基于VB.net的重力壩斷面設計程序開發與研究

梅 強 李春雷 張 丹

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

·計算機技術及應用·

基于VB.net的重力壩斷面設計程序開發與研究

梅 強1李春雷2張 丹1

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

通過VB.net編程工具，開發了重力壩基本剖面的優化設計程序，以基本剖面尺寸參數為循環變量并對其設定計算范圍和步長，批量計算重力壩基本剖面的抗滑穩定安全系數及壩踵壩趾應力，最后將計算成果輸出保存到Excel文件。

重力壩，基本剖面，VB.net，循環變量，安全系數

0 引言

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

1 重力壩基本剖面設計的計算方法

1.1 計算模型的擬定

采用上游面部分傾斜的基本剖面作為計算模型。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 壩頂高程計算

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

Δh=h1%+hz+hc。

其中，Δh為壩頂超高,m；h1%為累計頻率1%的波高,m；hz為風壅高度,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為計算風速,m/s；H為壩前水深,m；hc為安全超高,m。

1.3 荷載計算

1)壩體自重。

壩體自重W(kN)的計算公式：

W=γc×V。

其中，V為壩體體積，m3；γc為壩體混凝土的重度，24kN/m3。

力矩作以下規定：以壩底中心為力矩，逆時針為正，順時針為負。

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為淤沙內摩擦角，(°)。

4)波浪壓力。

深水波浪壓力計算公式：

5)安全系數計算。

壩體沿壩基面的抗滑穩定安全系數：

Ks=f(∑W-U)/∑P。

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

6)壩體應力計算。

壩體的最大和最小應力一般出現在壩面上下游邊緣：

2 計算程序和實例驗證

2.1 工程實例和計算參數

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，正常蓄水位與設計洪水位高程均為848 m，相應下游水位793.1 m，校核洪水位高程均為652.74 m，相應下游水位801.4 m，上游壩坡邊坡系數0.2～0.3，下游壩坡邊坡系數0.7～0.9，主排水孔滲壓系數0.25，混凝土與基巖摩擦系數0.65，淤沙高度31 m，淤沙浮容重5 kN/m3，淤沙內摩擦角28°，計算風速9.6 m/s，有效吹程2 000 m。

2.2 軟件系統計算流程

采用VB.net面向對象的開發工具，開發了設計參數輸入界面、依據規范公式的計算模塊、計算結果展示界面以及成果保存至Excel鏈接工具。具體流程如下：

1)創建主體窗口：將“文本”“壩高計算”“單個斷面設計”“批量斷面演算”“演算結果查看”“幫助”6項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。點擊“壩高計算”“單個斷面設計”“批量斷面演算”“演算結果查看”，都將打開一個新的子窗口，提供計算輸入輸出平臺。

2)“壩高計算”子窗口：提供壩高計算參數輸入界面，點擊“計算”按鈕即可通過上述公式計算出壩高，見圖1。

3)“批量斷面演算”子窗口：提供參數輸入界面，包括：壩體基本斷面尺寸范圍、各工況水位、計算分項系數等；點擊“計算”按鈕即可通過上述公式批量計算給定斷面尺寸范圍內的安全系數和壩體最大最小應力，見圖2。

4)“單個斷面設計”子窗口：僅提供單個壩體基本斷面尺寸的模型計算，與“批量斷面演算”子窗口功能基本相同，不再贅述。

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

2.3 計算結果及結論

使用本系統對工程實例進行計算分析后，提供單個或批量壩體基本斷面的計算成果，可以直觀查看各斷面尺寸的安全系數和壩體最大最小應力信息，僅一次計算操作，即可為設計者提供大量可供選擇的基本剖面，為進一步的詳細設計提供重要依據。

3 結語

根據重力壩設計的基本理論和規范要求，采用VB.net面對對象編程工具，開發了混凝土重力壩斷面設計軟件系統。本軟件系統操作簡單，界面友好，能夠批量計算不同斷面尺寸的壩體安全系數和最大最小應力，并且可將批量計算成果以Excel文件形式保存到指定文件夾下。通過工程實例的應用，計算出指定范圍內每一種斷面尺寸組合下的壩體安全系數和應力結果，證明本軟件系統能夠清晰便捷地批量得出滿足規范要求的壩體斷面尺寸，為進一步深入設計提供重要參考，計算結果可靠，很大程度上提高了重力壩設計效率，值得推廣使用。

采用VB.net編程工具，不僅能夠方便快捷地實現重力壩斷面的可視化設計，而且能夠達成大量其他水利水電工程設計的可視化模擬和演算，比如擋土墻、水閘、堤防等，為類似計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.重力壩剖面設計的優化[J].吉林水利,1998(11):17-19.

[3] SL 319—2005，混凝土重力壩設計規范[S].

[4] 蘇卷昌.漳平市澤源水電站重力壩優化設計[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(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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