基于Microsoft Excel试算法在明渠工程设计中的应用

胡建春，何 茜

(西昌学院 工程技术学院，四川 西昌 615013)



基于Microsoft Excel试算法在明渠工程设计中的应用

胡建春，何 茜

(西昌学院 工程技术学院，四川 西昌 615013)

在水利工程明渠的设计中，高阶方程需要通过试算法求解，用传统的计算器人工计算，计算参数多、工作量大，且精确度不够.用Microsoft Excel工具进行试算则方便、快捷、计算精确度高，可为工程设计提供便捷准确的计算结果.以渠道水深计算案例，通过对Microsoft Excel单元格公式的编辑，探讨Microsoft Excel试算的具体方法.

水力计算；试算；Microsoft Excel工具

0 引 言

明渠是一种具有自由表面水流的渠道，在农田水利工程、水利水电工程、城市给排水工程中经常使用，根据其形成条件，可分为天然明渠和人工明渠.梯形明渠是人工明渠中的主要存在形式，其水力要素主要由水面宽度、过水断面面积、湿周、水力半径、底坡、边坡系数、粗糙系数等构成.在人工明渠的设计过程中，经常需要对渠道的过流能力进行校核、断面尺寸进行设计等问题，解决这些问题往往需要进行大量的试算.试算法虽然可以解决问题，但计算参数多、工作量大，且因参数计算精度不同可能造成计算结果偏差较大.Microsoft Excel是人们在日常生活中经常使用的一款软件，将Microsoft Excel强大的计算功能、图表处理功能和数据分析功能应用于明渠工程设计的水力计算，可有效提高设计人员工作效率和计算精度.

在工程实际中，常用的梯形渠道，各水利要素之间存在的函数关系一般由下式表示：

(1)已知渠道断面尺寸(包括渠道底宽b、边坡系数m，水深h)，底坡i，粗糙系数n，校核渠道过水能力Q；

(2)已知设计流量Q、底坡i、底宽b、边坡系数m和粗糙系数n，计算渠道水深h；

(3)已知设计流量Q、底坡i、边坡系数m、粗糙系数n和水深h，计算渠道底宽b；

(4)已知设计流量Q、边坡系数m、粗糙系数n和水深h，计算底坡i；

(5)已知流量Q、流速v、底坡i、粗糙系数n和边坡系数m，设计渠道的断面尺寸.[1-4]

工程设计中，一般是已知5个参数中的4个参数，求另外一个参数，并绘制曲线，因此，使用Microsoft Excel进行明渠水力计算时，需要使用到其计算功能和图表功能[5-7].

1 Microsoft Excel渠道水力计算单元格的制作

MicrosoftExcel具有强大的计算功能，只要将各单元格数值及公式表达式预设好，在实际计算时，只需要在单元格中输入相应的试算数值，即可将得到的答案与实际进行对比，若对比数值等于或无限接近于实际值，则输入的试算数值即为所求[8].

1.1 渠道水力计算所需的基本公式

按照刘镇长的意见，我第二天就到厂里向刘国良传达了王副县长的指示。刘厂长认为，建门楼是企业行为，上级不必小题大做，对信中反映的问题不以为然，更没有把我这个既年轻又不懂管理的副镇长放在眼里。企业老板有一个共性，你依着他，他对你很尊重，你为难他，他会不把你当回事。用他的话说，那是过喜事打瞌睡——是回事却不当回事。

在渠道水力计算中，各水利要素按几何公式和经典经验公式进行，主要运用的公式为[1]：

过水断面面积：A=(b+mh)h

1.2 单元格公式表达式的建立

单元格公式表达式的建立(见表1)，单元格中A2为水深h，B2为底宽b，C2为边坡系数m，D2为粗糙系数n，E2为底坡i，F2为过水断面面积A，G2为湿周χ，H2为水力半径R，I2为谢齐系数C，J2为流量Q.在工程设计中，一般将A列设为需要试算的项，B、C、D、E四列为已知项，F、G、H、I四列为计算过程项，J列为对比项[5].计算过程项和对比项在单元格中的公式按经典经验公式进行，第3行中分别输入，单元格计算公式的输入(见表2).

表1 Microsoft Excel单元格设置图

表2 Microsoft Excel单元格计算公式

2 工程设计实际应用

某水电站引水渠，通过沙壤土地段，根据工程地形条件，设计采用等腰梯形断面；为减少渗漏损失和加强渠道耐冲刷能力，设计采用浆砌石衬砌，边坡系数m=1；为减少挖、填方量，底坡i=0.001 25；渠道底宽b=6 m，设计流量Q=70 m3/s，为保证渠道安全运行，渠堤安全超高为0.5 m，通过计算确定渠堤高度.[1]本设计中，已知Q、b、m、i，求h，求得的水深h加上安全超高即为渠堤高度.

