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(guī)劃設(shè)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(shè)計內(nèi)容之一。堤壩安全超高計算主要依據(jù)有GB 50286—2013《堤防工程設(shè)計規(guī)范》[1]和SL274—2001《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》[2]等，安全超高計算在SL 274—2001中作為“水利工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)強制性條文”出現(xiàn)。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(shè)計任務(wù)之一。

安全超高y由波浪爬高R、風(fēng)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(shù)，傳統(tǒng)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(zhǔn)確性偏低。其他參數(shù)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(nèi)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(shè)計質(zhì)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(fā)編寫計算、查表功能函數(shù)，實現(xiàn)堤壩安全超高的自動快速計算。

1 Excel VBA二次開發(fā)語言

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

Microsoft Office是目前設(shè)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(fā)，但基于VBA以Excel為平臺進行二次開發(fā)，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(xiàn)程序化、自動化分析計算，具有傳統(tǒng)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(fā)，由于VBA具有諸多優(yōu)點，其在水利工程中得到了廣泛的應(yīng)用[3-9]。

2 安全超高快速計算程序開發(fā)

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(guān)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(shè)計波浪爬高，m；e—設(shè)計風(fēng)壅水面高度，m；A—安全加高，m，根據(jù)建筑物級別確定。

(1)最大波浪在壩坡上的爬高計算

①當(dāng)邊坡系數(shù)m=1.5～5.0時：

(2)

②當(dāng)邊坡系數(shù)m≤1.25時，

Rm=KΔKWR0hm

(3)

③當(dāng)邊坡系數(shù)1.25

式中，KΔ—斜坡糙率滲透系數(shù)，需要根據(jù)護面類型查表確定；Kw—經(jīng)驗系數(shù)，需要查表(內(nèi)插)確定；hm—平均波高，m；Lm—平均波長，m；m—坡度系數(shù)；R0—系數(shù)，需要查表(內(nèi)插)確定。

(2)風(fēng)壅水面高度計算公式為：

(4)

式中，D—風(fēng)區(qū)長度，m；K—綜合摩阻系數(shù)，取3.6×10-6；β—計算風(fēng)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(fēng)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(fā)思路

采用Excel VBA二次開發(fā)技術(shù)，編寫計算、查表、內(nèi)插等功能函數(shù)。由于功能函數(shù)較多，VBA代碼較長，在此僅列舉部分關(guān)鍵功能函數(shù)開發(fā)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(shù)，本文采用二分法迭代求解，功能函數(shù)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(nèi)插功能函數(shù)

查表主要采用VBA的Select Case … End Select實現(xiàn)，查表通過循環(huán)數(shù)組實現(xiàn)，求解經(jīng)驗系數(shù)Kw。功能函數(shù)代碼如圖2所示，求解不同累積頻率波高功能函數(shù)部分代碼如圖3所示。

圖2 查表、內(nèi)插功能函數(shù)VBA代碼

圖3 查表求解不同累積頻率波高功能函數(shù)部分代碼

3 實例應(yīng)用

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

渠道基本設(shè)計參數(shù)為：①渠道建筑物級別：3級；②設(shè)計流量Q=50m3/s；③渠道底寬b=18m；④邊坡系數(shù)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(dāng)?shù)仄骄L(fēng)速Wz=18m/s。

將以上基本參數(shù)輸入Excel表格之后，即可即時計算風(fēng)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(jié)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(chǔ)設(shè)計參數(shù)，計算思路清晰，過程詳盡，計算結(jié)果隨輸入變化即時輸出，可將設(shè)計人員從繁瑣、重復(fù)的計算、查表(內(nèi)插)中解脫出來，大大提高設(shè)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(jié)語

(1)本文所開發(fā)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(fā)，編寫了安全超高計算所需的查表、內(nèi)插、迭代計算等功能函數(shù)，計算方法界面簡潔，輸入?yún)?shù)少，計算思路清晰，過程詳盡，計算結(jié)果隨輸入變化即時輸出，可將設(shè)計人員從繁瑣的試算、查表(內(nèi)插)工作中解脫出來，大幅度提高設(shè)計效率和質(zhì)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(shù)可廣泛應(yīng)用于水利工程規(guī)劃設(shè)計工作中。本文研究基本思想可為其他水利工程設(shè)計采用VBA二次開發(fā)提供科學(xué)的參考，具有一定的借鑒意義。