（机械工程专业论文）水闸设计系统的研究及实现.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 本文根据水闸的设计需求，按照软件工程学原理，经过用户需求调研、概要设计、 详细设计、程序设计、软件测试等一系列环节，利用v i s u a lb a s i c 程序设计语言研制开 发水闸设计系统软件。 该系统通过现代化的计算手段能提高水闸设计工作的质量和效率，水闸设计人员 可利用该系统自动进行闸孔尺寸的确定、消能计算、渗流计算、稳定计算和结构计算等， 从而将水闸设计员从繁琐的计算工作中解脱出来。该系统采用丰富的图文界面，使用事 件驱动机制，用户使用简便，只需用鼠标点击某个菜单就能实现所选择的功能，单击一 个命令按钮就可以产生相应的操作。在设计过程中，该系统利用数据库的强大数据管理 功能，将水闸设计过程中用到的大量数据进行数据绑定，从而实现了水闸设计数据、v b 程序与数据库三者的无缝链接，方便了用户使用。 水闸设计系统将水闸计算要求与v b 语言、w i n d o w s 桌面、数据库管理有机结合， 从而可方便她实现人机对话，设计计算工作在计算机上连续完成，应用方法简单，便于 推广使用，充分显示了本系统的特色和优势。该系统除可应用于工程设计外，还可供水 利水电工程、水利水电工程施工、工程监理专业学生在课程设计和毕业设计中使用，具 有明显的社会效益和经济效益。 关键词：计算机应用；水闸设计；系统；无缝链接 丁爱萍：水闸设计系统的研究及实现 r e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no ft h es l u i c ed e s i g ns y s t e m a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h es l u i c ed e s i g nd e m a n da n dt h es o f t w a r ee n g i n e e r i n gp r i n c i p l e ，t h r o u g h t h eu s e r 。sn e e d si n v e s t i g a t i o na n dr e s e a r c h ，o u t l i n ed e s i g n i n g ，d e t a i l e dd e s i g n i n g ，p r o g r a m d e s i g n i n g ，s o f t w a r et e s t ，e t c ，t h es o f t w a r eo f t h es l u i c ed e s i g ns y s t e mi sd e v e l o p e db yv i s u a l b a s i ci nt h ea r t i c l e t l i ss y s t e mc a ni m p r o v et h eq u a l i t ya n de f f i c i e n c yo f t h es l u i c ed e s i g nw o r kt h r o u g ht h e m o d e r n i z e dc a l c u l a t i o nm e 0 2 1 s ，w h i l et h e s l u i c ed e s i g n e r sc a l lu s ei tt oa u t o m a t i c a l l y d e t e r m i n et h es i z eo ft h eg a t eo p e n i n g ，a n dd os u c hc a l c u l a t i o n sa se n e r g yd i s s i p a t i o n ， s e e p a g e ，s t e a d i n e s s ，s t r u c t u r e a n ds oo n t h u st h ed e s i g n e r sk r ef r e ef r o mt h et e d i o u s c a l c u l a t i o nw o r k s i n c et h i ss y s t e ma d o p t st h ea b t m d a n tp i c t u r ea n dt e x ti n t e r f a c e sa n dd r i v e n m e c h a n i s m ，t h eu s e r sc a nu s ei ts i m p l ya n dc o n v e n i e n t l y ，o n l yc l i c k i n gac e r t a i nm e n ut o r e a l i z et h ec h o s e nf u n c t i o n s ，a n dc l i c k i n ga no r d e rb u t t o nt op r o d u c ec o r r e s p o n d i n go p