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      矩形渡槽水力計(jì)算的Excel求解

      2015-11-09 11:47:06韓紅亮劉守宇王雪梅馮建棟
      山西建筑 2015年23期
      關(guān)鍵詞:試算渡槽單元格

      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??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(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。

      編寫過程中,需以此編寫過水?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130 m,槽身過水?dāng)嗝鏋榫匦?,進(jìn)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(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

      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(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)算繁瑣的問題。在設(shè)計(jì)工作中,運(yùn)用Excel程序,通過初擬不同的底坡值,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:中國水利水電出版社,2011:222-224.

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