堤坝安全超高快速计算方法

郑 钊，毋 甜，王伟锋

(河南黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003)

堤坝安全超高计算是最常见水利工程设计内容之一。堤坝安全超高计算主要依据有GB 50286—2013《堤防工程设计规范》[1]和SL274—2001《碾压式土石坝设计规范》[2]等，安全超高计算在SL 274—2001中作为“水利工程建设标准强制性条文”出现。安全超高计算偏高，会增大工程投资，造成不必要的浪费，反之，则可能对工程安全造成不利影响。因此，无论对于堤坝工程，河道整治工程或是渠系改扩建工程，堤坝安全超高的计算都是重要的设计任务之一。

安全超高y由波浪爬高R、风壅高度e以及安全加高A组成。以较为常用的莆田试验站公式为例，波浪平均波长计算公式为隐函数，传统Excel建表试算或采用单变量求解功能往往耗时耗力，且计算成果准确性偏低。其他参数如不同累积频率下的波高与平均波高比值(hp/hm)、安全超高A则需要繁琐的查表、内插计算后才能确定。因此，为了提高堤坝安全超高计算的效率和精度，提高堤坝安全超高设计质量。本文以最常用的办公软件Excel为载体，采用VBA语言进行二次开发编写计算、查表功能函数，实现堤坝安全超高的自动快速计算。

1 Excel VBA二次开发语言

VBA(Visual Basic for Applications)是Visual Basic的一种宏语言，是微软开发出来在其桌面应用程序中执行通用的自动化(OLE)任务的编程语言。主要可以用来扩展 Windows 的应用程序功能，特别是Microsoft Office软件，它也是一种应用程式视觉化的 Basic 脚本。

Microsoft Office是目前设计人员最常用的办公软件，其子软件Word、Excel、PowerPoint等都可以运用VBA进行二次开发，但基于VBA以Excel为平台进行二次开发，是将Visual Basic语言直接运用于Excel，无需安装任何其他软件或插件，即可有效扩展Excel功能，实现程序化、自动化分析计算，具有传统Excel手动建表计算分析所无可比拟的效率与精度。同时，VBA还可基于AutoCAD等软件进行二次开发，由于VBA具有诸多优点，其在水利工程中得到了广泛的应用[3-9]。

2 安全超高快速计算程序开发

2.1 计算公式

GB 50286—2013与SL 274—2001所提供的超高计算公式是一致的。其中，波浪的平均波高与平均波周期的计算都推荐了莆田试验站公式；而对于不同类型的水库，SL 274—2001又提供了鹤地水库公式、官厅水库公式。本文研究采用莆田试验站相关公式。

堤坝安全超过计算公式为：

y=R+e+A

(1)

式中，y—堤坝安全超高，m；R—设计波浪爬高，m；e—设计风壅水面高度，m；A—安全加高，m，根据建筑物级别确定。

(1)最大波浪在坝坡上的爬高计算

①当边坡系数m=1.5～5.0时：

(2)

②当边坡系数m≤1.25时，

Rm=KΔKWR0hm

(3)

③当边坡系数1.25

式中，KΔ—斜坡糙率渗透系数，需要根据护面类型查表确定；Kw—经验系数，需要查表(内插)确定；hm—平均波高，m；Lm—平均波长，m；m—坡度系数；R0—系数，需要查表(内插)确定。

(2)风壅水面高度计算公式为：

(4)

式中，D—风区长度，m；K—综合摩阻系数，取3.6×10-6；β—计算风向与堤坝轴线的夹角，(°)。

(3)计算波浪平均波高与平均波周期

采用莆田试验站公式：

(5)

(6)

式中，W—计算风速，m/s；Hm—水域平均深度，m；g—重力加速度，9.81m/s2。

2.2 程序开发思路

采用Excel VBA二次开发技术，编写计算、查表、内插等功能函数。由于功能函数较多，VBA代码较长，在此仅列举部分关键功能函数开发思路及代码。

(1)莆田试验站公式计算平均波长

由式(6)可知，平均波长计算公式为隐函数，本文采用二分法迭代求解，功能函数代码如图1所示。

图1 莆田试验站平均波长计算VBA代码

(2)查表、内插功能函数

查表主要采用VBA的Select Case … End Select实现，查表通过循环数组实现，求解经验系数Kw。功能函数代码如图2所示，求解不同累积频率波高功能函数部分代码如图3所示。

图2 查表、内插功能函数VBA代码

图3 查表求解不同累积频率波高功能函数部分代码

3 实例应用

以黄河下游某引黄灌区渠道改扩建工程为例，说明本文研究所开发程序在堤坝安全超高应用中的便利性与实用性。

渠道基本设计参数为：①渠道建筑物级别：3级；②设计流量Q=50m3/s；③渠道底宽b=18m；④边坡系数m=0(渠道断面为U型)；⑤糙率n=0.014(混凝土渠道)；⑥渠底比降i=1/5000；⑦当地平均风速Wz=18m/s。

将以上基本参数输入Excel表格之后，即可即时计算风壅水面高度e=0m、波浪爬高R=0.22m、渠堤安全超高A=0.70m，继而求和计算渠道安全超高y=R+e+A=0.92m。计算结果如图4所示。

由图4可知，快速计算方法仅需输入7个基础设计参数，计算思路清晰，过程详尽，计算结果随输入变化即时输出，可将设计人员从繁琐、重复的计算、查表(内插)中解脱出来，大大提高设计效率。该计算方法是以最常用的Excel软件为载体，不需添加或加载任何额外插件，可移植性强，使用方便快捷。

图4 堤坝安全超高计算界面

4 结语

(1)本文所开发堤坝安全超高快速计算方法以最常用的工作软件Excel为载体，运用VBA代码进行二次开发，编写了安全超高计算所需的查表、内插、迭代计算等功能函数，计算方法界面简洁，输入参数少，计算思路清晰，过程详尽，计算结果随输入变化即时输出，可将设计人员从繁琐的试算、查表(内插)工作中解脱出来，大幅度提高设计效率和质量。

(2)将Visual Basic语言直接运用于Excel，无需安装任何其他软件或插件，即可有效扩展Excel功能，该技术可广泛应用于水利工程规划设计工作中。本文研究基本思想可为其他水利工程设计采用VBA二次开发提供科学的参考，具有一定的借鉴意义。