Excel水力計(jì)算展示——閘孔尺寸確定 設(shè)計(jì)

1、Excel水力計(jì)算展示之專(zhuān)題7.閘孔尺寸確定實(shí)際工程的水閘，閘底坎一般為寬頂堰和曲線型實(shí)用堰，閘門(mén)類(lèi)型主要有平板閘門(mén)和弧形閘門(mén)。閘孔出流的形式有自由出流和淹沒(méi)出流兩種。如下圖所示 圖7-1 閘孔自由出流 7-2 閘孔自由出流 7-3 閘孔淹沒(méi)出流判別標(biāo)準(zhǔn)分別為：當(dāng)時(shí)，下游發(fā)生遠(yuǎn)離式水躍或臨界式水躍，此時(shí)閘孔出流為自由出流；當(dāng)時(shí)，下游發(fā)生淹沒(méi)式水躍，此時(shí)的閘孔出流為淹沒(méi)出流。其中，為收縮斷面水深的共軛水深，為下游水深。1.自由出流對(duì)于自由出流，其計(jì)算公式如下 （7-1）式中：為過(guò)堰流量，m3/s；為閘孔出流的流量系數(shù)；為閘孔凈寬，m；為閘門(mén)開(kāi)度，m； 為閘前總水頭，m。對(duì)于平板閘門(mén)，流量系數(shù)可用

2、下式計(jì)算 （7-2）應(yīng)用范圍： 。對(duì)于弧形閘門(mén)，流量系數(shù)可用下式計(jì)算 （7-3）為閘門(mén)下緣切線與水平線的夾角，適用于： ， 。平板閘門(mén)的收縮斷面，常根據(jù)相對(duì)開(kāi)度確定垂直收縮系數(shù)2，計(jì)算公式為，垂直收縮系數(shù)2通過(guò)查表7.1確定。表7.1 平板閘門(mén)垂直收縮系數(shù)2閘門(mén)相對(duì)開(kāi)度0.100.150.200.250.300.350.400.450.500.550.600650.6150.6180.6200.6220.6250.6300.6300.6380.6450.6500.6600.6752.淹沒(méi)出流由上面分析可以看出，閘孔淹沒(méi)出流的條件為。當(dāng)閘孔為淹沒(méi)出流時(shí)，泄流能力比同樣條件下的自由出流小，在實(shí)際計(jì)

3、算時(shí)，是將平底閘孔自由出流的式（91）右端乘上一個(gè)淹沒(méi)系數(shù)，即： （74）式中 ：淹沒(méi)系數(shù)，可由及可查圖7-4， 為閘上、下游水位差。圖7-4閘孔出流的淹沒(méi)系數(shù)（一）或者通過(guò)計(jì)算潛流比，通過(guò)查圖7-5得到。 圖7.5 閘孔出流淹沒(méi)系數(shù)（二）【工程任務(wù)】某一單孔平板閘門(mén)，已知設(shè)計(jì)流量Q0=5m3/s，閘寬b=3m，閘下游河道正常水深h0=1.5m，閘底坎為平頂堰式，堰高為0.5m，閘前水頭H=1.32m。試確定通過(guò)設(shè)計(jì)流量時(shí)的閘門(mén)開(kāi)度（忽略上游行進(jìn)流速v0）?！痉治雠c計(jì)算】計(jì)算公式為 由于垂直收縮系數(shù)2，淹沒(méi)系數(shù)s，流量系數(shù)均和閘門(mén)開(kāi)度e有關(guān)，因此需要用試算法求解。設(shè)時(shí)，,查表7.1得，2=0.

4、6439。由（式7-2）得 所以按照自由出流的單寬流量 收縮斷面的水深 收縮斷面的共軛水深 下游水深潛流比，查圖7.5可得淹沒(méi)系數(shù)。則在閘門(mén)開(kāi)度時(shí)，過(guò)流能力 此時(shí),故閘門(mén)開(kāi)啟高度為。【Excel試算】從以上的試算過(guò)程可以看出，閘孔尺寸的確定需要在假設(shè)閘孔開(kāi)度e的條件下進(jìn)行試算，直到過(guò)流能力Q與設(shè)計(jì)流量Q0接近時(shí)為止，計(jì)算量較大。在excel軟件中，按照試算法的思路編寫(xiě)閘孔尺寸計(jì)算的程序，可加快計(jì)算速度，提高計(jì)算效率。編寫(xiě)excel程序的步驟如下：1. 列清基本參數(shù)將題目中告知的參數(shù)作為計(jì)算的基本參數(shù)，在excel表格中一一列出。對(duì)本題目來(lái)說(shuō)，基本參數(shù)包括設(shè)計(jì)流量Q0，堰上水頭H，閘門(mén)孔數(shù)n，閘

