堤壩安全超高快速計算方法

鄭 釗，毋 甜，王偉鋒

(河南黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

堤壩安全超高計算是最常見水利工程設計內容之一。堤壩安全超高計算主要依據有GB 50286—2013《堤防工程設計規范》[1]和SL274—2001《碾壓式土石壩設計規范》[2]等，安全超高計算在SL 274—2001中作為“水利工程建設標準強制性條文”出現。安全超高計算偏高，會增大工程投資，造成不必要的浪費，反之，則可能對工程安全造成不利影響。因此，無論對于堤壩工程，河道整治工程或是渠系改擴建工程，堤壩安全超高的計算都是重要的設計任務之一。

安全超高y由波浪爬高R、風壅高度e以及安全加高A組成。以較為常用的莆田試驗站公式為例，波浪平均波長計算公式為隱函數，傳統Excel建表試算或采用單變量求解功能往往耗時耗力，且計算成果準確性偏低。其他參數如不同累積頻率下的波高與平均波高比值(hp/hm)、安全超高A則需要繁瑣的查表、內插計算后才能確定。因此，為了提高堤壩安全超高計算的效率和精度，提高堤壩安全超高設計質量。本文以最常用的辦公軟件Excel為載體，采用VBA語言進行二次開發編寫計算、查表功能函數，實現堤壩安全超高的自動快速計算。

1 Excel VBA二次開發語言

VBA(Visual Basic for Applications)是Visual Basic的一種宏語言，是微軟開發出來在其桌面應用程序中執行通用的自動化(OLE)任務的編程語言。主要可以用來擴展 Windows 的應用程序功能，特別是Microsoft Office軟件，它也是一種應用程式視覺化的 Basic 腳本。

Microsoft Office是目前設計人員最常用的辦公軟件，其子軟件Word、Excel、PowerPoint等都可以運用VBA進行二次開發，但基于VBA以Excel為平臺進行二次開發，是將Visual Basic語言直接運用于Excel，無需安裝任何其他軟件或插件，即可有效擴展Excel功能，實現程序化、自動化分析計算，具有傳統Excel手動建表計算分析所無可比擬的效率與精度。同時，VBA還可基于AutoCAD等軟件進行二次開發，由于VBA具有諸多優點，其在水利工程中得到了廣泛的應用[3-9]。

2 安全超高快速計算程序開發

2.1 計算公式

GB 50286—2013與SL 274—2001所提供的超高計算公式是一致的。其中，波浪的平均波高與平均波周期的計算都推薦了莆田試驗站公式；而對于不同類型的水庫，SL 274—2001又提供了鶴地水庫公式、官廳水庫公式。本文研究采用莆田試驗站相關公式。

堤壩安全超過計算公式為：

y=R+e+A

(1)

式中，y—堤壩安全超高，m；R—設計波浪爬高，m；e—設計風壅水面高度，m；A—安全加高，m，根據建筑物級別確定。

(1)最大波浪在壩坡上的爬高計算

①當邊坡系數m=1.5～5.0時：

(2)

②當邊坡系數m≤1.25時，

Rm=KΔKWR0hm

(3)

③當邊坡系數1.25

式中，KΔ—斜坡糙率滲透系數，需要根據護面類型查表確定；Kw—經驗系數，需要查表(內插)確定；hm—平均波高，m；Lm—平均波長，m；m—坡度系數；R0—系數，需要查表(內插)確定。

(2)風壅水面高度計算公式為：

(4)

式中，D—風區長度，m；K—綜合摩阻系數，取3.6×10-6；β—計算風向與堤壩軸線的夾角，(°)。

(3)計算波浪平均波高與平均波周期

采用莆田試驗站公式：

(5)

(6)

式中，W—計算風速，m/s；Hm—水域平均深度，m；g—重力加速度，9.81m/s2。

2.2 程序開發思路

采用Excel VBA二次開發技術，編寫計算、查表、內插等功能函數。由于功能函數較多，VBA代碼較長，在此僅列舉部分關鍵功能函數開發思路及代碼。

(1)莆田試驗站公式計算平均波長

由式(6)可知，平均波長計算公式為隱函數，本文采用二分法迭代求解，功能函數代碼如圖1所示。

圖1 莆田試驗站平均波長計算VBA代碼

(2)查表、內插功能函數

查表主要采用VBA的Select Case … End Select實現，查表通過循環數組實現，求解經驗系數Kw。功能函數代碼如圖2所示，求解不同累積頻率波高功能函數部分代碼如圖3所示。

圖2 查表、內插功能函數VBA代碼

圖3 查表求解不同累積頻率波高功能函數部分代碼

3 實例應用

以黃河下游某引黃灌區渠道改擴建工程為例，說明本文研究所開發程序在堤壩安全超高應用中的便利性與實用性。

渠道基本設計參數為：①渠道建筑物級別：3級；②設計流量Q=50m3/s；③渠道底寬b=18m；④邊坡系數m=0(渠道斷面為U型)；⑤糙率n=0.014(混凝土渠道)；⑥渠底比降i=1/5000；⑦當地平均風速Wz=18m/s。

將以上基本參數輸入Excel表格之后，即可即時計算風壅水面高度e=0m、波浪爬高R=0.22m、渠堤安全超高A=0.70m，繼而求和計算渠道安全超高y=R+e+A=0.92m。計算結果如圖4所示。

由圖4可知，快速計算方法僅需輸入7個基礎設計參數，計算思路清晰，過程詳盡，計算結果隨輸入變化即時輸出，可將設計人員從繁瑣、重復的計算、查表(內插)中解脫出來，大大提高設計效率。該計算方法是以最常用的Excel軟件為載體，不需添加或加載任何額外插件，可移植性強，使用方便快捷。

圖4 堤壩安全超高計算界面

4 結語

(1)本文所開發堤壩安全超高快速計算方法以最常用的工作軟件Excel為載體，運用VBA代碼進行二次開發，編寫了安全超高計算所需的查表、內插、迭代計算等功能函數，計算方法界面簡潔，輸入參數少，計算思路清晰，過程詳盡，計算結果隨輸入變化即時輸出，可將設計人員從繁瑣的試算、查表(內插)工作中解脫出來，大幅度提高設計效率和質量。

(2)將Visual Basic語言直接運用于Excel，無需安裝任何其他軟件或插件，即可有效擴展Excel功能，該技術可廣泛應用于水利工程規劃設計工作中。本文研究基本思想可為其他水利工程設計采用VBA二次開發提供科學的參考，具有一定的借鑒意義。