e r a t i o n ， i nd e s i g n i n g ，b ym e a n so f t h ed a t am a n a g e m e n tf u n c t i o n so f t h ed a t a b a s et h es y s t e mt i e su pa l a r g en u m b e ro fd a t au s e di nt h es l u i c ed e s i g n ，t h u sr e a l i z i n gt h en o - s e w i n gc h a i n i n go ft h e s l u i c ed e s i g nd a t a ，v bp r o c e d u r ea n dd a t a b a s e ，a n db r i n g i n gc o n v e n i e n c ef o rt h eu s e r s n l es l u i c ed e s i g ns y s t e mo r g a n i c a l l yc o m b i n e st h es l u i c e sc a l c u l a t i o nr e q u i r e m e n t sw i t h v bl a n g u a g e ，w i n d o w st a b l e t o p ，a n dd a t ab a s ea d m i n i s t r a t i o n ，t h u sc a r lr e a l i z em a n - m a c h i n e d i a l o g u ec o n v e u i e n t l y a st h ew o r ko fd e s i g na n dc a l c u l a t i o ni sf i n i s h e di ns u c c e s s i o n0 nt h e c o m p u t e r ，t h em e t h o di ss i m p l ea n de a s yt op o p u l a r i z e ，f u l l ys h o w i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n d a d v a n t a g e so ft h i ss y s t e m t h i ss y s t e mc a nb en o to n l ya p p l i e dt oe n g i n e e r i n gd e s i g n s ，b u t a l s os u i t a b l ef o rs t u d e n t s m a j o r i n g i n c o n s e r v a n c y & h y d r o e l e c t r i ce n g i n e e r i n g c o n s e r v a n c y h y d r o e l e c t r i ce n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o na n dp r o j e c ts u p e r v i s i o nt h e yc a l l u s ei ti nt h ec o u r s ea n dg r a d u a t i o nd e s i g n s t h e r e f o r et h i ss y s t e mh a sr e m a r k a b l es o c i a la n d e c o n o m i cb e n e f i t k e yw o r d s ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o n ；s l u i c ed e s i g n ；s y s t e m ：n o s e w i n gc h a i n i n g 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 奎垄望三奎兰皇些堂焦堡主塑堕塞 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 | 坦 缓蕴 导师签名：翻嗑! 虹 大连理工大学专业学位硕士学位论文 引言 水工建筑物是一门综合性的学科，由于受地形、地质、水流等自然条件的影响，使 得各建筑物布置差异较大，计算分析方法也不同，由此具有突出的复杂性和个别性。当 前已开发的专业应用软件多是为求解结构应力场、温度场、渗流场等工程物理问题的精 确解法和方法优化设计的计算程序，而针对水工建筑物设计的方便实用的应用软件几乎 是空自，远远滞后于土建设计行业。水闸是应用广泛的典型水工建筑物，构造复杂，设 计计算繁琐，工作量大。为了利用现代计算手段，提高水闸设计工作的质量和效率，将 水闸设计人员从繁重的计算工作中解脱出来，故对水闸设计系统进行研究并开发水闸设 计软件。 