取水输水工程设计软件研制与特点

收稿日期：2008 06 13 修回日期：2008 06 30

基金项目：河南省水利科学研究计划项目（GG0708）

作者简介:贾少燕(1965 )，女，河南西峡人，工学硕士，高级工程师，从事水利规划设计及科研工作。

摘要：取水输水及灌溉工程中水工建筑物型式多样、数量众多，设计中计算工作量大并且非常繁琐。在工程设计理论和方法研究的基础上，总结了几十年来工程设计的经验，开发了取水输水工程设计软件系统，该成果涵盖了水闸、渡槽、倒虹吸、隧洞、涵洞、拱形支承结构、沉沙池等水工建筑物的水力计算及结构计算100多项内容，共计44个软件，统一了计算标准，提高了工作效率及设计精度。同时对水闸、涵洞、沉沙条渠水力计算和钢筋混凝土结构、挡土墙结构计算进行了深入的研究，丰富了计算理论和方法，对优化工程设计具有较高的应用价值。

关键词：取水输水工程；水力计算；结构计算；软件开发与研究

中图分类号：TV67;TP311文献标识码：B文章编号：1672 1683（2008）04 0016 02

Development and Characteristics of Software for Water Intake & Conveyance

JIA Shao yan

（Henan Water & Power Consulting Engineering Co.,Ltd, Zhengzhou 450008, China）

Abstract: Totally 44 software were developed to deal with hydraulic and structural calculation related to sluices, aqueduct bridges, inverted siphons, tunnels, culverts, arch shaped supporting structure and sand basins, which improved working efficiency and design precision.

Key words:water intake & conveyance; hydraulic calculation; structural calculation; development of software

1 软件研制目的

水利作为基础产业在国民经济中占有重要的地位，水的调配需要由水利工程设施来实现，所以，从事水利工程建设就要和取水输水工程中的渠道和建筑物打交道，这些工程是达到水资源合理调配的核心。目前，我国水利工程设计软件比较多，但有的是只能计算一种或几种建筑物，不能满足工程设计的需要；有的是非专业人士编制的软件，照套规程规范，只起到计算作用，没有对参数输入的说明和计算成果的分析，使用起来很不方便。所以，如何提高设计质量，优化设计方案，提高设计效率，编制一套结合工程设计经验、涵盖范围广，同时又方便实用的软件是十分必要的。

本软件研制的目的是：（1）编制一套涵盖取水输水工程的全面系统的软件，力求解决取水输水工程中涉及的各种计算问题；（2）采用先进正确的理论方法，同时对规范中不明确或没有涵盖的情况进行研究，找到切合实际的计算方法；（3）编制的程序力求达到方便、快捷、实用、先进的目的；（4）为配合程序的使用，编制具有实用性、知识性的使用手册给用户提供帮助。

2 软件研制成果

2.1 取水输水工程软件编制内容分析

取水输水工程主要包括渠道、沉沙池、水闸^［1］、渡槽、倒虹吸管^［2］、涵洞、隧洞^［3］、挡土墙等建筑物，其计算内容主要是水力计算和结构计算两个方面。水力计算包括确定各种建筑物规模的过水能力及孔径计算、消能计算、调洪演算等；结构计算包括各种内力及应力计算^［4-5］、钢筋混凝土及预应力混凝土结构计算、稳定计算及地基沉降计算等^［6-8］。

2.2 计算方法研究

首先收集现行有效的规程规范，对规范中用到的计算方法进行分析和对比，从而确定选用的计算方法。在进行计算方法理论分析过程中，如果某计算项目有多种计算方法及计算公式，为了进行比较，程序也分别采用不同的计算方法编制并提供各种方法的计算成果，对计算成果进行必要的分析比较并提出采用建议，供设计者比较选用。

在研究的过程中，对工作中经常遇到的设计内容，但规范中没有涵盖的情况进行分析论证，收集大量资料，最终确定计算方法。这些方面主要是：水闸孔流与堰流判别标准及胸墙式水闸（孔流）的孔径计算、沉沙条渠计算、涵洞水力计算等。其中针对涵洞水力计算中存在的问题，对不同流态计算方法及长短洞判别标准进行了分析，提出了简化的计算方法，明确了判别标准，该成果被水利行业标准《灌溉与排水渠系建筑物设计规范》采用。

2.3 程序编制

程序编制工作的本身是编程人员利用语言知识将计算转化成计算机可以识别的语言的过程，使用者可以看到和感知的是输入和输出界面的设置，所以，一个程序的方便性很大程度依赖于界面的设置。因此，程序编制过程，一方面注重程序尽量简化，在运算中少占用内存空间，提高运算速度，另一方面应将编制的重点放在输入输出界面的研究方面。

（1）数据输入功能设计。工程设计过程中，有大量的数据和参数需要输入，为避免重复输入工作，设置自动记忆功能，调出已计算项目，进行部分数据修改即可进行新的运算；有些计算公式所采用的有关参数是一个范围值，并且有不同的适应条件，为了方便设计人员选用，输入功能设计中给出选用的建议；当有的设计参数及系数需根据不同的情况确定时，程序还可调出有关参数查取表；同时，对受力复杂的结构，程序还附有结构尺寸符号及荷载作用示意图；输入界面力求达到直观、交互性能良好的目的。

