参赛作品SCEDv10.docx

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参赛作品SCEDv10

程序设计大赛参赛作品

均质土坝渗流计算程序设计

作品：

SCEDv1.0

一、前言

渗流分析与计算的方法主要分为解析法、电拟法和数值法。

解析法利用有关数学手段直接求解基本微分方程，主要有流体力学和水力学两种方法。

解析法适合边界条件单一的情况，但对于实际工程复杂的边界条件，很难找到精确解析解。

电拟法采用导电液模型进行试验，但它无法模拟非均质各向异性渗透介质，对复杂的地质和边界也不尽适应。

随着电子计算机的迅速发展，数值方法（有限差分法、有限单元发和边界元法）在渗流分析中越来越广泛的应用。

针对本次程序设计大赛第六题“均质坝渗流计算程序设计”的要求，作者选择解析法的数学手段对渗流结果进行求解。

SCEDv1.0（SeepageCalculationofEarthdam）程序设计主要目的有一下几点：

1.掌握渗流计算的一般方法，加深对渗流问题的认识。

2.掌握迭代问题的一般算法，并提高迭代的效率。

3.设计程序界面，方便程序的使用。

4.提高自己的程序设计能力。

二、程序设计

1设计基础

SCEDv1.0使用C#语言编写而成，使用的框架为.NetFramework3.5SP1，用户界面采用的技术为WPF（WindowsPresentationFoundation）。

C#是面向对象的编程语言。

它使得程序员可以快速地编写各种基于MICROSOFT.NET平台的应用程序。

正是由于C#面向对象的卓越设计，使它成为构建各类组件的理想之选——无论是高级的商业对象还是系统级的应用程序。

图1程序界面及其相应的模块

2程序模块——类设计

图1所示为程序界面及其相应的模块图，显示本程序中核心部分的类图，用户界面部分未包含其中，类的功能定义如表1所示，其余具体说明等请参见源代码中的注释。

功能模块

对应的函数

函数的功能

模型参数读取模块

inputData

数据文件读取类的接口

渗流计算和结果显示模块

btn_check

模型参数的检查按钮

btn_calculate

渗流计算

ResultDisplay

结果显示

计算报告输出模块

btn_output

输出计算报告

outputData

形成计算报告

其他

btn_exit

退出

HELPToolStrip

帮助

表1核心类说明

3算法设计

程序采用类的形式封装各种对象及其相应操作，为保证算法的高效，存储结构方面主要使用了双精度浮点数和双精度浮点数数组。

（1）变精度算法

对于渗流量q和下游溢出点高程Δh两个未知量，计算取溢出点高程Δh作为迭代的对象。

为达到目标精度要求，实现未知量地高效迭代计算，本算法采用“变精度”法进行试算。

具体实现过程如图2所示：

图2变精度算法设计流程图

变精度算法主要是对试算精度e和迭代变量Δh进行控制，首先选取比较大的精度e，一般取e=1（表示计算结果只需要精确到小数点位），并选取比较小迭代变量，一般取Δh的范围的最小值。

每一次迭代完成后，判断迭代误差是否满足试算精度误差，即图2中的第一个菱形判断，若不满足，增加Δh的值，取Δh=Δh+e，直到迭代结果误差小于试算误差e的要求，这是得到第一次试算的结果，记作Δh（i）。

当该次的试算误差满足要求误差Precision时（即图2中的第二个菱形判断），得到的Δh（i）为满足要求的解答，如不满足，则需要减少试算误差，取e=e/10，即将精度向小数点后面再推一位，再进行迭代计算，迭代的初值则是前一次试算得到的Δh（i）。

由于试算误差e一直朝着要求误差Precision的方向取值，最终将计算得到满足要求误差Precision的解，即迭代收敛。

（2）算法详解

以本次渗流计算为例，计算模型如图3所示，对变精度试算法进行详细解答，模型参数采用大赛第六题中的数据。

图3计算模型简图

将坝高H、坝顶宽度B等八个模型参数输入程序，并输入要求精度0.0001,程序记作Precision=0.0001，对问题初始化，取下游溢出点高程Δh=0.0，试算精度e=1，按照公式①-③进行迭代计算：