水闸设计系统开发是多学科综合性和实践性都很强的工作，水闸设计系统涉及到水 利、土木工程、软件工程、数据库、程序设计语言等多个学科。所以，本论文选择典型 的水闸的基本设计理论和常用的设计方法，以v i s u a lb a s i c 为开发平台，结构设计由 v i s u a lb a s i c 编制的计算程序进行，可在窗体界面上选择菜单中的相应命令来方便地实 现计算功能。 本系统具有图形显示和文字说明的功能。本论文用v b 编制的程序提供给用户个 丰富的图文界面，既清晰明了，又减少设计工作的乏味，使用方便，用户只需用鼠标点 击某个菜单就能实现所选择的功能，单击一个命令按钮就可以产生相应的操作。 本系统采用灵活方便的方法实现自己的设计，其突出特点主要体现在：确定闸孔尺 寸中在计算侧收缩系数和淹没系数时，将表格中的数据编入程序中，从而使用户从繁琐 的计算和查表中解脱出来；消能防冲计算工作量大，消力池尺寸的确定采用了试算的方 法，解决了平面闸门平底板宽顶堰的水力计算问题：渗流计算中由于改进的阻力系数的 计算公式较复杂，并且进口段、垂直段、水平段的计算公式均不相同，本系统不需输入 公式，即可计算出各段的阻力系数，并且进出口段的阻力系数修正可自动完成，使复杂 的计算变成简单的操作；稳定计算程序解决了开敞式水闸完建期、正常使用期、设计洪 水期等几种设计情况的闸室稳定计算，程序可完成闸室基地应力计算、地基承载力验算、 不均匀系数验算、抗滑稳定安全系数的验算；闸室结构计算的工作量大，尤其是计算闸 底板内力系数时需查郭氏表，本系统把郭氏表中的数据存入数据库中，计算时只需调出 该数据库，即可直接使用，节省了大量的查表和计算时间。 本系统将水闸计算要求与v b 语言、w i n d o w s 桌面有机结合，从而可方便地实现人 机对话，操作方便，设计计算工作在计算机上连续完成，充分显示了本系统的特色和优 势，应用方法简单，便于推广使用。除应用工程设计外，还可供水利水电工程、水利水 丁爱萍：水闸设计系统的研究及实现 电工程施工、工程监理专业学生在课程设计和毕业设计中使用，具有明显的社会效益和 经济效益。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 问题的提出 水是自然界一切生命赖以生存不可替代的物质，又是社会发展不可缺少的重要资 源。据统计，地球上的水的总量为1 3 8 6 亿k 矗，但大部分是不能直接用于生活、工业 及农田灌溉的海水，占总量的9 6 。5 4 。和人类生活息息相关的淡水量仅为o 0 4 7 亿k m 3 ， 占总水量的o 3 4 ，它包括地表水和浅层地下水，这部分淡水称为水资源【”。 1 1 我国水资源分布状况 我国多年平均水资源总量为2 8 1 2 4 4 亿m j ，其中河川多年平均年径流量2 7 1 1 5 3 亿 m 3 ，居世界第六位。由于我国人口多，人均水资源为2 1 6 3 4 m 3 ，仅为世界人均水资源占 有量的1 4 ，列世界第1 2 1 位，是世界上水资源贫乏的国家【2 j 。 我国幅员辽阔，自然条件相差悬殊，使水资源在时间、空间上分布不合理。东南沿 海七省区( 上海、江苏、福建、广东、广西、海南、台湾) 年均水资源占全国水资源量 的2 5 2 ，雨水充沛。而西北五省区年均水资源仅为全国年均水资源量的7 9 ，地区内 干旱少雨。同时，不同地区和同一地区年际及年内汛期和枯水期的水量相差很大。在汛 期( 北方6 9 月为汛期，南方为5 8 月) 内可集中全年雨量的6 0 8 0 ，而桔水季 节或枯水年雨量又很小，雨量的偏多或偏少往往造成洪涝或干旱等自然灾害。如黄河流 域1 8 7 7 年1 8 7 9 年连续三年太早，使晋、冀、鲁、豫四省因饥饿而死亡人数达1 3 0 0 万人。1 9 3 1 年夏，长江沙市出现6 3 6 0 0 m 3 s 的洪峰，水灾遍及湘、鄂、浙、赣、豫、皖、 苏七省2 0 6 县，淹没农田5 0 0 0 余万亩，灾民8 0 0 多万人，被洪水夺取性命者达1 4 5 万 人，死于饥饿、瘟疫者不计其数。1 9 9 8 年长江、松花江流域特大洪水使国家遭受2 0 0 0 多亿元的经济损失例。 1 2 我国水资源的开发利用 中华人民共和国成立以后，我国水资源的开发利用以七大水系开发为中心取得了举 世瞩目的成绩。其中，黄、淮、海、辽四流域水资源利用率达到4 0 ，2 0 0 0 年全国可 供水量为6 6 7 8 亿m 3 ，与1 9 8 0 年相比净增供水量1 9 4 3 亿m 3 。作为农业的基础保证，实 现了粮食的自给自足；为我国工业的发展、城镇人民生活水平的提高提供了水源；干旱 地区植树种草、蔬菜果树及畜牧业等基本用水逐渐得到保障 4 】。 但是我国人均水资源量及现有的农业、工业用水的利用率还远低于世界发达国家相 应水平。随着国民经济的高速发展和水体污染程度的日趋严重，现有的水资源开发利用 状况己不适应我国生产力的发展，虽然黄、淮、海、辽四流域水资源利用率较高，但缺 丁爱萍：水闸设计系统的研究及实现 水2 6 7 亿m 3 ，占缺水总数的6 4 ，而一些出境河流及黄河上游、长江上游、长江中下 游两岸、珠江三角洲等地区则属于余水地区。 