基于VB.net的重力坝断面设计程序开发与研究

梅 强 李春雷 张 丹

(1.湖北省水利水电科学研究院，湖北 武汉 430070； 2.湖北金土规划勘测有限公司，湖北 武汉 430070)

·计算机技术及应用·

基于VB.net的重力坝断面设计程序开发与研究

梅 强1李春雷2张 丹1

(1.湖北省水利水电科学研究院，湖北 武汉 430070； 2.湖北金土规划勘测有限公司，湖北 武汉 430070)

通过VB.net编程工具，开发了重力坝基本剖面的优化设计程序，以基本剖面尺寸参数为循环变量并对其设定计算范围和步长，批量计算重力坝基本剖面的抗滑稳定安全系数及坝踵坝趾应力，最后将计算成果输出保存到Excel文件。

重力坝，基本剖面，VB.net，循环变量，安全系数

0 引言

目前重力坝基本剖面的优化计算程序，基本尺寸等参数需要人工拟定，重力坝所受的各种作用力和力臂需要人工计算，基本尺寸需要经过多次拟定试算，较为繁琐，且计算结果不能直接保存下来。因此，有必要开发批量计算重力坝基本剖面设计的程序。笔者采用VB.net可视化编程工具开发了重力坝基本剖面的优化设计程序，本程序操作简便，界面清晰，以基本剖面尺寸参数为循环变量并对其设定计算范围和步长，批量计算重力坝基本剖面的抗滑稳定安全系数及坝踵坝趾应力，并将计算成果输出保存到Excel文件，并且通过工程实例加以详细说明。

1 重力坝基本剖面设计的计算方法

1.1 计算模型的拟定

采用上游面部分倾斜的基本剖面作为计算模型。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 坝顶高程计算

在给定各种工况上游水位后，坝顶高程应大于坝前水位和坝顶超高之和的最大值。坝顶超高计算公式：

Δh=h1%+hz+hc。

其中，Δh为坝顶超高,m；h1%为累计频率1%的波高,m；hz为风壅高度,m；hc为安全加高,m。

其中，g为重力加速度,m/s2；D为吹程,m；L为波长,m；hz为壅高,m；v0为计算风速,m/s；H为坝前水深,m；hc为安全超高,m。

1.3 荷载计算

1)坝体自重。

坝体自重W(kN)的计算公式：

W=γc×V。

其中，V为坝体体积，m3；γc为坝体混凝土的重度，24kN/m3。

力矩作以下规定：以坝底中心为力矩，逆时针为正，顺时针为负。

2)静水压力。

静水压力分为水平水压力P和垂直水压力W两种。

P=(1/2)γwH2。

W=γw×V。

其中，V为坝前坝后水体体积，m3。

3)淤沙压力。

其中，γsb为淤沙浮容重，kN/m3；hs为淤沙高度，m；φs为淤沙内摩擦角，(°)。

4)波浪压力。

深水波浪压力计算公式：

5)安全系数计算。

坝体沿坝基面的抗滑稳定安全系数：

Ks=f(∑W-U)/∑P。

其中，f为坝基面的摩擦系数；∑W为坝基面所受的总垂直压力，kPa；U为坝基面所受的扬压力，kPa；∑P为坝基面所受的总水平推力，kPa。

6)坝体应力计算。

坝体的最大和最小应力一般出现在坝面上下游边缘：

2 计算程序和实例验证

2.1 工程实例和计算参数

某工程重力坝工程等级为3等，主要水工建筑物级别为3级，坝基高程771 m，正常蓄水位与设计洪水位高程均为848 m，相应下游水位793.1 m，校核洪水位高程均为652.74 m，相应下游水位801.4 m，上游坝坡边坡系数0.2～0.3，下游坝坡边坡系数0.7～0.9，主排水孔渗压系数0.25，混凝土与基岩摩擦系数0.65，淤沙高度31 m，淤沙浮容重5 kN/m3，淤沙内摩擦角28°，计算风速9.6 m/s，有效吹程2 000 m。

2.2 软件系统计算流程

采用VB.net面向对象的开发工具，开发了设计参数输入界面、依据规范公式的计算模块、计算结果展示界面以及成果保存至Excel链接工具。具体流程如下：

1)创建主体窗口：将“文本”“坝高计算”“单个断面设计”“批量断面演算”“演算结果查看”“帮助”6项主要功能集成在主窗口中。其中，“文本”提供主界面打开、保存、退出等功能，“帮助”提供程序施工方法和注意事项。点击“坝高计算”“单个断面设计”“批量断面演算”“演算结果查看”，都将打开一个新的子窗口，提供计算输入输出平台。

2)“坝高计算”子窗口：提供坝高计算参数输入界面，点击“计算”按钮即可通过上述公式计算出坝高，见图1。

3)“批量断面演算”子窗口：提供参数输入界面，包括：坝体基本断面尺寸范围、各工况水位、计算分项系数等；点击“计算”按钮即可通过上述公式批量计算给定断面尺寸范围内的安全系数和坝体最大最小应力，见图2。

4)“单个断面设计”子窗口：仅提供单个坝体基本断面尺寸的模型计算，与“批量断面演算”子窗口功能基本相同，不再赘述。

5)“演算结果查看”子窗口：提供单个或批量坝体基本断面的计算成果，见图3。同时，点击“保存”按钮即可将批量计算成果以Excel文件形式保存到指定文件夹下。

2.3 计算结果及结论

使用本系统对工程实例进行计算分析后，提供单个或批量坝体基本断面的计算成果，可以直观查看各断面尺寸的安全系数和坝体最大最小应力信息，仅一次计算操作，即可为设计者提供大量可供选择的基本剖面，为进一步的详细设计提供重要依据。

3 结语

根据重力坝设计的基本理论和规范要求，采用VB.net面对对象编程工具，开发了混凝土重力坝断面设计软件系统。本软件系统操作简单，界面友好，能够批量计算不同断面尺寸的坝体安全系数和最大最小应力，并且可将批量计算成果以Excel文件形式保存到指定文件夹下。通过工程实例的应用，计算出指定范围内每一种断面尺寸组合下的坝体安全系数和应力结果，证明本软件系统能够清晰便捷地批量得出满足规范要求的坝体断面尺寸，为进一步深入设计提供重要参考，计算结果可靠，很大程度上提高了重力坝设计效率，值得推广使用。

采用VB.net编程工具，不仅能够方便快捷地实现重力坝断面的可视化设计，而且能够达成大量其他水利水电工程设计的可视化模拟和演算，比如挡土墙、水闸、堤防等，为类似计算分析提供重要参考。

[1] 陈胜宏.水工建筑物[M].北京：中国水利水电出版社，2004：135-136.

[2] 董 刚,孙利宇,何署适.重力坝剖面设计的优化[J].吉林水利,1998(11):17-19.

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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 强(1984- )，男，硕士，工程师； 李春雷(1982- )，女，硕士，工程师； 张 丹(1984- )，女，硕士，工程师

TP311.52

A