB.net, cyclic variable, safety factor

1009-6825(2017)01-0257-02

2016-10-26

梅 強(qiáng)(1984- )，男，碩士，工程師； 李春雷(1982- )，女，碩士，工程師； 張 丹(1984- )，女，碩士，工程師

TP311.52

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