因此，为达到水资源的合理配置和有效利用，就必须充分发挥水利工程的作用，提 高工程效益；节约用水、合理用水：严格执行国家环保法规，控制污水排放量和排污标 准；修建蓄水工程，增加供水能力等。 1 3 水利工程和水闸 水利工程是指对自然界的地表水和地下水进行控制和调配，以达到除害兴利的目的 而修建的工程。水利工程可以在时间上重新分配水资源，做到防洪补枯，以防止洪涝灾 害和发展灌溉、发电、供水、航运等事业。 在水利工程中，按照防洪、灌溉、发电、供水、航运等目的而修建的不同类型的建 筑物称为水工建筑物。按水工建筑物的用途可分为：挡水建筑物、泄水建筑物、取水建 筑物、整治建筑物等【5j 。 水闸是一种低水头的水工建筑物，兼有挡水和泄水的作用，用于调节水位、控制流 量，以满足水利事业的各种需求。 中华人民共和国成立以来，为防洪、排涝、灌溉、挡潮以及供水、发电等各种目的， 修建了上千座大中型水闸和难以数计的小型涵闸，促进了工农业生产的不断发展，给国 民经济到来了很大的效益，并积累了丰富的工程经验。1 9 8 8 年建成的长江葛洲坝水利枢 纽，其中的二江泄洪闸共2 7 孔，闸高3 3 m ，最大泄量达8 3 9 0 0 i i l 3 s ，位居全国之首，运 行情况良好怕j 。 1 4 本系统开发的缘由 水利是国民经济的基础产业。随着我国水利事业的发展，水利工程建设日益得到国 家和地方政府的重视。由于水工建筑物受地形、地质、水流等自然条件的影响，因此具 有突出的复杂性和个别性。当前己开发的专业应用软件多是为求解结构应力场、温度场、 渗流场等工程物理问题的精确解法和方案优化设计的计算程序，而针对水工建筑物设计 的软件由于多是采用基本b a s i c 语言和f o r t r a n 语言编制的，而水工建筑物设计涉及到的 参数变化、控制条件、初始值较多，编制的程序较繁。并且用户必须具备b a s i c 语言和 专业基础知识才能使用，程序的适应性较差。因此，目前能够满足水工建筑物设计的方 便适用的应用软件及专业绘图软件几乎是空白，远远滞后于建筑行业。设计人员在水利 工程设计中要用大量的时间试算或重复计算，计算机绘图也需耗费相当多的时间。 根据教学和生产设计需要，黄河水利职业技术学院要求，选择水闸、重力坝、土石 坝三种建筑物开发设计软件和专业制图软件，使水工建筑物设计从尺寸的拟定到方案优 大连理工大学专业学位硕士学位论文 化，从设计计算到设计图绘制都能够在w i n d o w s 桌面上自动完成，节省人力和时间， 探索水工建筑物设计空间，填补水工建筑物专业制图软件的空白。 本人在水工建筑物设计软件开发项目中参与项目的总体规划，并对水闸设计系 统作了重点研究。本论文的主要工作是“水闸设计系统的研究及实现”。 1 5 系统的目标 在计算机中以简便直观的方式，实现水闸、重力坝、土石坝三种水工建筑物尺寸的 拟定和方案优化，将设计人员从烦琐的大量试算和重复计算中解脱出来。 1 ，6 本系统的应用范围 本系统可供工程技术人员在小型水工建筑物设计中使用，可供高等院校水利类专业 课程设计、毕业设计中使用。 丁爱萍：水闸设计系统的研究及实现 2 可行性研究 2 1 本系统开发的必要性 水闸、重力坝、土石坝的设计和计算工作量巨大，是从事本专业学习和工程技术人 员水工建筑物设计中必须切实面对的工作，但一直以来人们使用传统的人工方式来设计 和计算，这种手工方式存在着许多缺点，如效率低、精度差且较为烦琐。随着水工建筑 物设计要求和设计方案优化程度的提高，其工作量也将大大增加，这必然增加设计人员 的工作量和劳动强度，给水工建筑物数据信息的保存、查找、更新和维护都带来了很多 困难。 经调查，目前我国水利类高等院校中基本上对水工建筑物的设计和计算还停留在人 工计算的基础上，尤其是高职高专和中专院校的水工设计和计算，已经不能适应时代的 发展，其计算方法将浪费许多人力和物力。随着科学技术的不断提高，这种传统的手工 计算方法必然被以计算机为工具的数据计算方法所取代。 水工建筑物设计软件作为计算机在专业中应用的一个方面，有着手工设计和计算无 法比拟的优点，如计算速度快、计算精度高、可靠性强、存储量大、保密性好、寿命长、 成本低等。这些优点能够极大地提高水工建筑物设计的效率。因此，开发一套能够为用 户提供充足信息和快捷计算手段的水工建筑物设计软件是非常必要的。 2 2 本系统开发的可行性 根据本系统的设计目标，结合设计者目前的设备状况和技术水平等，开发水工建筑 物设计软件是完全可行的。 ( 1 ) 基本条件上的可行性。 本系统开发完成后，可供全国高等院校水利类专业课程设计、毕业设计，以及工程 技术人员在设计时使用，具有一定的推广价值。 设计者目前有微机、打印机、刻录机、扫描仪、数码摄像机等现代化的办公机具， 完全能够满足本系统的开发使用要求，不需要另外购置设备。另外，本系统由黄河水利 职业技术学院提供2 万元的项目开发费，主要用于系统开发的调研、考察，以及系统开 发过程中的加班补贴和劳务等。 ( 2 ) 技术上的可行性。 按照用户提出的要求，设计者采用v i s u a lb a s i c 语言作为开发环境，v i s u a lb a s i c 对 计算机配置的要求不高，并且设计者目前所使用的计算机配置均为主流配置，如c p u 为p 4 ，8 0 g 硬盘，5 1 2 m b 内存，无论是硬件还是软件技术上都能满足用户提出的要求。