渠道抗冻胀设计辅助软件研究

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1、渠道抗冻胀设计辅助软件研究 高兰兰 娄宗科 李爽 李洋 刘海军作者单位：西北农林科技大学水利与建筑工程学院摘要：我国北方寒冷地区渠道抗冻胀设计以参阅标准的人工手算为主, 查图查表过程单调繁琐, 容易出错且效率较低。为此, 根据SL23-2022?渠系工程抗冻胀设计标准?, 利用C+语言编程开发了衬砌渠道抗冻胀设计辅助软件。软件对计算过程进展可视化, 能访问Access数据库读取相应数据, 并根据标准的设计理论将查图过程复原为原始公式, 进步了计算结果的精度。该软件界面友好, 操作简单, 实用性强。文中重点介绍了软件的设计思路和实现方法。关键词：渠道抗冻胀; 设计冻深; 冻胀量; 辅助软件; M

2、FC;Abstract：Nowadays, anti-frost channel design is mainly manual work with reference to the standard of channel anti-frost design in cold regions of North Chinahe design work is mainly about data processing which is nothing but very tedious and meanwhile with low efficiencyherefore, it is not very n

3、ecessity to develop an aided software for anti-frost channel design.Based on the standard SL23-2022 for channel anti-frost heave design, a software in C+language is developed to meet the demandhis aided software can improve the accuracy of calculation by transforming check figures into reduction for

4、mula according to the design theory of specificationshe software has a friendly interface with simple procedure and strong practicability, thus greatly improving the work efficiency.Example analysis reveals that the precision of this software can meet the requirementshat is to say, this software can

5、 reduce the engineering design workload, which in return improves work efficiencyhis paper mainly introduces the design idea and how to develop software.Keyword：anti-frost canal; design frozen depth; frost heave quantity; aided software; MFC;0、 引言我国分布着大面积的冻土, 其中多年冻土和季节性冻土面积分别占国土面积的21.5%和53.5%。在这些地区的

6、衬砌渠道工程存在着严重的冻胀破坏问题, 降低了渠系工程的输水效率。因此, 对于这些地区的衬砌渠道需要进展抗冻胀设计。渠道工程的抗冻胀设计原理简单, 但计算量大, 计算过程中选用参数较多, 局部参数需查图、查表获得, 导致计算过程中的偶尔误差较大, 且过程繁杂。因此考虑开发辅助软件系统来替代这些重复、繁杂的工作, 从而进步设计效率和准确性。目前, 我国在渠道设计方面有一定相关的辅助软件, 但是尚未有一款专门用于抗冻胀设计的软件, 综合分析渠道抗冻胀设计的理论, 开发一款界面友好、操作方便、功能全面的渠道抗冻胀设计辅助软件是非常有必要的。1、 渠道抗冻胀设计理论研究1.1、 渠道设计冻深计算SL2

7、3-91?渠系工程抗冻胀设计标准?中提出渠道工程设计冻深计算式为Hd=Kp-Kd-Kz-H0, 该方法虽然简单易行, 但是没有考虑地理纬度、海拔高度、地形条件以及渠道断面形式、边坡坡度等因素对日照及遮荫程度修正系数Kd值的影响, 因此计算过于粗略。李安国等提出了根据渠段的地理纬度、海拔高度、地形条件以及渠道走向和断面形式等因素, 计算日照及遮荫程度修正系数的方法;即从冻结指数起始计算日至冻结指数最大值出现日, 逐日计算渠道各部位和程度地面的总辐射量, 再分别进展累加, 即得冻结期渠道各部位和程度地面的总辐射总量sum;Qbeta;alpha;和sum;Q0。渠道各部位考虑日照或遮荫程度的冻深修

