溢流壩剖面設(shè)計(jì)軟件開發(fā)

張純永，辛全才

（西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

0 引言

重力壩[1]由于其結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、運(yùn)行可靠，而成為當(dāng)前壩工設(shè)計(jì)和建設(shè)中廣泛采用或作為方案比較的重要壩型之一。溢流壩屬于重力壩的一種類型，采用溢流壩來解決泄洪問題是極其常見的。在溢流壩剖面設(shè)計(jì)中，由于其曲面較多，荷載及應(yīng)力計(jì)算較困難，導(dǎo)致設(shè)計(jì)者的工作效率大大降低。為此，以SL 319—2005《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡稱 “規(guī)范”）為依據(jù)，以Visual Basic 6.0為開發(fā)平臺(tái)，采用材料力學(xué)的計(jì)算方法，設(shè)計(jì)開發(fā)了一款溢流壩剖面設(shè)計(jì)軟件，為溢流壩剖面設(shè)計(jì)提供一個(gè)有效的工具。

1 溢流壩剖面設(shè)計(jì)理論

1.1 溢流壩剖面設(shè)計(jì)

按照重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范[2]，溢流壩剖面設(shè)計(jì)的原則是：①有較高的流量系數(shù)，泄流能力大；②水流平順；③體形簡單，造價(jià)低，便于施工等。影響剖面設(shè)計(jì)的因素很多，如荷載、地基條件、運(yùn)用要求、施工條件等。設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮上述因素，進(jìn)行方案比較，從中選出最優(yōu)方案。

溢流壩的基本斷面為梯形，再根據(jù)水流情況修改為實(shí)用斷面。頂部為堰面曲線，中間為直線段，底部用反弧曲線與護(hù)坦或鼻坎連接。由于WES壩面曲線的流量系數(shù)較大且剖面較瘦，工程量較省，壩面曲線可用方程控制，因而得到了廣泛的采用。堰頂上游段曲線有圓弧、橢圓等形式，但從施工放樣考慮，多采用橢圓形式；堰頂下游面曲線采用冪曲線，其方程按規(guī)范選取。

1.2 溢流壩荷載的計(jì)算

計(jì)算的荷載主要有壩體自重、上下游靜水壓力（包括水平向和鉛直向）、揚(yáng)壓力、泥沙壓力 （包括水平向和鉛直向），當(dāng)水流流經(jīng)溢流壩壩面時(shí)，由于流向的改變，還需考慮動(dòng)水壓力。就工程的一般情況而言，不考慮冰壓力和溫度荷載[2-4]。揚(yáng)壓力計(jì)算考慮壩底設(shè)置防滲帷幕和排水孔時(shí)的情況。

1.3 溢流壩的穩(wěn)定與應(yīng)力分析

本文開發(fā)的軟件主要采用規(guī)范推薦的抗剪強(qiáng)度公式和抗剪斷強(qiáng)度公式進(jìn)行抗滑穩(wěn)定分析計(jì)算。采用材料力學(xué)方法對壩體應(yīng)力進(jìn)行分析。

2 溢流壩剖面設(shè)計(jì)軟件開發(fā)

2.1 總體設(shè)計(jì)

采用Microsoft Visual Basic 6.0企業(yè)版制作軟件系統(tǒng)的人機(jī)界面、數(shù)據(jù)輸入和輸出、溢流壩剖面驗(yàn)算工況選擇和計(jì)算以及結(jié)果保存等[5，6]。數(shù)據(jù)保存的結(jié)果為文本文件和excel表格文件，圖形保存為cad格式的文件。軟件內(nèi)的部分示意圖用Auto CAD繪制。

本軟件主要以實(shí)現(xiàn)四大功能為目標(biāo)，即各種不同工況對應(yīng)的剖面設(shè)計(jì)、剖面驗(yàn)算、計(jì)算結(jié)果輸出及剖面圖形輸出。整個(gè)軟件的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 溢流壩剖面設(shè)計(jì)軟件結(jié)構(gòu)

2.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)

為方便用戶使用，軟件未設(shè)密碼，用戶只需用鼠標(biāo)點(diǎn)擊 “進(jìn)入”按鈕即可進(jìn)入軟件主界面。

2.2.1 參數(shù)輸入界面設(shè)計(jì)

