矩形渡槽水力計(jì)算的Excel求解

韓紅亮 劉守宇 王雪梅 馮建棟

(1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院水利工程學(xué)院，陜西楊凌 712100;2.重慶市建筑科學(xué)研究院，重慶 400020)

水力計(jì)算是矩形渡槽斷面設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，主要解決渡槽底坡、斷面形狀尺寸、進(jìn)出口高程、水頭損失校核等問(wèn)題。底坡、槽寬、深度等參數(shù)的確定不斷試算，工作量大。近些年，不少學(xué)者研究了該問(wèn)題的快速計(jì)算方法［1］，但專業(yè)的數(shù)學(xué)方法又不易被快速掌握。Excel是常用的辦公軟件，功能強(qiáng)大且使用方便。本文借助Excel軟件，實(shí)現(xiàn)了矩形渡槽水力計(jì)算的快速求解。

1 矩形渡槽水力計(jì)算方法

矩形渡槽水力計(jì)算的求解思路如圖1所示。

圖1 矩形渡槽Excel水力計(jì)算流程圖

1.1 確定已知量

所謂已知量，即設(shè)計(jì)流量Q0、加大流量Qmax、渡槽允許水頭損失▽Z、槽身長(zhǎng)度L、渠底進(jìn)口高程▽3、槽身糙率n、上下游渠道的水力因素，包括渠道底坡i'、糙率n'、渠道斷面尺寸b，h等。

1.2 水力計(jì)算的重要步驟

1)底寬b的試算。根據(jù)矩形渡槽的水力最優(yōu)特性和力學(xué)特性，要求設(shè)計(jì)流量Q0和加大流量Qmax條件下的深寬比保持在0.6～0.8之間。求解時(shí)，先假設(shè)一系列底寬 bi(i=1，2…)，進(jìn)而確定相應(yīng)的水深hi(i=1，2…)，滿足要求的底寬即為所求值。

2)渡槽正常水深h的試算。渡槽水流按明渠均勻流考慮，根據(jù)謝才公式Q=CA，假設(shè)一系列的水深 hi(i=1，2…)，逐次計(jì)算在hi條件下的流量Qi，當(dāng)Qi=Q時(shí)，則認(rèn)為hi是所求值。用傳統(tǒng)方法求解此問(wèn)題，計(jì)算量較大。

2 矩形渡槽水力計(jì)算的Excel方法

2.1 引用［2］

采用相對(duì)引用，單元格的引用會(huì)隨著公式所在單元格位置的改變而改變。采用絕對(duì)引用，只要在引用的單元格的行號(hào)和列號(hào)前加上“”符號(hào)，即可保證被引用在公式單元格位置變化的情況下保持不變。

渡槽水力計(jì)算的Excel程序編制過(guò)程中，對(duì)已知條件的引用多采用絕對(duì)引用。

2.2 試算

主要解決正常水深的試算問(wèn)題。采用的方法:假設(shè)一系列的水深hi(i=1，2…)，為保證精度，相鄰hi間隔0.1 m。考慮到渡槽水深一般不超過(guò)10 m，故擬定hi的最大值為10 m，即hi=0，0.1，0.2，…，10。依次計(jì)算在hi條件下的流量Qi，若Qi與給定流量Q的相對(duì)誤差小于2%，則認(rèn)為是合理值。

編寫過(guò)程中，需以此編寫過(guò)水?dāng)嗝婷娣eA、濕周χ、水力半徑R、謝才系數(shù)C、流量Q的計(jì)算程序。

2.3 IF()判斷語(yǔ)句

函數(shù)結(jié)構(gòu)為 IF(logical-test，value-if-true，value-if-false)，其中，logical-test為判斷條件，value-if-true，value-if-false分別為當(dāng)判斷條件為真和假時(shí)的返回值［3］。

2.4 試算結(jié)果的篩選

將滿足要求的水深，用average()函數(shù)計(jì)算平均值作為試算結(jié)果。

2.5 界面布局

建立兩個(gè)工作簿:工作簿1(命名為“01計(jì)算區(qū)”)和工作簿2(命名為“02試算區(qū)”)，工作簿1為主要的計(jì)算界面，輸入基本參數(shù)并顯示主要的計(jì)算結(jié)果;工作簿2進(jìn)行渠道明渠均勻流的水深試算，將其計(jì)算結(jié)果返回至工作簿1的相應(yīng)單元格。

3 工程算例［4］

3.1 工程資料

某鋼筋混凝土渡槽槽身總長(zhǎng)130 m，槽身過(guò)水?dāng)嗝鏋榫匦?，進(jìn)口漸變段長(zhǎng)6 m，出口漸變段長(zhǎng)9 m。允許水頭損失［ΔZ］=0.3 m。進(jìn)口渠底高程▽3=565.56 m。上下游渠道水力要素相同，設(shè)計(jì)流量Q0=3.5 m3/s，加大流量Qmax=4.8 m3/s，渠道底坡 i'=1/1 450，邊坡系數(shù) m'=1，糙率 n'=0.023，渠道底寬 b'=0.7 m(鋼筋混凝土糙率n取0.014)，試進(jìn)行渡槽水力計(jì)算。

3.2 Excel求解結(jié)果

運(yùn)用Excel程序進(jìn)行計(jì)算，可以得到如表1所示的結(jié)論。

表1 不同底坡下的Excel求解結(jié)果

由表1可以看出，在Excel表格中擬定渡槽底坡i，通過(guò)擬定底寬b的值，可以迅速解得進(jìn)、出口高程，保證水頭損失在允許范圍之內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)編制正常水深試算、IF()判斷語(yǔ)句、引用等Excel程序，完成了渡槽水力設(shè)計(jì)的快速求解計(jì)算。該方法很好地解決了矩形渡槽水力計(jì)算工作量較大、計(jì)算繁瑣的問(wèn)題。在設(shè)計(jì)工作中，運(yùn)用Excel程序，通過(guò)初擬不同的底坡值，得到對(duì)應(yīng)底寬、高程等參數(shù)，可在較短時(shí)間內(nèi)，獲得不同的參考方案，提高了設(shè)計(jì)速度和水平。

［1］胡建平，劉亞蓮.渡槽計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的研究［J］.中國(guó)農(nóng)村水利水電，2003(8):70-72.

［2］張宇華.Microsoft Excel在水力計(jì)算中的應(yīng)用［J］.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009(4):16-18.

［3］叢文龍.使用IF()函數(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜判斷［J］.電腦編程技巧與維護(hù)，2015(4):20-22.

［4］張 宏.水工建筑物［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2011:222-224.