Excel水力計算展示——閘孔尺寸確定 設(shè)計

1、Excel水力計算展示之專題7.閘孔尺寸確定實際工程的水閘，閘底坎一般為寬頂堰和曲線型實用堰，閘門類型主要有平板閘門和弧形閘門。閘孔出流的形式有自由出流和淹沒出流兩種。如下圖所示 圖7-1 閘孔自由出流 7-2 閘孔自由出流 7-3 閘孔淹沒出流判別標準分別為：當時，下游發(fā)生遠離式水躍或臨界式水躍，此時閘孔出流為自由出流；當時，下游發(fā)生淹沒式水躍，此時的閘孔出流為淹沒出流。其中，為收縮斷面水深的共軛水深，為下游水深。1.自由出流對于自由出流，其計算公式如下 （7-1）式中：為過堰流量，m3/s；為閘孔出流的流量系數(shù)；為閘孔凈寬，m；為閘門開度，m； 為閘前總水頭，m。對于平板閘門，流量系數(shù)可用

2、下式計算 （7-2）應(yīng)用范圍： 。對于弧形閘門，流量系數(shù)可用下式計算 （7-3）為閘門下緣切線與水平線的夾角，適用于： ， 。平板閘門的收縮斷面，常根據(jù)相對開度確定垂直收縮系數(shù)2，計算公式為，垂直收縮系數(shù)2通過查表7.1確定。表7.1 平板閘門垂直收縮系數(shù)2閘門相對開度0.100.150.200.250.300.350.400.450.500.550.600650.6150.6180.6200.6220.6250.6300.6300.6380.6450.6500.6600.6752.淹沒出流由上面分析可以看出，閘孔淹沒出流的條件為。當閘孔為淹沒出流時，泄流能力比同樣條件下的自由出流小，在實際計

3、算時，是將平底閘孔自由出流的式（91）右端乘上一個淹沒系數(shù)，即： （74）式中 ：淹沒系數(shù)，可由及可查圖7-4， 為閘上、下游水位差。圖7-4閘孔出流的淹沒系數(shù)（一）或者通過計算潛流比，通過查圖7-5得到。 圖7.5 閘孔出流淹沒系數(shù)（二）【工程任務(wù)】某一單孔平板閘門，已知設(shè)計流量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。試確定通過設(shè)計流量時的閘門開度（忽略上游行進流速v0）?！痉治雠c計算】計算公式為 由于垂直收縮系數(shù)2，淹沒系數(shù)s，流量系數(shù)均和閘門開度e有關(guān)，因此需要用試算法求解。設(shè)時，,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可得淹沒系數(shù)。則在閘門開度時，過流能力 此時,故閘門開啟高度為。【Excel試算】從以上的試算過程可以看出，閘孔尺寸的確定需要在假設(shè)閘孔開度e的條件下進行試算，直到過流能力Q與設(shè)計流量Q0接近時為止，計算量較大。在excel軟件中，按照試算法的思路編寫閘孔尺寸計算的程序，可加快計算速度，提高計算效率。編寫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)作為計算的基本參數(shù)，在excel表格中一一列出。對本題目來說，基本參數(shù)包括設(shè)計流量Q0，堰上水頭H，閘門孔數(shù)n，閘

5、單孔凈寬b，堰高P1，下游河道水深ho。2. 確定（計算）閘門的相關(guān)參數(shù)在基本參數(shù)的基礎(chǔ)上，計算閘門的相關(guān)參數(shù)，根據(jù)本題的題意，可計算得到閘后下游水深ht，閘孔總凈寬B，行進流速v0，堰上總水頭H0等。3. 編寫試算程序根據(jù)試算的思路和計算過程，按照水力計算的公式，逐次編寫閘孔尺寸確定的計算程序，用試算的方法求得結(jié)果。編制的excel計算過程如表7.2。表7.2 平板閘門閘孔尺寸計算表注：1.表中褐色區(qū)域為人工基本參數(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)；“試算過程”中的“試算閘門開度”為使用者輸入的試算開度e；“查表垂直收縮系數(shù)2”（F10F17）為使

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

7、$D$3*($E$3+$F$3)0（忽略不計）4堰上總水頭H0（m）D7=B4+C72/(2*9.8)5試算過程閘門相對開度(e/H)B10=A10/$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$7,"自由出流","淹沒出流")自由出流；淹沒出流12潛流比(ht-hc")/(H-hc")J10=($F$4-$E$4-H10)/($B$4-H10)13過流能力Q（m3/s）L10=K10*D10*$B$7*A10*SQRT(2*9.8*$D$7)14是否為所求開度e（誤差<0.01）M10=IF(ABS(L10-$A$4)/$A$4)<0.02,"是","否")【編寫計算程序時需要注意的問題】正確使用常用的計算函數(shù)。表示加“+”

9、，減“ ”，乘“ *”，除“ /”，開平方“sqrt( )”，冪函數(shù)“ab”(即a的b次冪)等的函數(shù)，都要嚴格符合Excel計算程序的要求。否則，錯一個符號，都可能導致計算的錯誤。尤其需要注意的是，乘號“*”在任何時候都不能省略。思路要清晰，“（）”要對稱。在Excel計算程序中，需用括號之處一律用小括號，沒有中括號和大括號的使用。在編寫時，務(wù)必保證“（）”的左右對稱，使用得當。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”集中放在一個區(qū)域，將計算的過程集中放在一個區(qū)域，計算過程按試算思路的順序進行。絕對單元格的的引用?！耙阎獥l件”中的部分數(shù)據(jù)，在“計算過程”的每一個試算過程都要用到，如n、i、m、b等參數(shù)。對這些參數(shù)，應(yīng)進行絕對化單元格，才能保證在下拉時這些單元格參與到每個試算過程的計算。絕對化單元格的符號“$”，如“$B$4”。使用IF函數(shù)判斷閘孔出流的類型等，IF函數(shù)的基本