Excel在判斷水工建筑物下游水躍銜接形式中的應(yīng)用

馬 琳 杜萬(wàn)軍 趙 英

Excel在判斷水工建筑物下游水躍銜接形式中的應(yīng)用

馬 琳 杜萬(wàn)軍 趙 英

一、引言

水力計(jì)算當(dāng)中，溢流壩下游水躍銜接形式的判斷，是一項(xiàng)比較繁瑣且重復(fù)的工作，要求計(jì)算者通過(guò)試算法求解相關(guān)水力要素，然后判斷下游水躍銜接形式，計(jì)算步驟較多，計(jì)算量也略大。

Microsoft Excel軟件能很好地解決試算法中計(jì)算繁瑣這一問(wèn)題，筆者結(jié)合自身在水力計(jì)算教學(xué)當(dāng)中的實(shí)際情況，將Excel應(yīng)用到判斷溢流壩下游水躍銜接形式這一問(wèn)題中，節(jié)省了工作量和工作時(shí)間。

二、Excel計(jì)算矩形斷面溢流壩下游消能形式

1.傳統(tǒng)計(jì)算方法

由于判斷下游消能公式是一個(gè)一元三次方程，無(wú)法直接求解，傳統(tǒng)計(jì)算方法有：

（1）用已有的關(guān)系曲線，查圖求解，該方法誤差較大精度低，也不方便。

（2）借助計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言，編寫(xiě)程序求解，該方法對(duì)計(jì)算者語(yǔ)言編寫(xiě)能力要求較高，應(yīng)用起來(lái)比較困難。

2.Excel幾種計(jì)算功能介紹（1）相對(duì)引用和絕對(duì)引用

采用相對(duì)引用，單元格的引用會(huì)隨著公式所在單元格位置的改變而改變。采用絕對(duì)引用，只要在單元格的行號(hào)和列號(hào)前加上“＄”符號(hào)，即可保證被引用在公式單元格位置變化的情況下保持不變。

（2）IF（）函數(shù)

IF（）函數(shù)是一個(gè)用來(lái)判斷條件是否滿足的邏輯函數(shù)，如果滿足條件，則返回一個(gè)值，反之則返回另一個(gè)值。其函數(shù)結(jié)構(gòu)為IF（logical_test，value_if_ true，value_if_false），其中，logical_test為判斷條件，value_if_true，value_if_false分別為當(dāng)判斷條件為真或?yàn)榧贂r(shí)的返回值。比如，在計(jì)算單元格中輸入“=IF（80＞60，“及格”）”，因?yàn)?0大于60，所以在單元格中顯示“及格”，如果將函數(shù)改為“=IF（50＜60，“不及格”）”，則單元格中會(huì)顯示“不及格”。

3.計(jì)算例題

已知某矩形渠道上修建有一WES型溢流壩，上游和下游壩高均為10m，通過(guò)壩頂閘門控制流量，現(xiàn)保持壩頂水頭H=3.2m，通過(guò)調(diào)節(jié)閘門開(kāi)度，使過(guò)壩水流單寬流量q=6m3/（s.m），對(duì)應(yīng)下游水深ht=3.05m。試判斷該溢流壩下游水躍的銜接形式，并進(jìn)一步判斷，在該溢流壩下游是否需要修建消能工。

（1）計(jì)算公式

如圖1所示，矩形斷面渠道，溢流壩段剖面圖，判別下游水躍的銜接形式，計(jì)算公式如下：

在泄水建筑物下游，存在這樣一個(gè)過(guò)水?dāng)嗝妫钸_(dá)到最小值，流速達(dá)到最大值，將這個(gè)斷面稱為收縮斷面c-c，如圖1中所示。現(xiàn)將通過(guò)收縮斷面底部的水平面，設(shè)為基準(zhǔn)面，上游壩高是P1，下游壩高是P2，則根據(jù)以上信息可列出壩前斷面o-o及收縮斷面c-c的能量方程：

式中：ζ是0-0至c-c斷面間的水頭損失系數(shù)；α是動(dòng)能修正系數(shù)；E0是以收縮斷面底部為基準(zhǔn)面時(shí)，壩前水流的總能量。

c，考慮

對(duì)于矩形斷面，上式可寫(xiě)成：

由于上式是一個(gè)一元三次方程，無(wú)法直接求解，因此，選用試算法進(jìn)行計(jì)算。

思路如下：當(dāng)溢流壩壩前總能量E0已知時(shí)，可假設(shè)一個(gè)收縮斷面水深值hc，計(jì)算公式（3）的右邊項(xiàng)，如果計(jì)算結(jié)果剛好等于已知的E0，那么假設(shè)的hc即為所求答案。否則，重新假設(shè)hc，再進(jìn)行計(jì)算，直到計(jì)算的E0值等于已知的E0值為止。

不難看出，如果采用手算計(jì)算，工作量很大，且都是重復(fù)性工作，在此，將Excel引用到計(jì)算該問(wèn)題中。

（2）計(jì)算步驟

圖1 WES溢流壩剖面圖

②假設(shè)一系列側(cè)收縮斷面水深hc，用Excel公式計(jì)算，試算E0，如圖3所示。

取一組，求出的值與已知的值相等，所以，經(jīng)試算可得。

③hc的共軛水深hc"的計(jì)算，如圖4所示。

④溢流壩底流消能的判斷。

圖2 計(jì)算溢流壩壩前總能量E0圖

圖3 計(jì)算側(cè)收縮斷面水深圖

已知ht=3.05，比較可知，下游產(chǎn)生遠(yuǎn)驅(qū)式水躍，需要設(shè)置消能工。此處，可采用Excel的IF函數(shù)進(jìn)行自動(dòng)判斷，如圖5所示，點(diǎn)擊常用函數(shù)，彈出“函數(shù)參數(shù)”對(duì)話框，

在Value_if_false中設(shè)置“不需要修建消能工”。從結(jié)果中可看出，此題需設(shè)置消能工。

三、結(jié)語(yǔ)

在水力計(jì)算中，對(duì)于矩形斷面，判斷其下游水躍銜接形式時(shí)，把Excel應(yīng)用到計(jì)算過(guò)程中，利用其強(qiáng)大的計(jì)算功能，大大減少了傳統(tǒng)計(jì)算方法所需的工作量，不僅提高了計(jì)算效率，而且能使基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)踐操作結(jié)合起來(lái)，引導(dǎo)今后對(duì)Excel更好地開(kāi)發(fā)和利用

（作者單位：楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院水利工程分院 712100）

圖4 計(jì)算hc的共軛水深hc"圖

圖5 消能判斷圖

陜西高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“高職水利水電建筑工程專業(yè)教學(xué)資源庫(kù)應(yīng)用推廣的研究與實(shí)踐”（15Z04））