8、正系数:该方法的缺点是需要大量的气象资料, 且计算过程复杂, 可操作性差。李安国、陈清华等利用斯蒂芬公式, 推出渠道各部位考虑日照或遮荫程度的冻深修正系数Kd的新的计算公式, 最终得出渠道各部位的设计冻深计算公式为:该公式考虑了工程地点的地理位置、土质和冻前土壤水分及地下水位埋深等对渠道设计冻深的影响, 因此计算结果较之前的研究成果更为准确;但是该公式合适于较大冻深地区, 对于小冻深地区, 计算结果与实测值的误差较大。李安国、张玉芳等人在我国冻土区内, 选取了229个主要气象台 (站) 的30年系列气候资料, 根据各台 (站) 所在的地理位置, 对不同走向和断面形式的渠道各部位的Kd值进展了计

9、算, 通过其计算成果的相关分析, 提出了Kd值的简便取值方法及其所需的图表。其精度可以满足工程设计要求, 计算方法简便实用, 可操作性强。SL23-2022?渠系工程抗冻胀设计标准?【2】中采用了该研究成果, 确定计算渠道设计冻深的计算公式为:其中渠道各部位考虑日照或遮荫程度的冻深修正系数Psi;d, 计算式为:该方法综合考虑了渠段的地理纬度、海拔高度、地形条件、渠道走向和断面形式、土质和冻前土壤水分及地下水位埋深对设计冻深的影响, 具有很强的实用性, 为工程计算中普遍采用。因此, 软件中也采用此计算方法。1.2 、渠道抗冻胀设计理论为防御渠道防渗工程受基土冻胀作用的破坏, 季节冻土地区标准冻

10、深大于10cm的衬砌渠道, 必须进展防冻胀设计。渠道冻胀预报包括设计冻深计算、冻胀量估算、渠基土冻胀性的工程分类以及冻胀应力的计算等。经抗冻计算, 假设不能满足抗冻胀要求或构造设计不经济合理时, 应采用相应的抗冻胀措施。根据SL23-2022?渠系工程抗冻胀设计标准?, 渠道衬砌的抗冻胀设计应按如下步骤进展:首先在衬砌渠道沿线应按土质、水分条件和渠道走向根本一样的原那么划分不同的渠段, 然后在各分段选择12个具有代表性的横断面, 确定每个横断面上的计算控制点 (如渠底、坡脚、坡中、坡顶) 的设计冻深及冻胀量, 并根据冻胀量确定基土的冻胀性级别, 选择适宜的渠道断面形式、衬砌材料和构造;最后验算

11、渠道各部位的冻胀位移量, 确定必要的抗冻胀措施。2 、软件设计思路该软件的主要用处是计算出合理准确的渠道抗冻胀设计参数, 辅助渠道抗冻胀设计工作顺利、高效的进展。主要进展渠道设计冻深计算、渠基土冻胀量计算、渠道断面形式和衬砌构造的选取、渠道抗冻胀措施的相关计算等。通过该软件可以方便地计算出我国不同地区的渠道的冻胀量;针对渠道基土的冻胀级别给出合理的渠道断面形式和衬砌构造以及相应的抗冻胀措施。软件根本途径:新建渠道断面及计算点-计算渠道设计冻深-计算渠基土冻胀量-判断冻胀级别, 选定渠道断面形式、衬砌材料和构造-进展抗冻胀验算, 选择防冻胀措施。软件工作流程如图1所示。图1 软件工作流程图Fig

12、.1 Software working process chart3、 软件的实现3.1、 技术规格根底开发平台:软件采用Visual C+6.0编写, 它以面向对象编程为根底, 使用C+语言, 是集编辑、编译、运行、调试为一体的功能强大的集成编程环境。Visual C+不但功能强大, 提供了一系列的帮助编程人员调试的方便而强大工具, 而且它的非常直观的可视化编程环境, 也非常有利于进步编程人员的工作效率。Visual C+提供的MFC类库, 也很大的方便了用户, 特别是使编程人员可以很方便地编辑友好美观的应用程序界面。软件在开发过程中使用了MFC应用程序框架, 由于MFC编程方法充分利用了面

