韓紅亮 劉守宇 王雪梅 馮建棟
(1.楊凌職業技術學院水利工程學院,陜西楊凌 712100;2.重慶市建筑科學研究院,重慶 400020)
水力計算是矩形渡槽斷面設計的重要環節,主要解決渡槽底坡、斷面形狀尺寸、進出口高程、水頭損失校核等問題。底坡、槽寬、深度等參數的確定不斷試算,工作量大。近些年,不少學者研究了該問題的快速計算方法[1],但專業的數學方法又不易被快速掌握。Excel是常用的辦公軟件,功能強大且使用方便。本文借助Excel軟件,實現了矩形渡槽水力計算的快速求解。
矩形渡槽水力計算的求解思路如圖1所示。
圖1 矩形渡槽Excel水力計算流程圖
所謂已知量,即設計流量Q0、加大流量Qmax、渡槽允許水頭損失▽Z、槽身長度L、渠底進口高程▽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)底寬b的試算。根據矩形渡槽的水力最優特性和力學特性,要求設計流量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,先假設一系列底寬 bi(i=1,2…),進而確定相應的水深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,根據謝才公式Q=CA,假設一系列的水深 hi(i=1,2…),逐次計算在hi條件下的流量Qi,當Qi=Q時,則認為hi是所求值。用傳統方法求解此問題,計算量較大。
采用相對引用,單元格的引用會隨著公式所在單元格位置的改變而改變。采用絕對引用,只要在引用的單元格的行號和列號前加上“”符號,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。
渡槽水力計算的Excel程序編制過程中,對已知條件的引用多采用絕對引用。
主要解決正常水深的試算問題。采用的方法:假設一系列的水深hi(i=1,2…),為保證精度,相鄰hi間隔0.1 m??紤]到渡槽水深一般不超過10 m,故擬定hi的最大值為10 m,即hi=0,0.1,0.2,…,10。依次計算在hi條件下的流量Qi,若Qi與給定流量Q的相對誤差小于2%,則認為是合理值。
編寫過程中,需以此編寫過水斷面面積A、濕周χ、水力半徑R、謝才系數C、流量Q的計算程序。
函數結構為 IF(logical-test,value-if-true,value-if-false),其中,logical-test為判斷條件,value-if-true,value-if-false分別為當判斷條件為真和假時的返回值[3]。
將滿足要求的水深,用average()函數計算平均值作為試算結果。
建立兩個工作簿:工作簿1(命名為“01計算區”)和工作簿2(命名為“02試算區”),工作簿1為主要的計算界面,輸入基本參數并顯示主要的計算結果;工作簿2進行渠道明渠均勻流的水深試算,將其計算結果返回至工作簿1的相應單元格。
某鋼筋混凝土渡槽槽身總長130 m,槽身過水斷面為矩形,進口漸變段長6 m,出口漸變段長9 m。允許水頭損失[ΔZ]=0.3 m。進口渠底高程▽3=565.56 m。上下游渠道水力要素相同,設計流量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 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),試進行渡槽水力計算。
運用Excel程序進行計算,可以得到如表1所示的結論。
表1 不同底坡下的Excel求解結果
由表1可以看出,在Excel表格中擬定渡槽底坡i,通過擬定底寬b的值,可以迅速解得進、出口高程,保證水頭損失在允許范圍之內。
通過編制正常水深試算、IF()判斷語句、引用等Excel程序,完成了渡槽水力設計的快速求解計算。該方法很好地解決了矩形渡槽水力計算工作量較大、計算繁瑣的問題。在設計工作中,運用Excel程序,通過初擬不同的底坡值,得到對應底寬、高程等參數,可在較短時間內,獲得不同的參考方案,提高了設計速度和水平。
[1]胡建平,劉亞蓮.渡槽計算機輔助設計軟件的研究[J].中國農村水利水電,2003(8):70-72.
[2]張宇華.Microsoft Excel在水力計算中的應用[J].黃河水利職業技術學院學報,2009(4):16-18.
[3]叢文龍.使用IF()函數實現復雜判斷[J].電腦編程技巧與維護,2015(4):20-22.
[4]張 宏.水工建筑物[M].北京:中國水利水電出版社,2011:222-224.