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 此外，该系统开发人员具有扎实的编程技术，具有项目开发的实际经验，技术上是可行 性的。 ( 3 ) 管理上的可行性。 本系统得到了黄河水利职业技术学院院领导的大力支持和直接指导，系统设计人员 具有严谨的工作作风和一丝不苟的工作态度，开发人员与用户之间具有畅通的沟通环 境，信息交流快捷。 总之，用计算机进行水工建筑物设计软件的开发省时、省力、不易出错、速度快、 精度高，是十分必要的和紧迫的，同时系统项目开发无论是在经济上、还是在技术上和 管理上都是可行的。 丁爱萍：水闸设计系统的研究及实现 3 需求分析 3 1 用户调查 为叙述清晰起见，本节用户调查中只涉及本论文设计的水闸部分。 通过多次用户调奄和访谈，本系统对水闸的类型、工作特点，以及设计计算过程有 了比较充分的了解。下面将了解到的情况简要介绍如下。 3 1 1 水闸的类型 水闸的种类很多，通常按其所承担的任务和闸室的结构形式来进行分类【7 j 。 ( 1 ) 按水闸所承担的任务分类 水闸按所承担的任务可分为节制闸、进水闸、分洪闸、排水闸、挡潮闸。此外，还 有为排除泥沙、冰块、漂浮物等设置的排沙闸、排冰闸、排污闸等。 节制闸( 或拦河闸) 是拦河或在渠道上建造。枯水期用以拦截河道，抬高水位，以 利于上游取水或航运要求；洪水期则开闸泄洪，控制下泄流量。位于河道上的节制闸称 为拦河闸。 进水闸建在河道、水库或湖泊的岸边，用来控制引水流量，以满足灌溉、发电或供 水的需要。进水闸又称取水闸或渠首闸。 分洪闸常建于河道的一侧，用来将超过下游河道安全泄量的洪水泄入预定的湖泊、 洼地，以便及时削减洪峰，保证下游河道的安全。 排水闸常建于江河沿岸，外河水位上涨时关闸以防外水倒灌，外河水位下降时开闸 排水，排除两岸低洼地区的涝渍。该闸具有双向挡水，有时双向过流的特点。 挡潮闸建在入海河口附近，涨潮时关闸不使海水沿河上溯，退潮时开闸泄水。挡潮 闸具有双向挡水的特点。 ( 2 ) 按闸室结构形式分类 水闸按闸室结构的形式可分为开敞式水闸、涵洞式水闸。 开敞式水闸的闸室上面不填土进行封闭。一般在有泄洪、排水、过木等要求时，多 采用不带胸墙的开敞式水闸，多用于拦河闸、排冰闸等；当上游水位变幅大，而下泄流 量又有限制时，为避免闸门过高，常采用带胸墙的开敞式水闸，如进水闸、排水闸、挡 潮闸多用这种形式。 涵洞式水闸是指闸( 洞) 身上面填土封闭的水闸，又称封闭式水闸。常用于穿堤取 水或排水的水闸。洞内水流可以是有压的或者是无压的。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 3 1 ，2 水闸的工作特点 水闸既能挡水，又能泄水，且多修建在软土地基上，因而它在稳定、防渗、消能防 冲及沉降等方面都有其自身的特点喁。9 j 。 稳定方面：关门挡水时，水闸上、下游较大的水头差造成较大的水平推力，使水闸 有可能沿基面产生向下游的滑动，为此，水闸必须具有足够的重力，以维持自身稳定。 防渗方面：由于上下游水位差的作用，水将通过地基和两岸向下游渗流。渗流会引 起水量损失，同时地基土在渗流作用下，容易产生渗透变形。严重时闸基和两岸的土壤 会被淘空，危及水闸安全。渗流对闸室和两岸联接建筑物的稳定不利。因此，应妥善进 行防渗设计。 消能防冲方面：水闸开闸泄水时，在上、下游水位差的作用下，过闸水流往往具有 较大的动能，流态也较复杂，而土质河床的抗冲能力较低，可能引起冲刷。此外，水闸 下游常出现波状水跃和折冲水流，会进一步加剧对河床和两岸的淘刷。因此，设计水闸 除应保证闸室具有足够的过水能力外，还必须采取有效的消能防冲措施，以防止河道产 生有害的冲刷。 沉降方面：土基上建闸，由于土基的压缩性大，抗剪强度低，在闸室的重力和外部 荷载作用下，可能产生较大的沉降影响正常使用，尤其是不均匀沉降会导致水闸倾斜， 甚至断裂。在水闸设计时，必须合理地选择闸型、构造，安排好施工程序，采取必要的 地基处理等措施，以减少过大的地基沉降和不均匀沉降。 3 1 3 水闸的组成 水闸通常由上游联接段、闸室段和下游联接段三部分组成。 上游联接段：主要作用是引导水流平稳地进入闸室，同时起防冲、防渗、挡土等作 用。一般包括上游翼墙、铺盖、护底、两岸护坡及上游防冲槽等。上游翼墙的作用是引 导水流平顺地进入闸孔并起侧向防渗作用。铺盖主要起防渗作用，其表面应满足抗冲要 求。护坡、护底和上游防冲槽( 齿墙) 是保护两岸土质、河床及铺盖头部不受冲刷。 闸室段：闸室是水闸的主体部分，通常包括底板、闸墩、闸门、胸墙、工作桥及交 通桥等。底板是闸室的基础，承受闸室全部荷载，并较均匀地传给地基，此外，还有防 冲、防渗等作用。闸墩的作用是分隔闸孔并支承闸门、工作桥等上部结构。闸门的作用 是挡水和控制下泄水流。工作桥供安置启闭机和工作人员操作之用。交通桥的作用是连 接两岸交通。 下游联接段：具有消能和扩散水流的作用。一般包括护坦、海漫、下游防冲槽、下 游翼墙及护坡等。下游翼墙引导水流均匀扩散兼有防冲及侧向防渗等作用。护坦具有消 丁爱萍：水闸设计系统的研究及实现 能防冲作用。