①

②

，

，

③

，

。

根据溢出点高程Δh=0.0，由公式①、②可以计算出q，由公式③可以计算出迭代后的Δh，前后两次的Δh之差记为ht，与试算误差e进行比较。

若误差大于试算误差，增大Δh，取Δh=Δh+e=2，继续迭代。

当取Δh=3时，试算出来的Δh=3.2729，此时误差为0.2729

第1次试算得到的下游溢出点高程为：

3m

第2次试算得到的下游溢出点高程为：

3.2m

第3次试算得到的下游溢出点高程为：

3.23m

第4次试算得到的下游溢出点高程为：

3.236m

第5次试算得到的下游溢出点高程为：

3.2362m

下游溢出点高程试算的次数达到第5次时，得到的下游溢出点高程已达到精度要求，此时计算结束。

计算总迭代次数为3+2+3+6+2=16次。

综上，即可计算得到要求结果。

三、程序源代码

程序源代码共计278行，以下为渗流计算核心算法代码，提取自Form1.cs文件：

usingSystem;

usingSystem.Collections.Generic;

usingSystem.ComponentModel;

usingSystem.Data;

usingSystem.Drawing;

usingSystem.Linq;

usingSystem.Text;

usingSystem.Windows.Forms;

usingSystem.IO;

usingSystem.Runtime.InteropServices;

namespaceseepage

{

publicpartialclassForm1:

Form

{

//输入的参数

privatedoublem_m1=0.0;

privatedoublem_m2=0.0;

privatedoublem_h1=0.0;

privatedoublem_h2=0.0;

privatedoublem_H=0.0;

privatedoublem_B=0.0;

privatedoublem_Td=0.0;

privatedoublem_k=0.0;

//输出结果

privatedoublem_q=0.0;

privatedoublem_h0=0.0;

//计算过程中的变量

privatedoublem_Hu=0.0;

privatedoublem_Hd=0.0;

privatedoublem_bm=0.0;

privatedoublem_Lx=0.0;

privatedoublem_L=0.0;

privatedoublem_A=0.0;

privatedoublem_D=0.0;

privatedoublem_ht1=0.0;

privatedoublem_ht2=0.0;

privatedoublem_ht=0.0;

privateintn;

privateintcounter;

privatedouble[]m_ht0=newdouble[10000];

//计算精度：

m_precision为控制精度，m_e为试算精度

privatedoublem_precision=0.0;

privatedoublem_e=0.0;

publicForm1（）

{

InitializeComponent（）;

}

privatevoidinputData（）

{

m_H=Convert.ToDouble（textBox1.Text）;//坝高

m_B=Convert.ToDouble（textBox2.Text）;//坝顶宽

m_Td=Convert.ToDouble（textBox3.Text）;//坝基厚度

m_h1=Convert.ToDouble（textBox4.Text）;//上游水头

m_h2=Convert.ToDouble（textBox5.Text）;//下游水头

m_m1=Convert.ToDouble（textBox6.Text）;//上游坝坡坡度

m_m2=Convert.ToDouble（textBox7.Text）;//下游坝坡坡度

m_k=Convert.ToDouble（textBox8.Text）;//渗透系数

m_precision=Convert.ToDouble（textBox11.Text）;//计算控制精度

}

privatevoidbtn_check_Click（objectsender,EventArgse）

{

//对输入的数据进行判读，并提示是否输入正确的参数

inputData（）;

if（m_h1>=m_h2&&m_k>=0&&m_Td>=0&&m_B>=0&&m_H>=0&&m_precision<=1&&m_precision>0&&m_m1>=0&&m_m2>=0&&m_H>=m_h1&&m_H>=m_h2）

{

MessageBox.Show（"参数输入正确，请点击开始计算！

"）;

}

else

{

MessageBox.Show（"参数输入不正确，请检查输入的参数！

"）;

}

}

privatevoidbtn_caculate_Click（objectsender,EventArgse）

{

inputData（）;

m_Hu=m_Td+m_h1;m_bm=m_m1*m_Hu/（1+2*m_m1）;m_ht1=0.0;

n=Convert.ToInt16（Math.Log10（1/m_precision））;//n为试算次数

counter=0;//counter为计数器

for（inti=0;i<=n;i++）

{

if（i==0）

{

m_e=1.0;