13、向对象的技术特点, 使得编程时极少需要关心对象方法的实现细节, 同时类库中的各种类的强大功能足以完成程序的绝大局部所需功能, 因此大大减少了代码编写量, 从而增加了程序的可调试性。数据库的选取:对于支持软件运行的大局部参数采用数据库Microsoft Access 2022进展参数存储, 它与软件通过ADO方式进展数据存取, 数据库查询采用Microsoft Jet SQL方式。在中文WINDOWS操作条件下, 无需任何其他软件系统的支持就可直接运行。3.2、 软件的模块构成软件主要有4个模块构成, 第一个模块为渠道典型断面及计算点的建立, 第二个模块为渠道设计冻深的计算, 第三个模块是渠基土

14、冻胀量的计算及渠道断面形式、衬砌构造的选择, 第四个模块是抗冻胀措施的选择和计算。这些模块通过后台程序联络在一起成为一个整体。各个模块的主要功能简述如下:(1) 渠道模型模块。该模块的主要功能是建立渠道的计算断面, 并确定相应断面的计算点。首先输入需要计算的渠道断面名称或编号, 其次选择计算点的个数, 本软件对于每个渠道断面可以有3个计算点, 分别是阴坡、阳坡、渠底。此外, 当所有的渠道抗冻胀设计参数计算完成后, 输入渠道断面名称或编号, 即可在该模块中查询计算结果。(2) 渠道设计冻深计算模块。此模块是渠道抗冻胀设计辅助软件的核心模块, 包含3局部内容, 主要功能是计算考虑日照及遮阴程度的修

15、正系数、地下水影响系数、渠道设计冻深。在界面中输入或选择计算所需的所有参数, 点击计算即可;如需修改输入参数, 在输入框中直接修改即可, 计算结果自动更正。该模块可以独立运行, 也可以被计算冻胀量模块调用。(3) 渠道冻胀量计算模块。该模块的原理及实现都较为简单, 主要功能是计算渠道各个部位的冻胀量, 并根据冻胀级别选择合理的渠道断面形式和衬砌材料、构造。输入参数计算渠道不同部位的冻胀量, 软件将计算结果列表显示, 根据冻胀量的不同, 程序自动判别出各个计算点的冻胀级别, 根据冻胀级别和渠道的详细工程特点选择合理的渠道断面形式和衬砌构造。(4) 抗冻胀措施模块。该模块的运行是依赖于前面3个模块

16、的, 主要功能是进展渠道各个计算点冻胀位移量的验算, 并选择适宜的抗冻胀措施。选择渠道断面和衬砌构造后, 程序对渠道各个计算点的冻胀位移量进展验算。假如满足要求, 那么弹出无需采取抗冻胀措施;的界面, 否那么, 那么需要选择抗冻胀措施 (保温措施或置换措施) 并进展相关计算。辅助软件的系统功能构造如图2所示。4 、算例分析某渠道的地理位置是:东经10847 , 北纬3436 (陕西省关中地区) , 海拔高度423m。渠道走向为:E-W, 设计流量6.08.0m3/s。渠底宽4m, 渠深8 m, 边坡系数m=1.0。渠床土质为重粉质壤土, 其物理性质见表1。土的天然干密度为1.251.67g/c

17、m3, 平均为1.50g/cm3;天然含水量为11.0%35.2%, 平均为24.4%。渠道所在地的冻前地下水位为5.2m。图2 软件的系统功能构造图Fig.2 The system function of software structure drawing表1 基土的物理性质表Tab.1 Subsoil physical properties table根据邻近气象站27年气温资料, 冻结期是12月19日至2月6日, 冻结指数多年平均值为92.1-d;最大冻深值为27.8cm, 邻近气象台地下水埋深为5m。冻结期平均总云量为5.5, 平均低云量为0.5, 平均风速为1.8m/s。4.1、