2.1 试算——图解法求解

根据水力学基本公式，可整理得

该式为高次方程，要通过该表方程直接求解水深h是非常困难的，在实际计算中，可假设一系列的h值，代入上式计算相应的Q值，并绘制成h-Q曲线，根据已知流量，在曲线上查处要求的h值.图1为通过试算绘制的h-Q曲线，在对应的流量Q中，可以直接找到对应的水深h.实践证明，使用试算——图解法求解是非常困难的，且计算精度不够，有文献使用迭代法计算，计算过程同样是相当复杂的[8-9].

图1 试算-图解法h-Q曲线图

2.2 Microsoft Excel试算法求解

根据前文建立的Microsoft Excel单元格，在B3、C3、D3、E3单元格中添加已知数据，在试算时，在A3单元格输入需要试算的数值，在J3单元格自动显示流量Q值，在实际使用过程中，可将A3、B3、C3、D3、E3、F3、G3、H3、I3、J3单元格选中，利用Microsoft Excel填充功能填充若干行，再在A4、A5、A6、A7、A8…单元格中输入试算值，对应的J4、J5、J6、J7、J8单元格自动显示所计算的流量Q值，当Q值无限接近于目标值时，试算结束(见表3).使用表3的计算方法可将计算过程显示出来.

表3 Microsoft Excel试算法

3 结 论

通过Microsoft Excel试算法对水深的计算与文献1的例题5.3人工试算数值相差1个流量以上，因此，我们可以清楚的看到，用试算——图解法工作量大，计算参数多，且计算精确度不够，用Microsoft Excel试算法简单、快捷、准确，且使用方便，可减少工程设计人员重复的数值计算，提高计算精确度和提高工作效率[10].

Microsoft Excel作为微软公司推出的Office办公组件之一，因其具有强大的计算功能、图表处理功能和数据分析功能而广泛使用，但运用在水利工程设计和水力计算教材还不多见，因此，作为水利水电工程教育工作者，应多探索运用计算机软件在水力计算的实际应用，并应用到教学中，帮助学生到工作岗位解决实际问题，也可为工程设计人员提供参考.

[1] 吴持恭.水力学[M].4版.北京:高等教育出版社,2008:201-208.

[2] 赵振兴,何建京.水力学[M].北京:清华大学出版社,2005:193-198.

[3] 李 炜.水力计算手册[M].北京:中国水利水电出版社,2006:41-51.

[4] 刘为民.二分法在梯形明渠均匀流水力学计算中的应用[J].新疆水利,2000(6):31-34.

[5] 杨 艳.Excel在《水力学》教学过程中的应用[J].长江工程职业技术学院学报,2011(3):69-71.

[6] 张宇华.Microsoft Excel在水力计算中的应用[J].黄河水利职业技术学院学报,2009(4):16-18.

[7] 刘 宾,周罕琳.利用EXCEL计算平底闸过流能力[J].地下水,2014(7):180-181.

[8] 韩红亮,刘守宇,王雪梅,等.矩形渡槽水力计算的Excel求解[J].山西建筑,2015(8):216-217.

[9] 黄裕健.Excel函数和迭代计算在渠道设计中的应用[J].黑龙江水利科技,2011(6):156-157.

[10] 彭永丽,蔡建安,汪明明.Excel规划求解的环状给水管网平差[J].南昌工程学院学报,2013(6):68-72.

Application of Microsoft Excel Algorithm in Design of Open Channel

HU Jian-chun, HE Qian

(School of Engineering Technology, Xichang College, Xichang 615013, China)

In the design of open channel in water conservancy project, the high order equation should be solved by algorithm because it is difficult to solve directly by traditional manual calculation due to its multi-parameter calculation, heavy workload and low precision. The algorithm by Microsoft Excel provides convenient, fast and accurate calculating results for engineering design. The trial method based on Microsoft Excel is illustrated in the paper to calculate channel depth by spreadsheet formula editing of Microsoft Excel.

hydraulic calculation; calculation; Microsoft Excel tool

2015-04-10

四川省2013-2016年高等教育人才培养质量和教学改革项目 (2014-156-439)

胡建春(1980-)，男，四川仁寿人，副教授，硕士，主要从事水利水电工程专业教学和研究工作.

TV131.4

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1008-536X(2015)09-0047-03