5、單孔凈寬b，堰高P1，下游河道水深ho。2. 確定（計(jì)算）閘門(mén)的相關(guān)參數(shù)在基本參數(shù)的基礎(chǔ)上，計(jì)算閘門(mén)的相關(guān)參數(shù)，根據(jù)本題的題意，可計(jì)算得到閘后下游水深ht，閘孔總凈寬B，行進(jìn)流速v0，堰上總水頭H0等。3. 編寫(xiě)試算程序根據(jù)試算的思路和計(jì)算過(guò)程，按照水力計(jì)算的公式，逐次編寫(xiě)閘孔尺寸確定的計(jì)算程序，用試算的方法求得結(jié)果。編制的excel計(jì)算過(guò)程如表7.2。表7.2 平板閘門(mén)閘孔尺寸計(jì)算表注：1.表中褐色區(qū)域?yàn)槿斯せ緟?shù)，需人工輸入相關(guān)參數(shù)：其中“一、基本參數(shù)”（A5F5）需根據(jù)題意輸入閘孔參數(shù)；“試算過(guò)程”中的“試算閘門(mén)開(kāi)度”為使用者輸入的試算開(kāi)度e；“查表垂直收縮系數(shù)2”（F10F17）為使

6、用者根據(jù)閘門(mén)相對(duì)開(kāi)度（B10B17）查表7.1所得的結(jié)果；“查圖淹沒(méi)系數(shù)s”（K10K17）為使用者根據(jù)潛流比查圖7-5所得的結(jié)果。2. “是否為所求開(kāi)度e”M10M17為自動(dòng)判斷假設(shè)的閘孔開(kāi)度A10A17是否為要求的閘孔開(kāi)度，當(dāng)過(guò)流能力Q與設(shè)計(jì)流量Q0的相對(duì)誤差小于0.01時(shí)，即說(shuō)明該假設(shè)的開(kāi)度為所求的開(kāi)度，相應(yīng)的單元格中，會(huì)顯示紅色“是”，否則顯示“否”。將excel公式編制的程序列于表7.3。表7.3 閘孔尺寸計(jì)算的excel公式匯總序號(hào)名稱(chēng)excel公式水力計(jì)算公式1閘孔參數(shù)計(jì)算閘后下游水深ht（m）A7=F4-E42總凈寬B(m)B7=C4*D43行進(jìn)流速v0（m/s）C7=C7/(

7、$D$3*($E$3+$F$3)0（忽略不計(jì)）4堰上總水頭H0（m）D7=B4+C72/(2*9.8)5試算過(guò)程閘門(mén)相對(duì)開(kāi)度(e/H)B10=A10/$B$46(判斷)出流形式C10=IF(B10<=0.65,"閘孔出流","堰流")堰流；閘孔出流7閘孔出流流量系數(shù)D10=0.6-0.176*B108單寬流量q（m3/s m）E10=D10*A10*SQRT(2*9.8*$D$7)9收縮水深hc（m）G10=F10*A1010收縮斷面共軛水深hc"(m)H10=G10/2*(SQRT(1+8*E102/(9.8*G103)-1)11(判斷

8、)下游出流形式I10=IF(H10>=$A$7,"自由出流","淹沒(méi)出流")自由出流；淹沒(méi)出流12潛流比(ht-hc")/(H-hc")J10=($F$4-$E$4-H10)/($B$4-H10)13過(guò)流能力Q（m3/s）L10=K10*D10*$B$7*A10*SQRT(2*9.8*$D$7)14是否為所求開(kāi)度e（誤差<0.01）M10=IF(ABS(L10-$A$4)/$A$4)<0.02,"是","否")【編寫(xiě)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“+”

9、，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(chēng)。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(xiě)時(shí)，務(wù)必保證“（）”的左右對(duì)稱(chēng)，使用得當(dāng)。合理布置表格結(jié)構(gòu)。在編寫(xiě)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。“已知條件”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，如n、i、m、b等參數(shù)。對(duì)這些參數(shù)，應(yīng)進(jìn)行絕對(duì)化單元格，才能保證在下拉時(shí)這些單元格參與到每個(gè)試算過(guò)程的計(jì)算。絕對(duì)化單元格的符號(hào)“$”，如“$B$4”。使用IF函數(shù)判斷閘孔出流的類(lèi)型等，IF函數(shù)的基本