（2）计算功能设计。在计算模块设置方面，力求快速直接，缩短运算时间，尽量少占用内存；除常规的计算功能以外，在计算功能设计过程中，考虑到有的计算项目有多种不同的计算方法，程序设置多方法计算功能，针对多个结果，研究者根据工程设计经验，以优化设计、提高设计精度为出发点，对不同方法计算的结果给出选用的建议。

（3）输出功能设计。在成果输出功能设置中，除输出最终计算成果外，可以同时显示中间计算成果，以便设计者及校审者对计算成果的分析和检查；同时，通过对中间计算成果出现变异情况的分析，可以找到变异的原因，所以，这种自动校正能力可以为最终成果的正确性提供保证；同时，输出界面可以达到直观、灵活运用的目的。

2.4 软件验证

本软件包包括44个软件，每个软件都经过多个手算算例进行验证，并对误差进行分析比较，以修正软件编制。

2.5 软件开发成果

本软件包共包括44个应用程序，100多个计算项目，包括水力计算程序23个、结构计算程序16个、沉沙条渠计算程序2个、钢筋混凝土及预应力混凝土结构计算程序3个。

（1）按计算性质，软件主要分为水力计算及结构计算两大类。水力计算包括确定各种建筑物规模的过水能力及孔径计算、消能计算、调洪演算等；结构计算包括各种内力及应力计算、钢筋混凝土及预应力混凝土结构计算、稳定计算及地基沉降计算等；

（2）按建筑物的类型，软件包括取水输水及灌溉工程中的水闸、渡槽、倒虹吸管、涵洞、隧洞、沉沙池、挡土墙等主要建筑物及渠道工程的各种主要计算项目。

为配合软件使用，编制了《取水输水工程设计研究及软件系统开发报告》和《取水输水工程设计软件应用手册》。

3 软件的特点

3.1 内容系统全面

本软件涵盖了水闸、渡槽^［9］、倒虹吸^［10］、隧洞^［11］、涵洞^［12］、拱形支承结构、沉沙池等水工建筑物的水力学^［13］及结构计算^［14］100多项内容，开发了44个软件，统一了计算标准，提高了工作效率及设计精度。从包括的计算内容和建筑类型等方面来看，目前国内水利行业没有类似的计算软件。

3.2 软件编制依据可靠，在计算方法和理论上有所创新

该研究针对涵洞水力学计算中存在的问题，对不同流态计算方法及长短洞判别标准进行了分析，提出了简化的计算方法，明确了判别标准。该成果被水利行业标准《灌溉与排水渠系建筑物设计规范》采用，理论上具有创新。

以现行规程规范为依据，对水闸、沉沙条渠水力计算和混凝土构件、挡土墙等结构计算进行了深入的研究，丰富了计算理论和方法，对优化工程设计具有较高的应用价值。

3.3 计算方法系统全面，可以有效提高设计精度

针对同一计算内容，通过对规程规范和水工设计手册等技术参考资料提供的不同计算方法的收集整理和分析，遴选出多种计算方法，编入程序中，输出根据不同方法得出的计算成果；并且，程序能够自动给出成果选用的建议。多方法分析计算的模式，为提高工程设计精度、优化工程设计方案提供了有效途径。

3.4简单实用，操作方便

本软件各单项程序的共同特点是极其简单实用，操作使用简便，结合实际，针对性强，成果清楚明了，既适合于精通电脑而专业经验尚不足者，也适合于专业知识丰富而不太熟悉计算机及编程技术的人；既适合于设计者使用，也适合于校审者使用；利用这些程序进行方案比较及优化设计更显示其优越性。

3.5 编制了集实用性、知识性于一体的应用手册

为了配套程序的使用，研究人员编制了《取水输水工程设计软件应用手册》，手册详细介绍了各种取水输水及灌区水工建筑物水力计算与结构计算的方法和步骤，共包含70多个算例，力求计算步骤层次分明、条理清晰，计算结果准确无误。对设计人员来说非常实用，而且大量的算例，凝聚了软件研究人员在工程设计中多年的心血，它集知识性、实用性于一体，使用者可以从理论到计算一并掌握，也是一本有益的教科书。

参考文献:

［1］ SL 265 2001，水闸设计规范［S］.

［2］ GB 50288 99，灌溉与排水工程设计规范［S］.

［3］ SL 279 2002，水工隧洞设计规范［S］.

［4］ SDJ 20 78，水工钢筋混凝土结构设计规范［S］.

［5］ SL/T 191 96，水工混凝土结构设计规范［S］.

［6］ DL 5077 1997，水工建筑物荷载设计规范［S］.

［7］ 华东水利学院. 水工设计手册［K］.北京：水利电力出版社，1984.

［8］ 华东水利学院，大连工学院，西北农学院 . 水工钢筋混凝土结构(下册) ［M］ . 北京：中国水利水电出版社，1975.

［9］ 竺慧珠，陈德亮，管枫年 . 渡槽［M］ . 北京：中国水利水电出版社，2005.

［10］ 李蕙英，田文铎，阎海新 . 倒虹吸管［M］.北京：中国水利水电出版社，2006.

［11］ 武汉水利电学院水力学教研室. 水力计算手册［K］.北京：水利出版社，1980.

［12］ 熊启钧 . 隧洞［M］ .北京：中国水利水电出版社，2002.

［13］ 熊启钧 . 涵洞［M］.北京：中国水利水电出版社，2006.

［14］ 熊启钧 . 灌区建筑物的水力计算与结构计算［M］. 北京：中国水利水电出版社，

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