18、软件设计方法利用渠道抗冻胀设计辅助软件进展抗冻胀设计步骤如下:(1) 建立渠道计算模型。单击主菜单栏中的渠道模型;, 选择渠道断面;下拉菜单:首先输入渠道名称永济渠道;, 输入完毕点击添加;即可;其次选择计算点个数3; (计算点分别为渠道断面的阴面、阳面和渠底) 。(2) 单击主菜单栏中的渠道参数;, 在下拉菜单中首先选择渠道设计冻深;, 在出现的界面中输入所需计算参数, 依次计算考虑日照及遮阴程度的修正系数、地下水影响系数及渠道设计冻深;界面如图3所示。计算结果为:阴面设计冻深为45.74cm, 阳面为7.48cm, 底面为38.55cm。(3) 单击主菜单栏中的渠道参数;, 在下拉菜单中首

19、先选择渠基土冻胀量;, 输入参数, 计算各个计算点的冻胀量, 得阴面冻胀量为2.16cm, 阳面为0.35cm, 底面为1.82cm。根据冻胀量的计算结果软件自动断定渠基土的冻胀级别分别是为、级。(4) 根据渠基土的冻胀级别, 又因为该渠道为中型渠道, 应选用弧形断面或弧形底梯形断面的板膜复合衬砌构造。(5) 验算渠道各个计算点的冻胀位移量。在界面中输入渠道断面深度和坡比值;单击建议;按钮, 软件自动判别是否需要采取抗冻胀措施。根据界面显示 (图4) , 渠道阳坡无需采取抗冻措施, 而渠道的阴坡、渠底均需要采取抗冻胀措施;选择采取保温措施, 那么计算出各个点的保温板厚度分别为:阴坡为5cm,

20、渠底为4cm。界面如图5所示。根据以上计算结果并结合标准中衬砌构造的有关要求, 拟采用的渠道断面和衬砌构造形式如下:图3 渠道设计冻深的计算界面Fig.3 Calculate design frozen depth of the canal interface图4 抗冻胀措施判断界面Fig.4 Choose anti?frost measures interface(1) 弧形断面, 用混凝土空心板和槽形板两种构造衬砌。(2) 弧形底梯形断面, 用混凝土板与保温材料或者混凝土板与玻璃布油毡两种构造衬砌, 在阴坡设置5cm后的保温板, 渠底铺设4cm厚的保温板。图5 渠道断面形式和抗冻胀措施设计

21、界面Fig.5 Design the form of canal section and anti?frost measures interface4.2、 人工设计方法4.2.1、 计算渠道的设计冻深及冻胀量根据SL23-2022?渠系工程抗冻胀设计标准?要求, 分别选取渠道的阴面、阳面和底面为计算点, 计算各点设计冻深及冻胀量:(1) 渠道设计冻深计算。式中:Zd为渠系工程的设计冻深, cm;Zm为历年最大冻深, 取值27.8cm;Psi;d为考虑日照及遮阴程度的冻深修正系数;Psi;omega;为地下水影响系数;Psi;i为典型断面某部位的日照及遮阴程度修正系数。阴、阳面中部的值可由标准

22、图3.1.4-1查得【2】, 底面中部的值可由标准图3.1.4-2查得;Zomega;o为邻近气象台站的冻前地下水位深度, 取5m;Zomega;i为计算点冻前地下水位深度, 取5.2m;alpha;为系数, 根据建筑物所在的气候区查标准中表3.1.4;beta;为系数, 可按标准中表3.1.5取值。那么分别计算渠道阴面、阳面、底面的设计冻深如表2。表2 设计冻深计算表Tab.2 Calculate design frozen depth table(2) 计算渠基土冻胀量。因为渠基土为重粉质壤土, 且地下水埋深为5.2m, 大于1.5m;故根据标准规定冻胀量的计算公式为:式中:w为冻结层平均