參數(shù)輸入包括水位、壩體參數(shù)、泥沙參數(shù)和計(jì)算參數(shù)輸入四部分。水位模塊需輸入的參數(shù)包括正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位以及相應(yīng)的下游水位；壩體參數(shù)模塊需輸入的參數(shù)包括堰頂高程、壩底高程、上下游壩坡坡度、上游折坡點(diǎn)高程、橢圓長半軸及短半軸系數(shù)、鼻坎高程及鼻坎挑角等；泥沙參數(shù)模塊需輸入的參數(shù)包括壩前淤沙高程、淤沙內(nèi)摩擦角及淤沙浮容重；計(jì)算參數(shù)包括壩底排水孔中心線到上游壩面的距離、壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪及抗剪斷摩擦系數(shù)、壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷凝聚力等。水位模塊需輸入的參數(shù)如圖2所示。軟件還在最后一個(gè)部分畫出了擬定的溢流壩基本剖面圖。用戶在使用時(shí)，只需點(diǎn)擊各個(gè)部分的頂端即可在各個(gè)模塊間進(jìn)行切換。當(dāng)用戶把參數(shù)全部輸入完之后，點(diǎn)擊 “確定”按鈕即可進(jìn)入計(jì)算和結(jié)果輸出界面。

圖2 水位參數(shù)

2.2.2 計(jì)算和輸出界面設(shè)計(jì)

該界面可以分別計(jì)算正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位三種工況下的荷載，進(jìn)行抗滑穩(wěn)定和應(yīng)力分析，并在文本框中顯示計(jì)算結(jié)果。若用戶輸入數(shù)據(jù)有誤， Msgbox函數(shù)將會(huì)給與錯(cuò)誤提示。另外，本軟件還可將計(jì)算結(jié)果輸出到Excel表格中，將壩體剖面圖直接繪制到AutoCAD中，并對其剖面進(jìn)行標(biāo)注。

3 溢流壩剖面設(shè)計(jì)軟件計(jì)算過程簡介

某工程等級為三級，主要水工建筑物為3級，正常蓄水位為179.0 m，相應(yīng)的下游水位為141.0 m；設(shè)計(jì)洪水位為181.0 m，相應(yīng)的下游水位為142.0 m；校核洪水位為184.0 m，相應(yīng)的下游水位為144.0 m。溢流壩堰頂高程171.5 m，溢流壩段設(shè)在河床中間，其左右均為非溢流壩，清基后壩基最低點(diǎn)高程為136.0 m；地基為花崗巖，抗剪摩擦系數(shù)為0.65；壩前淤沙高程為150 m，泥沙浮容重為8.0 kN/m3，泥沙內(nèi)摩擦角為18°。

當(dāng)用戶點(diǎn)擊 “登錄”按鈕進(jìn)入軟件主界面后，按照軟件的提示輸入所需要的各種參數(shù)，點(diǎn)擊 “確定”按鈕進(jìn)入計(jì)算界面。點(diǎn)擊各種工況計(jì)算按鈕便可進(jìn)行計(jì)算，其部分計(jì)算結(jié)果如圖3所示。校核洪水位工況下壩底抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)軟件計(jì)算結(jié)果為1.085 3，人工計(jì)算結(jié)果為1.08；應(yīng)力計(jì)算結(jié)果一致。表明該軟件計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。

當(dāng)用戶需要將計(jì)算結(jié)果輸出打印時(shí)，點(diǎn)擊 “數(shù)據(jù)輸出到excel”按鈕，即可將數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)輸出到excel表格中，如圖4所示。

圖3 計(jì)算結(jié)果

圖 4 數(shù)據(jù)輸出到excel表格

用戶還可將所計(jì)算的溢流壩剖面圖繪制在CAD中，只需點(diǎn)擊 “圖形輸出到CAD”按鈕，即可在CAD中繪制壩體剖面圖 （見圖5），大大提高了設(shè)計(jì)者的工作效率。如計(jì)算結(jié)果不滿足要求，用戶可重新輸入數(shù)據(jù)，再次計(jì)算。

4 結(jié)論

圖5 繪制溢流壩剖面

根據(jù)溢流壩設(shè)計(jì)的基本理論和基本原則，采用Visual Basic 6.0可視化編程工具開發(fā)出了一款可視化的溢流壩剖面設(shè)計(jì)軟件。該軟件可在三種獨(dú)立工況下，進(jìn)行溢流壩剖面的設(shè)計(jì)，并對其剖面進(jìn)行穩(wěn)定驗(yàn)算，還可將其計(jì)算結(jié)果輸出到Excel表格中，在CAD中繪制其剖面圖；其界面清楚、操作方便，經(jīng)實(shí)際工程應(yīng)用，表明其性能穩(wěn)定、安全可靠，可大大減少設(shè)計(jì)者的工作量，具有較大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

［1］ 潘家錚.重力壩設(shè)計(jì)［M］.北京：水利電力出版社，1987.

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

［3］ 華東水利學(xué)院.水工設(shè)計(jì)手冊［M］.北京：水利水電出版社，1987.

［4］ 林繼鏞.水工建筑物 （第四版）［M］.北京：水利水電出版社，2006.

［5］ 李書琴.程序設(shè)計(jì)教程［M］.西安：西北大學(xué)出版社，2005.

［6］ 張晉西.Visual Basic與 AutoCAD二次開發(fā)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2002.