基于VBA的Excel二次開發(fā)在引黃涵閘消力池設計中的應用

鄭 釗，毋 甜

(河南黃河勘測規(guī)劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

1 概述

隨著小浪底水庫持續(xù)運用，黃河下游河床沖刷下切，相同流量相應水位明顯下降，黃河下游引黃涵洞式水閘引水條件較設計情況發(fā)生了較大變化，部分引黃涵閘存在引水困難，或無法引水的問題，對黃河下游兩岸地區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展造成一定影響。為此，水利部黃河水利委員會組織相關部門積極開展黃河下游引黃涵閘改建工作，確定需要拆除重建的引黃涵閘共計48座，其中河南段18座，山東段30座。因黃河沖積平原地質(zhì)條件較差，引黃涵閘涵洞末端出口水頭較底，其消能工多采用底流消能方式。

挖深式消力池結(jié)構簡單、消能效果好且便于施工，黃河下游引黃涵閘改建工程消力池設計以挖深式為主。由于引黃涵閘消力池距黃河大堤較近，挖深式消力池池深與池長設計是否合理不僅直接影響引黃涵閘自身安全，還會影響黃河大堤等防洪工程的安全。

為了提高挖深式消力池設計效率，黃朝煊、滕凱、張志軍[4-9]等通過理論分析，建立了開敞式水閘消力池池深的簡化計算公式，并成功運用于工程實例；馮臻、郭鳳臺[10-11]等利用Excel及其二次開發(fā)技術，為開敞式水閘消力池深度計算提供了一種新的思路；林淏圣、寧鵬飛、葉曉東[12-14]等建立收縮水深或消力池深度迭代公式，實現(xiàn)了快速計算開敞式水閘消力池深度；惠康、黃智敏[15-16]等分別采用數(shù)值模擬與物理模型的研究手段分析了消力池內(nèi)水躍特性，為消力池的長度計算提供了相應的方法；房凱[17]等采用改進遺傳算法改進了無壓流短涵洞挖深式消力池設計參數(shù)計算方法，提高了計算效率。黃河下游穿堤引黃涵閘工程主體由閘室與穿堤涵洞組成，挖深式消力池設計由于涵洞的存在有其自身特點，現(xiàn)有研究基本都以開敞式水閘消力池為研究對象，對涵洞式水閘挖深式消力池相關研究還不夠深入，尚未深入分析涵洞式水閘消力池設計與開敞式水閘消力池設計的不同之處。

綜上，本文研究嚴格依據(jù)SL 265—2016[3]計算方法，采用基于VBA的Excel二次開發(fā)技術編寫黃河下游引黃涵洞式水閘、開敞式水閘挖深式消力池兩種結(jié)構型式設計程序，實現(xiàn)了在輸入有限設計參數(shù)的情況下，自動、快速計算多種工況挖深式消力池設計參數(shù)，分析了由于涵洞的存在使得兩種結(jié)構型式挖深式消力池設計存在區(qū)別。

2 Excel VBA二次開發(fā)簡介

VBA(Visual Basic for Applications)是Visual Basic的一種宏語言，是微軟開發(fā)出來在其桌面應用程序中執(zhí)行通用的自動化(OLE)任務的編程語言。

基于VBA以Excel為平臺進行二次開發(fā)，是將Visual Basic語言直接運用于Excel，無需安裝任何其他軟件或插件，即可有效擴展Excel功能，實現(xiàn)程序化、自動化分析計算，具有傳統(tǒng)Excel手動建表計算分析所無可比擬的效率與精度。同時，VBA還可基于AutoCAD等軟件進行二次開發(fā)，由于VBA具有諸多優(yōu)點，故其在水利工程中得到了廣泛的應用[18-25]。

3 挖深式消力池設計程序開發(fā)

3.1 開發(fā)思路

本文所開發(fā)開敞式水閘、涵洞式水閘挖深式消力池設計程序功能是在輸入有限設計參數(shù)的情況下，快速自動計算兩種結(jié)構型式多種運行工況挖深式消力池設計參數(shù)(池深，池長)。其中涵洞式水閘挖深式消力池程序開發(fā)流程如圖1所示。

圖1 黃河下游涵洞式水閘挖深式消力池設計程序流程

根據(jù)SL 265—2016[3]，設計挖深式消力池時，由消力池底板頂面算起的總勢能T0是影響設計參數(shù)計算結(jié)果的重要影響因素。

由于黃河下游涵洞式引黃閘具有較長涵洞，運行工況復雜，而不同的運行工況會導致涵洞洞內(nèi)流態(tài)差異將直接影響總勢能T0的確定方法，繼而影響消力池設計參數(shù)的計算結(jié)果，故設計涵洞式水閘挖深式消力池時，需要判斷涵洞洞內(nèi)水流，進而確定T0是設計難點及關鍵點所在。

3.1.1涵洞流態(tài)判別與總勢能T0確定

涵洞洞內(nèi)水流流態(tài)一般可分為5種，分別為：無壓流短洞、無壓流長洞、半壓力流涵洞、非淹沒壓力流涵洞以及淹沒壓力流涵洞。李煒《水力計算手冊》[2]與熊啟鈞《涵洞》[25]等文獻提供了涵洞流態(tài)的判別方法，本文采用熊啟鈞《涵洞》[25]提供的涵洞流態(tài)判別方法。

