Excel水力計(jì)算展示——消力坎式消力池水力計(jì)算設(shè)計(jì)

1、Excel水力計(jì)算展示之專題11. 消力坎式消力池的水力計(jì)算當(dāng)泄水建筑物下游發(fā)生遠(yuǎn)離式水躍時(shí)，也可以采用修建消能墻，使墻前水位壅高，以期在池內(nèi)發(fā)生稍有淹沒(méi)的水躍。其水流現(xiàn)象與挖深式消力池相比，主要區(qū)別在于池出口不是淹沒(méi)寬頂堰流而是淹沒(méi)折線型實(shí)用堰流。水力計(jì)算的主要任務(wù)是確定墻高和池長(zhǎng)?！竟こ倘蝿?wù)】如圖所示為一5孔溢流堰，每孔凈寬b=7m，閘墩厚度d=2m，上游河道寬度與下游收縮斷面處河道寬度相同，即，上下游水位的高程如圖中所注，當(dāng)每孔閘門全開(kāi)時(shí)，通過(guò)的泄流量Q=1400m3/s，試求：判別底流銜接形式，如為遠(yuǎn)趨式水躍，試設(shè)計(jì)一消力坎式消力池?！痉治雠c計(jì)算】1.判斷是否需要修建消力池上游水面收縮

2、斷面處河底總能量為 （式11-1）將 代入上式可得： 收縮斷面處的河道寬度，則收縮斷面處的單寬流量壩面流速系數(shù)收縮斷面水深的計(jì)算公式為 （式11-2）即 經(jīng)迭代得的共軛水深為： 下游水深。因?yàn)?，所以產(chǎn)生遠(yuǎn)離式水躍，故需要修建修建消力池，或修建消力坎。2.設(shè)計(jì)消力坎式墻高墻高計(jì)算基本公式為 （式11.3） （1）先假設(shè)消力墻坎處為自由溢流此時(shí)，又，代入上式得： 驗(yàn)證消能墻上的流態(tài)： ，屬于自由出流，說(shuō)明假設(shè)正確。即計(jì)算的墻高也正確，但需要檢查消能墻后的底流銜接形式。（2）消力池后底流消能銜接形式的判別這時(shí)消力墻前的總能量為 經(jīng)迭代計(jì)算得收縮斷面的共軛水深 因?yàn)?，故為淹沒(méi)式的水躍銜接，不需要修建第

3、二道消力坎。（3）消力池池長(zhǎng)的計(jì)算自由水躍的長(zhǎng)度消力池長(zhǎng)度【Excel迭代計(jì)算】由以上計(jì)算步驟可以看出，計(jì)算過(guò)程較繁瑣，涉及到收縮斷面水深的迭代求解，池深計(jì)算等復(fù)雜的計(jì)算過(guò)程。使用Excel計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算，可大大加快計(jì)算速度。按照消力坎式消力池的計(jì)算思路，在Excel表格中編制相應(yīng)的計(jì)算程序，如圖11-1和圖11-2所示。圖11-1和圖11-2所示的表格，使用時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題：注1：表格使用方法：1.橙色區(qū)域?qū)?yīng)的參數(shù)為基本參數(shù)值，需人工輸入具體數(shù)值；綠色區(qū)域所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)為程序自動(dòng)運(yùn)算的結(jié)果，切勿人工輸入數(shù)值。 注2：若D13單元格中顯示“否，不需修建消力池”，則無(wú)需進(jìn)行消力池的水力計(jì)算。注3

4、：“試算消力坎高度C”一欄為是在折線實(shí)用堰淹沒(méi)溢流的條件下，對(duì)消力坎的高度重新計(jì)算，當(dāng)在橙色區(qū)域輸入第一個(gè)試算高度后，可得到其后一差值為0.1的等差數(shù)列；判斷試算結(jié)束的精度默認(rèn)為2%，若改變精度，需調(diào)整單元格F22:F31的程序。E8“消力高度C取值”為符合試算精度要求的多個(gè)假設(shè)坎高的平均值。11-1 挖深式消力池excel計(jì)算表（工作簿01）圖11-2 挖深式消力池收縮水深hc excel計(jì)算表（工作簿02）注意：橙色區(qū)域?qū)?yīng)的參數(shù)為基本參數(shù)值，需人工輸入具體數(shù)值；綠色區(qū)域所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)為程序自動(dòng)運(yùn)算的結(jié)果，切勿人工輸入數(shù)值！表11.1 excel計(jì)算程序公式匯總計(jì)算項(xiàng)目序號(hào)名稱Excel公式

5、水力計(jì)算公式實(shí)用堰參數(shù)計(jì)算結(jié)果1閘門總寬度B0(m)A9=$D$6*$E$6+($D$6-1)*$F$62單寬流量q（m3/(s m)）B9=C4/A93上游行進(jìn)流速v0（m/s）C9=C4/(A4+B4)*A9)4上游總水頭E0(m)D9=A4+B4+C92/(2*9.8)判斷是否修消力池5收縮水深hc（m） A13='02 自動(dòng)迭代（勿動(dòng)）'!C8第1次迭代（02工作簿）C4='01 計(jì)算表格'!$B$9/('01 計(jì)算表格'!$E$4*SQRT(2*9.8*('01 計(jì)算表格'!$D$9+$B$2-'02 自動(dòng)迭代（