海漫的作用是进一步消除护坦出流的剩余动能、扩散水流、调整流速分布、 防止河床受冲。下游防冲槽是海漫末端的防护设施，避免冲刷向上游扩展。 3 1 4 闸子l 型式的选择 闸孔形式一般有宽顶堰型、低实用堰型和胸墙孔曰型三种。 宽顶堰：是水闸中最常用的底板结构形式。其主要优点是结构简单、施工方便，泄 流能力比较稳定，有利于泄洪、冲沙、排淤、通航等；其缺点是自由泄流时流量系数较 小，容易产生波状水跃。 低实用堰：有梯形、曲线形和驼峰形之分。实用堰自由泄流时流量系数较大，水流 条件较好，选用适宜的堰面曲线可以消除波状水跃；但泄流能力受尾水位变化的影响较 为明显。上游水深较大时，采用这种孔口形式，可以减小闸门高度。 胸墙孔口型：当上游水位变幅较大过闸流量较小时，常采用胸墙孔口型。可以减小 闸门高度和启门力，从而降低工作桥高和工程造价。 3 2 用户需求 近年来，我国的计算机应用事业迅速发展，大批科技人员、高等院校学生、管理人 员以及各行各业的在职人员都学习了基本的计算机知识，他们已经认识到，计算机知识 是当代知识结构中不可缺少的重要部分。现在掌握和学习计算机技术的人也是越来越 多，大多具有了计算机的初步知识。这也为本软件开发后的使用奠定了基础。 3 2 1 用户工作流程 经过详细的调研，并多次与水工建筑物任课老师进行研讨后，我们首先加深了对水 工建筑物专业的深刻了解，其次在充分熟悉设计和计算业务的同时，将整个水工建筑物 设计软件的使用流程按软件工程学的观点 1 0 - 1 1 1 描述如下： ( 1 ) 用户进入系统主界面，可根据需要选择要设计和计算的内容。 ( 2 ) 输入需要计算的初始数据。 ( 3 ) 设计和计算结束后，用户查看运算结果。 ( 4 ) 用户退出系统。 根据以上总结，得出其工作流程如图3 1 所示。 图3 1 用户工作流程 f i g 3 1u s e rw o r kf l o w 大连理工大学专业学位硕士学位论文 3 2 2 用户要求实现的功能 用户要求对水工中最重要的三种建筑物( 水闸、重力坝、土石坝) 进行设计和计算 的程序开发，要求实现的功能如下： ( 1 ) 水闸 水闸闸孔尺寸确定计算。 水闸宽项堰过流能力及消能防冲计算。 用改进阻力系数法计算闸底的渗透力。 水闸闸室稳定计算。 弹性地基梁的内力计算、内力图绘制及配筋计算。 ( 2 ) 重力坝 重力坝剖面优化设计。 重力坝任意断面应力计算。 重力坝坝基稳定分析计算。 重力坝下游消能计算。 ( 3 ) 土石坝 土石坝剖面设计。 土石坝渗流计算。 土石坝稳定计算。 ( 4 ) 设计图绘制 根据水工建筑物的典型设计资料，将设计图整体图形和细部构造分成若干模块，汇 集成图库。绘制设计图时可以查阅，也可以直接调出选择好的模块在其上进行修改，并 且可以把若干个模块组合成整体，提高成图速度。 丁爱萍：水闸设计系统的研究及实现 4 概要设计 4 1 系统设计的总体思路 该系统设计的思想是将整个系统分为两个功能模块，即计算程序和计算机绘图。系 统具有图形显示和文字说明的功能。设计者用v b 编制的程序提供给用户的界面不仅包 含字符，而且还包括各种图形。用户用鼠标单击某个菜单就能实现所选择的功能，单击 某一个按钮就能进行相应的操作。这样，就可以采用人机对话的方式使用所需的程序。 4 2 系统各部分实现的功能模块 根据用户调查所获得的资料，将该项目各部分实现的功能设定为： ( 1 ) 水闸设计 闸孔尺寸的确定。 闸孔尺寸确定是在计算侧收缩系数和淹没系数时，将表格中的数据编入程序中，因 而使用户从繁琐的计算和查表中解脱出来。 消能防冲计算。 消能防冲计算程序的功能是解决平面闸门平底板宽顶堰的水力计算问题，包括绘制 下游水位流量关系曲线；消能防冲设计计算工作量大，尤其是消力池尺寸的确定采用试 算的方法，本系统应能较好地解决该问题。 渗流计算。 渗流计算中由于改进的阻力系数的计算公式较复杂，并且进口段、垂直段、水平段 的计算公式均不相同。本系统应不需输入公式，即可计算各段的阻力系数，并且进口段 的阻力系数修正可自动完成，使复杂的计算变成简单的操作。 稳定计算。 稳定计算程序的功能是解决开敞式水闸完建期、正常运用期和设计洪水期等几种设 计情况的闸室稳定计算。系统应能完成闸室基底应力计算、地基承载力验算、不均匀系 数验算、抗滑稳定安全系数的验算。 闸室结构计算。 闸室结构计算的工作量大，本系统要在计算闸底板内力系数时，能自动查出郭氏表 中的数据并存入数据库中。计算时只需调出该数据库，即可直接使用，以便节省大量的 查表和计算时间。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 ( 2 ) 重力坝设计 非溢流坝坝顶确定及稳定计算。 可确定设计及校核两种情况下的坝顶高程；用抗剪强度公式可求出给定计算截面的 抗滑稳定安全系数判断坝体的稳定情况，并能绘出相应的坝体剖面图。 非溢流坝应力分析。 可计算计入扬压力和不计入扬压力两种情况下的正应力、剪应力和主应力的大小和 方向。 溢流段稳定计算及挑流计算。 可判断坝段的稳定要求，绘出相应的溢流坝坝体的剖面图；可计算出溢流坝下游的 挑流水舌挑射水平距离及下游河床冲刷坑深度，并能判断下游坝脚的安全。 