Excel在判断水工建筑物下游水跃衔接形式中的应用
2017-06-01杜万军
马 琳 杜万军 赵 英
Excel在判断水工建筑物下游水跃衔接形式中的应用
马 琳 杜万军 赵 英
一、引言
水力计算当中，溢流坝下游水跃衔接形式的判断，是一项比较繁琐且重复的工作，要求计算者通过试算法求解相关水力要素，然后判断下游水跃衔接形式，计算步骤较多，计算量也略大。
Microsoft Excel软件能很好地解决试算法中计算繁琐这一问题，笔者结合自身在水力计算教学当中的实际情况，将Excel应用到判断溢流坝下游水跃衔接形式这一问题中，节省了工作量和工作时间。
二、Excel计算矩形断面溢流坝下游消能形式
1.传统计算方法
由于判断下游消能公式是一个一元三次方程，无法直接求解，传统计算方法有：
（1）用已有的关系曲线，查图求解，该方法误差较大精度低，也不方便。
（2）借助计算机高级语言，编写程序求解，该方法对计算者语言编写能力要求较高，应用起来比较困难。
2.Excel几种计算功能介绍（1）相对引用和绝对引用
采用相对引用，单元格的引用会随着公式所在单元格位置的改变而改变。采用绝对引用，只要在单元格的行号和列号前加上“＄”符号，即可保证被引用在公式单元格位置变化的情况下保持不变。
（2）IF（）函数
IF（）函数是一个用来判断条件是否满足的逻辑函数，如果满足条件，则返回一个值，反之则返回另一个值。其函数结构为IF（logical_test，value_if_ true，value_if_false），其中，logical_test为判断条件，value_if_true，value_if_false分别为当判断条件为真或为假时的返回值。比如，在计算单元格中输入“=IF（80＞60，“及格”）”，因为80大于60，所以在单元格中显示“及格”，如果将函数改为“=IF（50＜60，“不及格”）”，则单元格中会显示“不及格”。
3.计算例题
已知某矩形渠道上修建有一WES型溢流坝，上游和下游坝高均为10m，通过坝顶闸门控制流量，现保持坝顶水头H=3.2m，通过调节闸门开度，使过坝水流单宽流量q=6m3/（s.m），对应下游水深ht=3.05m。试判断该溢流坝下游水跃的衔接形式，并进一步判断，在该溢流坝下游是否需要修建消能工。
（1）计算公式
如图1所示，矩形断面渠道，溢流坝段剖面图，判别下游水跃的衔接形式，计算公式如下：
在泄水建筑物下游，存在这样一个过水断面，水深达到最小值，流速达到最大值，将这个断面称为收缩断面c-c，如图1中所示。现将通过收缩断面底部的水平面，设为基准面，上游坝高是P1，下游坝高是P2，则根据以上信息可列出坝前断面o-o及收缩断面c-c的能量方程：
式中：ζ是0-0至c-c断面间的水头损失系数；α是动能修正系数；E0是以收缩断面底部为基准面时，坝前水流的总能量。
c，考虑
对于矩形断面，上式可写成：
由于上式是一个一元三次方程，无法直接求解，因此，选用试算法进行计算。
思路如下：当溢流坝坝前总能量E0已知时，可假设一个收缩断面水深值hc，计算公式（3）的右边项，如果计算结果刚好等于已知的E0，那么假设的hc即为所求答案。否则，重新假设hc，再进行计算，直到计算的E0值等于已知的E0值为止。
不难看出，如果采用手算计算，工作量很大，且都是重复性工作，在此，将Excel引用到计算该问题中。
（2）计算步骤
图1 WES溢流坝剖面图
②假设一系列侧收缩断面水深hc，用Excel公式计算，试算E0，如图3所示。
取一组，求出的值与已知的值相等，所以，经试算可得。
③hc的共轭水深hc"的计算，如图4所示。
④溢流坝底流消能的判断。
图2 计算溢流坝坝前总能量E0图
图3 计算侧收缩断面水深图
已知ht=3.05，比较可知，下游产生远驱式水跃，需要设置消能工。此处，可采用Excel的IF函数进行自动判断，如图5所示，点击常用函数，弹出“函数参数”对话框，
在Value_if_false中设置“不需要修建消能工”。从结果中可看出，此题需设置消能工。
三、结语
在水力计算中，对于矩形断面，判断其下游水跃衔接形式时，把Excel应用到计算过程中，利用其强大的计算功能，大大减少了传统计算方法所需的工作量，不仅提高了计算效率，而且能使基础知识和实践操作结合起来，引导今后对Excel更好地开发和利用
（作者单位：杨凌职业技术学院水利工程分院 712100）
图4 计算hc的共轭水深hc"图
图5 消能判断图
陕西高等教育教学改革研究项目“高职水利水电建筑工程专业教学资源库应用推广的研究与实践”（15Z04））