6、勿動(dòng)）'!B4)6第2次迭代（02工作簿）B5=C47C5='01 計(jì)算表格'!$B$9/('01 計(jì)算表格'!$E$4*SQRT(2*9.8*('01 計(jì)算表格'!$D$9+$B$2-'02 自動(dòng)迭代（勿動(dòng)）'!B5)8第3次迭代（02工作簿）B6=C59C6='01 計(jì)算表格'!$B$9/('01 計(jì)算表格'!$E$4*SQRT(2*9.8*('01 計(jì)算表格'!$D$9+$B$2-'02 自動(dòng)迭代（勿動(dòng)）'!B6)10第4次迭代（02工作簿）B7=C61

7、1C7='01 計(jì)算表格'!$B$9/('01 計(jì)算表格'!$E$4*SQRT(2*9.8*('01 計(jì)算表格'!$D$9+$B$2-'02 自動(dòng)迭代（勿動(dòng)）'!B7)12第5次迭代（02工作簿）B8=C713C8='01 計(jì)算表格'!$B$9/('01 計(jì)算表格'!$E$4*SQRT(2*9.8*('01 計(jì)算表格'!$D$9+$B$2-'02 自動(dòng)迭代（勿動(dòng)）'!B8)14收縮斷面共軛水深hc"（m）B13=A13/2*(SQRT(1+8*$B$92/(

8、9.8*A133)-1)15下游水躍形式C13=IF(B13>D4,"遠(yuǎn)趨式水躍",IF(B13=D4,"臨界式水躍","淹沒(méi)式水躍")16是否需要修建消力池D13=IF(OR(C13="遠(yuǎn)趨式水躍",C13="臨界式水躍"),"是，需要修建消力池","否，不需修建消力池")消力坎高度計(jì)算情況一：自由溢流17折線形實(shí)用堰掩上總水頭H0(m)B16=($B$9/(A16*$A$6*SQRT(2*9.8)(2/3)18消力坎高度C(m)C16=$B$6*

9、$B$13+$B$92/(2*9.8*SQRT($B$6*$B$13)2-B1619實(shí)用堰出流淹沒(méi)高度hs（m）D16=D4-C1620A16單元格A16=IF($F$16="自由溢流","情況一：屬自由溢流，請(qǐng)檢驗(yàn)是否需修建第二坎消力坎","屬淹沒(méi)溢流，請(qǐng)參考情況二")21實(shí)用堰下游收縮水深hc1（m）A19='02 自動(dòng)迭代（勿動(dòng)）'!$G$822收縮斷面共軛水深hc1"（m）B19=A19/2*(SQRT(1+8*$B$92/(9.8*A193)-1)23消力坎后的水躍形式C19=IF($B$19>

10、;$D$4,"遠(yuǎn)趨式水躍",IF($B$19=$D$4,"臨界式水躍","淹沒(méi)式水躍")24是否需要修建第二道消力坎D19=IF($C$19="淹沒(méi)式水躍","不需修建第二道消力坎","需要修建第二道消力坎")消力坎高度計(jì)算情況二：淹沒(méi)出流25堰上總水頭H10(m)B22=$B$6*$B$13-A22+$B$92/(2*9.8*($B$6*$B$13)2)26實(shí)用堰出流淹沒(méi)高度hs（m）C22=$D$4-A2227淹沒(méi)系數(shù)sD22=3.82-14.9*C22/B22+25.7

11、4*(C22/B22)2-14.66*(C22/B22)328單寬流量q（m3/(s m)）E22=D22*$A$6*SQRT(2*9.8)*B22(3/2)29是否為所求高度C(精度2%)F22=IF(ABS(E22-$B$9)/$B$9)<0.02,"是","否")消力坎高度計(jì)算30消力坎高度C取值（m）E9=IF($D$13="是，需要修建消力池",IF($F$16="自由溢流",$C$16,IF(COUNTIF(F22:F31,"是")>0,SUMIF(F22:F31,&qu

12、ot;是",A22:A31)/COUNTIF(F22:F31,"是"),"假設(shè)坎高不符合要求，請(qǐng)重新假設(shè)"),"不需修建消力池")消力池長(zhǎng)度計(jì)算31消力池池長(zhǎng)LB取值取值（m）E13=IF(D13="是，需要修建消力池",C6*6.9*(B13-A13),"不需修建消力池")【編寫計(jì)算程序時(shí)需要注意的問(wèn)題】正確使用常用的計(jì)算函數(shù)。表示加“+”，減“ ”，乘“ *”，除“ /”，開(kāi)平方“sqrt( )”，冪函數(shù)“ab”(即a的b次冪)等的函數(shù)，都要嚴(yán)格符合Excel計(jì)算程序的要求。否則，錯(cuò)一個(gè)符號(hào)，都可能導(dǎo)致計(jì)算的錯(cuò)誤。尤其需要注意的是，乘號(hào)“*”在任何時(shí)候都不能省略。思路要清晰，“（）”要對(duì)稱。在Excel計(jì)算程序中，需用括號(hào)之處一律用小括號(hào)，沒(méi)有中括號(hào)和大括號(hào)的使用。在編寫時(shí)，務(wù)必保證“（）”的左右對(duì)稱，使用得當(dāng)。合理布置表格結(jié)構(gòu)。在編寫程序前，應(yīng)在工作薄中合理布置“已知條件”和“計(jì)算程序”的位置，一般條件下，將已知的參數(shù)“已知條件”集中放在一個(gè)區(qū)域，將計(jì)算的過(guò)程集中放在一個(gè)區(qū)域，計(jì)算過(guò)程按試算思路的順序進(jìn)行。絕對(duì)單元格的的引用?！耙阎獥l件”中的部分?jǐn)?shù)據(jù)，在“計(jì)算過(guò)程”的每一個(gè)試算過(guò)程都要用到，對(duì)這些參數(shù)，應(yīng)進(jìn)