非溢流坝优化设计。 可求出满足抗滑稳定条件的非溢流坝段的最小剖面。 ( 3 ) 土石坝设计 土石坝面设计。 可确定出土石坝的坝顶高程，并可绘出剖面图。 土石坝渗流计算。 可解决土石坝渗流计算工作量大的问题，可据不同的坝体结构进行坝体渗流计算。 土石坝稳定计算。 根据瑞典条分法利用数学优选的方法确定最危险滑弧的基本参数，计算出最小安全 系数，并可将整个滑弧优选过程的计算结果输出到界面中供用户参考。 ( 4 ) 绘图功能 计算机绘图模块是根据水工建筑物典型设计，将设计图整体和细部构造制成模板。 根据选择好的模板，通过智能交互式的方式，绘制精确的几何图形，并可标注尺寸，同 时图形的数据可根据实际情况进行动态变化，以实现高效成图作业。 4 3 功能模块示意图 根据各部分的设计功能，可把整个系统分割成能完成独立功能的模块，各模块各有 其各自的输入输出规格，各模块的界面不会产生任何混乱，然后按“自顶向下，逐步求 精”的模块化设计方法进行设计c 1 2 。13 1 。各功能模块系统设计层次结构图如图4 1 所示。 丁爱萍：水闸设计系统的研究及实现 图4 1 各功能模块系统设计层次结构图 f i g 4 1f u n c t i o nm o d u l es y s t e md e s i g ns t r u c t u r e - 1 4 - 大连理工大学专业学位硕士学位论文 5 详细设计分析 下面仅对总系统中的水闸模块进行细化设计分析。 5 1 闸孔尺寸的确定 5 1 1 计算闸子l 总净宽 ( 1 ) 计算方法 闸孔总净宽应根据泄流特点、下游河床地质条件和安全泄流的要求，结合闸孔孔径 和孔数的选用，经技术经济比较后确定。 计算闸孔总净宽时应根据给定的设计流量、上下游水位和初拟的底板高程及堰型来 确定。 当水流为堰流时，闸孔总净宽的计算公式为： 鼠=垡( 5 i ) o s m h04 2 9 其中，对于单孔闸： s = t n 7 n 一鲁划鲁 5 2 对于多孔闸： s ：生f 型二1 2 鱼( 5 3 ) h 式中各符号的含义，参见水利水电工程专业毕业设计指南【1 4 】。 闸孔孔径应根据闸的地基条件、运用要求、闸门结构形式、启闭机容量，以及闸门 的制作、运输、安装等因素，进行综合分析确定。我国大中型水闸的单孔净宽度b o 一般 采用8 1 2 m 。 闸孔孔数n = b 帕o ，n 值应取略大于计算要求值的整数。 闸室总宽度l = n b o + ( n - 1 ) d ，其中d 为闸墩厚度。 ( 2 ) 用户需求 本部分的一个突出特点是在计算侧收缩系数和淹没系数时，用户只需输入一些基本 数据即可较快地确定闸孔的尺寸，要求操作简便、答案准确，从而使用户从繁琐的计算 和查表中解脱出来。 丁爱萍：水闸设计系统的研究及实现 程序功能：解决平底板宽顶堰开敞式水闸的闸孔尺寸计算问题。 工作流程如图5 1 所示。 匿丕i 珂一匾区玉亟豳一匡夏耍亟受量蜀一匿垂囫 图5 ，1 确定闸孔尺寸工作流程 f i g 5 1w o r kf l o wo f d e t e r m i n i n gg a t eo p e n i n gs i z e 5 1 2 复核过闸流量 。( 1 ) 计算方法 孔宽、孔数和闸室总宽度拟定后，再考虑闸墩等的影响，进一步验算水闸的过水能 力。按照水闸设计规范中堰流的计算公式【1 5 】： ! q = 8 0 。m b - 、2 9 郇 ( 5 4 ) 式中0 2 6 。，分别按设计、校核两种情况精确计算参数，算出相应的实际流量。校 核过流能力，一般不得超过5 。即： 5 5 ( 2 ) 用户需求 工作流程如图5 2 所示。 一匦圈一医翌亟噩囹一医重圃 图5 2 复核过闸流量工作流程 f i g 5 2w o r kf l o wo f r e e x a m i n i n gs p i l l w a yc a p a c i t y ( 5 5 ) ( 5 6 ) 5 ，2 消能防冲设计 水闸泄水时，部分势能转为动能，流速增大，具有较强的冲刷力，而土质河床一般 抗冲能力较低。因此，为了保证水闸的安全运行，必须采取适当的消能防冲措施。 幽吼 棚一魄 q q 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 5 2 1 过闸水流的特点 ( 1 ) 水流形式复杂 初始泄流时，闸下水深较浅，随着闸门开度的增大而逐渐加深，闸下出流由孔流到 堰流，由自由出流到淹没出流都会发生，水流形态比较复杂【1 6 。因此，消能设施应在任 意工作情况下，均能满足消能的要求并与下游水流很好的衔接。 ( 2 ) 闸下易形成波状水跃 由于水闸上、下游水位差较小，容易发生波状水跃，特别是在平底板的情况下更是 如此。此时无强烈的水跃旋滚，水面波动，消能效果差，具有较大的冲刷能力 1 ”。另外， 水流处于急流状态，不易向两侧扩散，致使两侧产生回流，缩小河槽过水有效宽度，局 部单宽流量增大，严重地冲刷下游河道。 ( 3 ) 闸下容易出现折冲水流 一般水闸的宽度较上下游河道窄，水流过闸时先收缩而后扩散。如工程布置或操作 运行不当，出闸水流不能均匀扩散，使主流集中，蜿蜒蛇行，左冲右撞，形成折冲水流， 冲毁消能防冲设施和下游河道【1 8 】。 