鄭 釗，毋 甜，王偉鋒

(河南黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

堤壩安全超高計(jì)算是最常見(jiàn)水利工程設(shè)計(jì)內(nèi)容之一。堤壩安全超高計(jì)算主要依據(jù)有GB 50286—2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]和SL274—2001《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]等，安全超高計(jì)算在SL 274—2001中作為“水利工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制性條文”出現(xiàn)。安全超高計(jì)算偏高，會(huì)增大工程投資，造成不必要的浪費(fèi)，反之，則可能對(duì)工程安全造成不利影響。因此，無(wú)論對(duì)于堤壩工程，河道整治工程或是渠系改擴(kuò)建工程，堤壩安全超高的計(jì)算都是重要的設(shè)計(jì)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(yàn)站公式為例，波浪平均波長(zhǎng)計(jì)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(shí)耗力，且計(jì)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(jì)算后才能確定。因此，為了提高堤壩安全超高計(jì)算的效率和精度，提高堤壩安全超高設(shè)計(jì)質(zhì)量。本文以最常用的辦公軟件Excel為載體，采用VBA語(yǔ)言進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)編寫(xiě)計(jì)算、查表功能函數(shù)，實(shí)現(xiàn)堤壩安全超高的自動(dòng)快速計(jì)算。

1 Excel VBA二次開(kāi)發(fā)語(yǔ)言

VBA(Visual Basic for Applications)是Visual Basic的一種宏語(yǔ)言，是微軟開(kāi)發(fā)出來(lái)在其桌面應(yīng)用程序中執(zhí)行通用的自動(dòng)化(OLE)任務(wù)的編程語(yǔ)言。主要可以用來(lái)擴(kuò)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(jué)化的 Basic 腳本。

Microsoft Office是目前設(shè)計(jì)人員最常用的辦公軟件，其子軟件Word、Excel、PowerPoint等都可以運(yùn)用VBA進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，但基于VBA以Excel為平臺(tái)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，是將Visual Basic語(yǔ)言直接運(yùn)用于Excel，無(wú)需安裝任何其他軟件或插件，即可有效擴(kuò)展Excel功能，實(shí)現(xiàn)程序化、自動(dòng)化分析計(jì)算，具有傳統(tǒng)Excel手動(dòng)建表計(jì)算分析所無(wú)可比擬的效率與精度。同時(shí)，VBA還可基于AutoCAD等軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，由于VBA具有諸多優(yōu)點(diǎn)，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(jì)算程序開(kāi)發(fā)

2.1 計(jì)算公式

GB 50286—2013與SL 274—2001所提供的超高計(jì)算公式是一致的。其中，波浪的平均波高與平均波周期的計(jì)算都推薦了莆田試驗(yàn)站公式；而對(duì)于不同類(lèi)型的水庫(kù)，SL 274—2001又提供了鶴地水庫(kù)公式、官?gòu)d水庫(kù)公式。本文研究采用莆田試驗(yàn)站相關(guān)公式。

堤壩安全超過(guò)計(jì)算公式為：

y=R+e+A

(1)

式中，y—堤壩安全超高，m；R—設(shè)計(jì)波浪爬高，m；e—設(shè)計(jì)風(fēng)壅水面高度，m；A—安全加高，m，根據(jù)建筑物級(jí)別確定。

(1)最大波浪在壩坡上的爬高計(jì)算

①當(dāng)邊坡系數(shù)m=1.5～5.0時(shí)：

(2)

②當(dāng)邊坡系數(shù)m≤1.25時(shí)，

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(hù)面類(lèi)型查表確定；Kw—經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，需要查表(內(nèi)插)確定；hm—平均波高，m；Lm—平均波長(zhǎng)，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(jì)算公式為：

(4)

式中，D—風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度，m；K—綜合摩阻系數(shù)，取3.6×10-6；β—計(jì)算風(fēng)向與堤壩軸線(xiàn)的夾角，(°)。

(3)計(jì)算波浪平均波高與平均波周期

采用莆田試驗(yàn)站公式：

(5)

(6)

式中，W—計(jì)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(kāi)發(fā)思路

采用Excel VBA二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，編寫(xiě)計(jì)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(zhǎng)，在此僅列舉部分關(guān)鍵功能函數(shù)開(kāi)發(fā)思路及代碼。

(1)莆田試驗(yàn)站公式計(jì)算平均波長(zhǎng)

由式(6)可知，平均波長(zhǎng)計(jì)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(yàn)站平均波長(zhǎng)計(jì)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(shí)現(xiàn)，查表通過(guò)循環(huán)數(shù)組實(shí)現(xiàn)，求解經(jīng)驗(yàn)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(shí)例應(yīng)用

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

渠道基本設(shè)計(jì)參數(shù)為：①渠道建筑物級(jí)別：3級(jí)；②設(shè)計(jì)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(shí)計(jì)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(jì)算渠道安全超高y=R+e+A=0.92m。計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，快速計(jì)算方法僅需輸入7個(gè)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)，計(jì)算思路清晰，過(guò)程詳盡，計(jì)算結(jié)果隨輸入變化即時(shí)輸出，可將設(shè)計(jì)人員從繁瑣、重復(fù)的計(jì)算、查表(內(nèi)插)中解脫出來(lái)，大大提高設(shè)計(jì)效率。該計(jì)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(qiáng)，使用方便快捷。

圖4 堤壩安全超高計(jì)算界面

4 結(jié)語(yǔ)

(1)本文所開(kāi)發(fā)堤壩安全超高快速計(jì)算方法以最常用的工作軟件Excel為載體，運(yùn)用VBA代碼進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，編寫(xiě)了安全超高計(jì)算所需的查表、內(nèi)插、迭代計(jì)算等功能函數(shù)，計(jì)算方法界面簡(jiǎn)潔，輸入?yún)?shù)少，計(jì)算思路清晰，過(guò)程詳盡，計(jì)算結(jié)果隨輸入變化即時(shí)輸出，可將設(shè)計(jì)人員從繁瑣的試算、查表(內(nèi)插)工作中解脫出來(lái)，大幅度提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。

(2)將Visual Basic語(yǔ)言直接運(yùn)用于Excel，無(wú)需安裝任何其他軟件或插件，即可有效擴(kuò)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(jì)工作中。本文研究基本思想可為其他水利工程設(shè)計(jì)采用VBA二次開(kāi)發(fā)提供科學(xué)的參考，具有一定的借鑒意義。