}

else

{

m_e=m_e/10.0;

}

for（intj=0;j<=100;j++）

{

counter=counter+1;

m_ht1=m_ht1+m_e;

m_Hd=m_Td+m_h2+m_ht1;

m_Lx=m_m1*（m_H-m_h1）+m_B+m_m2*（m_H-m_h2-m_ht1）;

m_L=m_bm+m_Lx;

m_D=0.5*（m_Hu*m_Hu-m_Hd*m_Hd）/m_L;

m_A=0.5*（m_D*m_m2-（1+0.4/m_m2）*m_Hd）;

m_ht2=1.2*（m_A+Math.Sqrt（m_A*m_A+0.4*m_D*m_Hd））;

m_ht=m_ht2-m_ht1;

if（Math.Abs（m_ht2-m_ht1）

{

m_ht0[i]=m_ht1;

m_ht1=Math.Min（m_ht1,m_ht2）;

break;

}

}

}

ResultDisplay（）;

MessageBox.Show（"计算完成！

欢迎再次使用！

"）;

}

privatevoidResultDisplay（）

{

stringFn="";

m_q=m_D*m_k*60000.0;

m_h0=m_ht1;

Fn="F"+Convert.ToString（n）;//控制结果小数点位数

textBox9.Text=m_q.ToString（Fn）;//渗流量

textBox10.Text=m_h0.ToString（Fn）;//溢出点高度（相对下游水面）

}

privatevoidbtn_output_Click（objectsender,EventArgse）

{

outputData（）;

if（File.Exists（Application.StartupPath+"\\"+"Result_Report.txt"））

{

MessageBox.Show（"Success！

","提示对话框",

MessageBoxButtons.OK,MessageBoxIcon.Information）;

}

else

{

MessageBox.Show（"对不起，文件导出失败！

","提示对话框",

MessageBoxButtons.OK,MessageBoxIcon.Information）;

}

}

privatevoidoutputData（）

{

StreamWritersw=newStreamWriter（"Result_Report.txt"）;

//输出计算模型信息

sw.WriteLine（"-------TheReportoftheSeepageCaculationResult--------"+

"\r\n"+

"\r\n"+

"\r\n>>均质土石坝基本参数为：

"+

"\r\n坝高H：

{0:

F2}m"+

"\r\n坝顶宽度B：

{1:

F2}m"+

"\r\n坝基厚度Td：

{2:

F2}m"+

"\r\n上游水头h1：

{3:

F2}m"+

"\r\n下游水头h2：

{4:

F2}m"+

"\r\n上游坝坡坡度m1：

{5:

F2}m"+

"\r\n下游坝坡坡度m2：

{6:

F2}m"+

"\r\n渗透系数k：

{7:

e2}m/s",

m_H,m_B,m_Td,m_h1,m_h2,m_m1,m_m2,m_k）;

sw.WriteLine（"\r\n-------------------------------------------------------------------"）;

//输出计算控制参数

sw.WriteLine（">>计算精度为：

"+

"\r\n计算精度e：

{0:

e0}",m_precision）;

sw.WriteLine（"\r\n-------------------------------------------------------------------"）;

//输出计算分析

sw.WriteLine（">>计算过程为：

"+

"\r\n下游溢出点高程试算的次数为：

{0:

F0}次"+

"\r\n计算总迭代次数为：

{1:

F0}次",n+1,counter）;

for（inti=0;i<=n;i++）

{

stringFn="F"+Convert.ToString（i）;//输出结果小数点控制

sw.WriteLine（"第{0:

F0}次试算得到的下游溢出点高程为：

"

+m_ht0[i].ToString（Fn）+"m",i+1）;

};

sw.WriteLine（"\r\n---------------------------------------------------------------------"）;

//输出计算结果信息

stringFm="F"+Convert.ToString（n）;//输出结果小数点控制

sw.WriteLine（">>计算结果为：

"+

"\r\n单宽渗流量为：

"+m_q.ToString（Fm）+"L/min"+

"\r\n溢出点高程（相对下游水面）为:

"+m_h0.ToString（Fm）+"m"+

"\r\n"）;

