矩形渡槽水力计算的Excel求解

韩红亮 刘守宇 王雪梅 冯建栋

(1.杨凌职业技术学院水利工程学院，陕西杨凌 712100;2.重庆市建筑科学研究院，重庆 400020)

水力计算是矩形渡槽断面设计的重要环节，主要解决渡槽底坡、断面形状尺寸、进出口高程、水头损失校核等问题。底坡、槽宽、深度等参数的确定不断试算，工作量大。近些年，不少学者研究了该问题的快速计算方法［1］，但专业的数学方法又不易被快速掌握。Excel是常用的办公软件，功能强大且使用方便。本文借助Excel软件，实现了矩形渡槽水力计算的快速求解。

1 矩形渡槽水力计算方法

矩形渡槽水力计算的求解思路如图1所示。

图1 矩形渡槽Excel水力计算流程图

1.1 确定已知量

所谓已知量，即设计流量Q0、加大流量Qmax、渡槽允许水头损失▽Z、槽身长度L、渠底进口高程▽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'、渠道断面尺寸b，h等。

1.2 水力计算的重要步骤

1)底宽b的试算。根据矩形渡槽的水力最优特性和力学特性，要求设计流量Q0和加大流量Qmax条件下的深宽比保持在0.6～0.8之间。求解时，先假设一系列底宽 bi(i=1，2…)，进而确定相应的水深hi(i=1，2…)，满足要求的底宽即为所求值。

2)渡槽正常水深h的试算。渡槽水流按明渠均匀流考虑，根据谢才公式Q=CA，假设一系列的水深 hi(i=1，2…)，逐次计算在hi条件下的流量Qi，当Qi=Q时，则认为hi是所求值。用传统方法求解此问题，计算量较大。

2 矩形渡槽水力计算的Excel方法

2.1 引用［2］

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，只要在引用的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。

渡槽水力计算的Excel程序编制过程中，对已知条件的引用多采用绝对引用。

2.2 试算

主要解决正常水深的试算问题。采用的方法:假设一系列的水深hi(i=1，2…)，为保证精度，相邻hi间隔0.1 m。考虑到渡槽水深一般不超过10 m，故拟定hi的最大值为10 m，即hi=0，0.1，0.2，…，10。依次计算在hi条件下的流量Qi，若Qi与给定流量Q的相对误差小于2%，则认为是合理值。

编写过程中，需以此编写过水断面面积A、湿周χ、水力半径R、谢才系数C、流量Q的计算程序。

2.3 IF()判断语句

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和假时的返回值［3］。

2.4 试算结果的筛选

将满足要求的水深，用average()函数计算平均值作为试算结果。

2.5 界面布局

建立两个工作簿:工作簿1(命名为“01计算区”)和工作簿2(命名为“02试算区”)，工作簿1为主要的计算界面，输入基本参数并显示主要的计算结果;工作簿2进行渠道明渠均匀流的水深试算，将其计算结果返回至工作簿1的相应单元格。

3 工程算例［4］

3.1 工程资料

某钢筋混凝土渡槽槽身总长130 m，槽身过水断面为矩形，进口渐变段长6 m，出口渐变段长9 m。允许水头损失［ΔZ］=0.3 m。进口渠底高程▽3=565.56 m。上下游渠道水力要素相同，设计流量Q0=3.5 m3/s，加大流量Qmax=4.8 m3/s，渠道底坡 i'=1/1 450，边坡系数 m'=1，糙率 n'=0.023，渠道底宽 b'=0.7 m(钢筋混凝土糙率n取0.014)，试进行渡槽水力计算。

3.2 Excel求解结果

运用Excel程序进行计算，可以得到如表1所示的结论。

表1 不同底坡下的Excel求解结果

由表1可以看出，在Excel表格中拟定渡槽底坡i，通过拟定底宽b的值，可以迅速解得进、出口高程，保证水头损失在允许范围之内。

4 结语

通过编制正常水深试算、IF()判断语句、引用等Excel程序，完成了渡槽水力设计的快速求解计算。该方法很好地解决了矩形渡槽水力计算工作量较大、计算繁琐的问题。在设计工作中，运用Excel程序，通过初拟不同的底坡值，得到对应底宽、高程等参数，可在较短时间内，获得不同的参考方案，提高了设计速度和水平。

［1］胡建平，刘亚莲.渡槽计算机辅助设计软件的研究［J］.中国农村水利水电，2003(8):70-72.

［2］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.

［3］丛文龙.使用IF()函数实现复杂判断［J］.电脑编程技巧与维护，2015(4):20-22.

［4］张 宏.水工建筑物［M］.北京:中国水利水电出版社，2011:222-224.