23、含水率;wp为塑限含水率。将渠道各个计算点的设计冻深值代入上述公式计算得阴面冻胀量为2.16cm, 阳面冻胀量为0.35cm, 底面为1.82cm。这与软件计算结果完全一样。根据参考文献【2】中表3.3.2, 可知渠道阴面的冻胀量大于2cm, 小于5cm, 冻胀级别为级;阳面和底面的冻胀量小于2cm, 冻胀级别均为级。这与软件运行结果一致。4.2.2、 选定渠道断面形式和衬砌构造根据渠基土的冻胀级别, 又因为该渠道为中型渠道, 应选用衬砌弧形断面或弧形底梯形断面的板膜复合衬砌构造。4.2.3、 验算渠道各部位的冻胀量因为渠道断面深度H=8m3.0m, 且m=111.5;故允许法向位移值选用标准

24、中表4.2.2中的较小值, 即h允=1.0cm;因此, 阳面不必采取抗冻胀措施, 而阴面、底面均应采取抗冻胀措施, 这一结论与软件中判断结果一样。拟采用保温措施:选用聚乙烯泡沫塑料板为型, 其在自然状态下的导热系数lambda;x为0.041, 体积吸水率为4%, 故查标准表A.0.2得导热系数修正值alpha;omega;=1.4;渠道混凝土衬砌厚度为8cm, 导热系数为2.23;计算保温板厚度:式中:R0为工程保温根底设计热阻值;I0为工程地点的冻结指数, 取值92.1-d;lambda;x为保温板在自然状态下的导热系数;alpha;omega;为保温板导热系数修正值;delta;c为根底

25、材料厚度;lambda;c为根底材料的导热系数。将各个参数代入上述公式计算得:阴面:R0=0.92;delta;x=5cm底面:R0=0.92;delta;x=4cm所以, 渠道拟采用衬砌弧形断面或弧形底梯形断面的板膜复合衬砌构造, 且在阴坡铺设5cm后的保温板, 渠底铺设4cm厚的保温板。综上所述, 软件运行结果与人工计算结果完全吻合, 说明软件计算结果正确可靠, 精度满足要求。设计成果可以为实际工程所应用。例如工程假如使用人工设计方法, 通常需要34个工时, 而使用渠道抗冻胀辅助软件, 半个小时即可完成, 大大进步了渠道抗冻胀设计工作的效率。5、 结语衬砌渠道抗冻胀设计辅助软件作为一种工具

26、, 它的提出与设计旨在根据渠道抗冻胀设计的实际需求, 综合SL23-2022?渠系工程抗冻胀设计标准?中提出的设计方法, 最终计算出合理准确的渠道抗冻胀设计参数, 以辅助渠道抗冻胀设计工作顺利、高效的进展。经算例分析证明, 该软件计算结果可靠, 设计合理, 设计成果可以直接运用到实际工程中。软件采用Visual C+6.0编写, 并采用先进的数据库访问技术 (ADO技术) , 数据库易于维护、具有可扩大性;软件界面友好, 操作简单, 设计人员只要熟悉Windows操作便可使用。将渠道抗冻胀设计离散、繁琐的工作用计算机语言系统完成, 大大减少了设计人员的工作量, 简化计算, 进步抗冻胀设计工作效

27、率。同时将设计过程中需要查图、查表等工作用计算机程序代替, 消除了偶尔误差, 进步设计工作的质量。面向对象的可视化界面也方便设计人员及时准确的修正设计参数。参考文献李安国, 张玉芳, 李怀川.渠道日照及遮阴程度系数取值方法的研究.防渗技术, 1995, (1) :21-27.【2】SL23-2022, 渠系工程抗冻胀设计标准.李安国, 建功, 曲强.渠道防渗工程技术.北京:中国水利水电出版社, 1998.钱能.C+程序设计教程.北京:清华大学出版社, 1999.Cheng HH.Ch:A C/C+interpreter for script puting.C/C+Userapos;s J, 2022, 24 (1) :6-12.梁灿, 赵艳铎.Access数据库应用根底教程.北京:清华大学出版社, 2022. GB/T50662-2022, 水工建筑物抗冰冻设计标准.