5 2 2q h s 关系曲线计算 ( 1 ) 计算方法 对于不同的渠道或河槽断面 对于梯形断面： q = 绽瓜 其中，过水断面面积： 0 9 = ( b l + m l h ) h 过水断面的湿周： x ：b 。+ 2 h 扛i 水力半径： r = 0 9 | x 谢才系数： c = 1 n r “6 一f ) 其下泄流量也不相同。下泄流量的计算公式如下 ( 5 7 ) ( 5 8 ) ( 5 9 ) ( 5 1 0 ) ( 5 1 1 ) 丁爱萍：水闸设计系统的研究及实现 对于复式断面： q = ( qc j 压) 以 ( 5 1 2 ) 其中，ui 、c i 、r ，渠道或河槽各部分断面的断面面积、谢才系数、水力半径。 z 渠底高程 h l 主槽最大水深 h 2 最大水深 ( 2 ) 用户需求 由于这一部分内容繁琐，公式较多且复杂，本系统可以显示出计算示意图及公式画 面帮助用户进行数据输入。工作流程如图5 3 所示。 匿逐巫圈 i 匡噩夏叠囹 i 圆 4 固受殛垂珂 l 匡面盈 i 匮 i 匿圃 图5 3q h s 关系曲线计算工作流程 f i g ，5 3w o r kf l o wo fq h sr e l a t i o n sc u r v ec o p u t a t i o n 52 3 流态判别 ( 1 ) 流态判别方法【1 9 】 跃前水深的计算公式为 h c = 5 p ( 5 1 3 ) 大连理工大学专业学位硕士学位论文 跃后水深的计算公式为： 吃掣h cj 1 + 篑棚 ( 5 1 4 ) h s 为出池河床水深，关于流态的判别方法如下： 硝 h 。，为自由出流的远驱式水跃 ( 2 ) 用户需求 由于内容繁琐、公式复杂，同样需要在界面上显示出计算示意图及公式画面帮助用 户进行数据输入。工作流程如图5 4 所示。 匿亟垂圃 l 匡亟互羹亘塑因 l 匝耍圜 i 匡匿爱噩亟圃 l 匮圈 图5 4 流态判别工作流程 f i 2 5 4w o r kf l o wo f f l u i dd i s t i n c t i o nd r a w i n g 5 2 4 消力池设计 平原地区的水闸，由于水头低，下游水位变幅大，一般都采用底流式消能。对于山 区灌溉渠道上的泄水闸和退水闸，当下游是坚硬的岩体，同时又具有较大的水头时，可 以采用挑流消能。 ( 1 ) 设计方法 底流消能是通过在闸下产生一定淹没度的水跃，来保护水跃范围内的河床免遭冲 刷。淹没度取1 0 5 1 1 0 较为适宜。 消力池的深度 丁爱萍：水闸设计系统的研究及实现 消力池池深： d = 口口吃一h i a z 挖池前收缩水深： h 。= 6 e 挖池后收缩水深： 醒哪：+ 罟一。 跃后水深： 唾= 划+ 篑棚 出池落差： 止：塑：一生 ， 2 9 f 0 2 h ，2 2 e , h ：2 其中，q 一下泄流量，m 3 s ； “一宽顶堰上孔流流量系数，2s 妒： r 闸门开启度； b 一闸孔单宽，m ； h o _ 一堰上水头，m ； n 一开启孔数： d 一消力池深度，m ： oo _ 一水跃淹没系数，可采用1 0 5 1 1 0 ； h c ”一跃后水深，1 t i ： h c _ 收缩水深，n l ； t o 一总势能，m ； 卜出池落差，m ： h 。一出池河床水深，m 。 消力池的长度 消力池长度： ( 5 1 5 ) ( 5 1 6 ) ( 5 1 7 ) ( 5 1 8 ) ( 5 1 9 ) 大连理工大学专业学位硕士学位论文 水跃长度 = 6 9 ( h 。一h o ) 其中，l 。i 一捎力池长度，m ； l 。一消力池斜坡段水平投影长度，m ： b 一水跃长度校正系数，可采用o 7 o 8 ； k 一水跃长度，m 。 消力池护坦厚度 护坦厚度可根据抗冲和抗浮要求，分别计算，并取其最大值。 按抗冲要求计算消力池护坦厚度公式为： t ：k j 再面 按抗浮要求计算消力池护坦厚度公式为： ( 5 2 0 ) ( 5 2 1 ) ( 5 2 2 ) f 堕生 ( 5 2 3 ) 其中，t 一消力池底板始端厚度，m ； k 1 一消力池底板计算系数，可采用o 1 7 5 0 2 0 。 k 2 一消力池底板安全系数，可采用1 1 1 3 ： p 。一扬压力，k p a ； 1 l d 一消力池内平均水深，m ； y 一水的重度，k n m 3 ； yl 消力池底板的饱和重度，k n m 3 。 ( 2 ) 用户需求 由于内容繁琐、公式复杂，同样需要在界面上显示出计算示意图及公式画面帮助用 户进行数据输入。工作流程如图5 5 所示。 薹南 丁爱萍：水闸设计系统的研究及实现 5 3 水闸的渗流计算 匡亟至翻 l 匿圈 图5 ，5 消力池计算工作流程 f i g 5 5w o r kf l o wo f p l u n g ep o o lc o m p u t a t i o n 5 3 1 渗流计算的目的和方法 渗流计算的目的是求解闸基的渗透压力。常用的是改进阻力系数法【2 0 。2 1 】。这是一种 以流体力学为基础的近似解法。对于比较复杂的地下轮廓，先将实际的地下轮廓进行适 当简化，使之成为垂直和水平两个主要部分。