//输出时间

sw.WriteLine（"SCEDv1.0"+

"\r\n{0:

f}",System.DateTime.Now）;

sw.Close（）;

}

privatevoidbtn_exit_Click（objectsender,EventArgse）

{

if（DialogResult.OK==MessageBox.Show（"是否确定退出？

","提示",

MessageBoxButtons.OKCancel））

{

this.Close（）;

}

}

privatevoidClearToolStripMenuItem1_Click（objectsender,EventArgse）

{

textBox1.Text="";textBox2.Text="";textBox3.Text="";textBox4.Text="";

textBox5.Text="";textBox6.Text="";textBox7.Text="";textBox8.Text="";

textBox9.Text="";textBox10.Text="";textBox11.Text="";

}

privatevoidOutput_dataToolStripMenuItem1_Click（objectsender,EventArgse）

{

outputData（）;

if（File.Exists（Application.StartupPath+"\\"+"Result_Report.txt"））

{

MessageBox.Show（"Success！

","提示对话框",

MessageBoxButtons.OK,MessageBoxIcon.Information）;

}

else

{

MessageBox.Show（"对不起，文件导出失败！

","提示对话框",

MessageBoxButtons.OK,MessageBoxIcon.Information）;

}

}

privatevoidExitToolStripMenuItem1_Click（objectsender,EventArgse）

{

if（DialogResult.OK==MessageBox.Show（"是否确定退出？

","提示",

MessageBoxButtons.OKCancel））

{

this.Close（）;

}

}

privatevoidIfoToolStripMenuItem1_Click（objectsender,EventArgse）

{

MessageBox.Show（

"说明"+

"\r\n"+

"\r\n1.SCEDV1.0为均质土石坝稳定渗流计算小程序。

"+

"\r\n2.渗流计算公式参照《渗流分析与控制》（毛昶熙）编写。

"+

"\r\n3.本程序只能作为均质渗流计算的参考，不能作为设计标准。

"）;

}

privatevoidAboutToolStripMenuItem1_Click（objectsender,EventArgse）

{

MessageBox.Show（

"About"+

"\r\n"+

"\r\nSCEDV1.0程序为武汉大学第六届“弘禹杯”工程程序设计大赛参赛作品。

"+

"\r\n更多信息请联系wangmin-whu@"）;

}

privatevoid版本ToolStripMenuItem1_Click（objectsender,EventArgse）

{

MessageBox.Show（

"Information"+

"\r\n"+

"\r\nVersion1.0"+

"\r\nCopyrightWangmin@WHU.2012"+

"\r\nContactwangmin-whu@"）;

}

privatevoidhELPToolStripMenuItem_Click（objectsender,EventArgse）

{

MessageBox.Show（

"SCEDV1.0使用手册"+

"\r\n"+

"\r\n1.根据程序右边“简化模型”图，确定均质土石坝的模型参数。

"+

"\r\n2.在程序左边“模型参数”栏输入相对应的参数。

"+

"\r\n3.点击“参数检查”按钮，对模型参数进行检查。

"+

"\r\n4.若参数无误，点击“开始计算”按钮进行计算。

"+

"\r\n5.计算结果将在“结果显示”栏显示出来。

"+

"\r\n6.点击“保存计算结果”，程序将输出Result_Report.txt的结果文件。

"+

"\r\n7.点击“关闭”，关闭程序。

"+

"\r\n"+

"\r\n注：

参数单位采用米和秒，流量的单位为（L/min）。

"+

"\r\n更多信息，查看“帮助”。

"）;

}

}

}

四、程序说明

1程序功能

a.实现均质土石坝模型的模拟；

b.计算均质土石坝简单模型的单宽渗流量；

c.计算均质土石坝简单模型的溢出点高程（相对下游水位）；

d.输出计算报告。

2程序编写环境

程序采用C#语言编写，使用的IDE为MicrosoftVisualStudio2008TeamSystemSP1及MicrosoftExpressionBlend3，目标运行环境为.NetFramework3.5SP1；开发和调试在Windows7Ultimate系统下进行。

3系统需求

程序运行于Windows操作系统下，系统中需要安装有Microsoft.NETFramework3.5ServicePack1以上版本。

若无法运行请访问以下站点