總勢能T0計算方法依據(jù)涵洞流態(tài)確定，無壓流短洞按涵洞進口前斷面能量計算，其余4種涵洞流態(tài)均按涵洞出口斷面能量計算。涵洞流態(tài)判別與T0計算公式見表1。涵洞式水閘典型縱面如圖2所示。

圖2 黃河下游涵洞式水閘典型縱斷面圖

表1所述公式中：H為從涵洞進口洞底算起的進口水深，m；h為從涵洞出口洞底算起的出口水深，m；hk為涵洞臨界水深，m；L為涵洞長度，m；i為涵洞比降；v0為涵洞入口上游行近流速，m/s；v為涵洞出口流速，m/s；R為涵洞水力半徑，m；C為謝才系數(shù)，m0.5/s；ξ為局部水頭損失系數(shù)，d為消力池深度，m。

表1 涵洞流態(tài)與總勢能T0確定原則

流態(tài)判別采用VBA的Select Case…then語句編寫，程序段可根據(jù)涵洞進出口水深自動判別涵洞流態(tài)并計算總勢能T0，涵洞流態(tài)判別與總勢能T0計算VBA源代碼如圖3所示。

圖3 涵洞流態(tài)判別與總勢能T0計算VBA源代碼

3.1.2挖深式消力池計算

依據(jù)SL 265—2016[3]，消力池深度計算公式如下：

(1)

消力池長度計算公式如下：

(2)

式中,Lsj—消力池長度，m；Ls—消力池斜坡段水平投影長度，m；β—水躍長度校正系數(shù)，取0.8；Lj—水躍長度，m。

3.2 涵洞進出口水深確定

涵洞進口水深與出口水深直接決定了涵洞內(nèi)水流流態(tài)，不同的涵洞流態(tài)對應不同的消力池設計參數(shù)(總勢能T0)計算公式。因此，合理的確定涵洞進出口水深對正確地計算涵洞式水閘挖深式消力池設計參數(shù)至關重要。

綜上所述，需要確定多種運行工況，計算分析后確定涵洞式水閘消力池設計深度。而消力池深度根據(jù)引水流量、閘門開啟數(shù)量、涵閘出口水深、進口水深以及進口流速計算，因此需要對多種運行工況涵洞式水閘引水體系進行水力計算以確定水力要素(由于消力池修建對涵閘引水體系水面線影響有限，故涵閘進出口水位、進口水深、進口流速均采用未修建消力池情況下涵閘引水體系水力計算成果)，而后將多種運行工況涵閘引水流量、閘門開啟數(shù)量、進口水深、進口流速、出口水位作為計算消力池設計參數(shù)的已知條件輸入。

在給出多種運行工況涵閘進出口水深后，本文研究所開發(fā)程序?qū)⒏鶕?jù)表1所提供涵洞流態(tài)判別公式，自動識別涵洞流態(tài)與總勢能T0計算公式，結(jié)合挖深式消力池計算公式計算多種運行工況消力池設計參數(shù)。

3.3 設計參數(shù)輸入

設計參數(shù)輸入主要分為3部分：①涵洞式水閘工況參數(shù)，主要包括各運行工況引水流量Q、閘門開啟數(shù)量N、涵閘進出口水位等；②涵洞式水閘基礎尺寸，主要包括涵洞單孔尺寸(b×d)、涵洞比降i、涵洞長度L、糙率n、進出口底板高程以及涵洞出口與渠道跌差P等；③消力池設計參數(shù)，主要包括消力池斜坡系數(shù)m、水躍長度校正系數(shù)β、流速系數(shù)φ以及水躍淹沒系數(shù)σ0等。

3.4 結(jié)果輸出

3.5 程序校驗

為了驗證本文研究所開發(fā)程序計算結(jié)果是否正確，將開發(fā)程序應用于文獻[25]【例3-13】、【例3-14】、【例3-15】與文獻[26]【例題146】等4個涵洞式水閘挖深式消力池設計算例，并將程序計算結(jié)果與文獻所提供計算結(jié)果進行對比分析。其中文獻[26]【例題146】為開敞式水閘消力池設計。

【例146】無壩取水閘，平底板寬頂堰，底流消能，挖深式矩形消力池，河床高程100.0m，池寬14.4m。引水時河道的最高水位為104.75m，最大引用流量21.5m3/s，下游相應水深為101.25m。計算消力池池深(流速系數(shù)0.95)。

以上4個算例程序計算結(jié)果與文獻計算結(jié)果對比見表2。

由表2可以看出，程序計算與文獻計算消力池深度d差值均在5%之內(nèi)，出現(xiàn)這種差異的原因在于，程序計算采用試算法計算消力池深度d時精度要求小于0.001；而文獻采用手動試算的計算方法，由于試算次數(shù)較少(2～3次)導致計算精度略低。同樣，消力池長度L計算差異也是由于兩種方法計算精度不同所致。

表2 程序校驗結(jié)果

4 實例應用

以河南封丘紅旗引黃涵閘為例，示范開發(fā)程序在黃河下游涵洞式引黃閘消力池設計應用。

紅旗閘始建于1958年，位于黃河左岸大堤樁號166+535處，為典型的黃河下游穿堤引黃涵閘。該閘設計引水流量70m3/s(大I型，1級水工建筑物)，改建方案為單聯(lián)3孔箱型涵洞式水閘，工作閘門為平板鋼閘門。閘底板高程71.60m，閘室單孔凈寬4.5m。穿堤涵洞單孔凈寬4.5m，涵洞高度為4.0m，涵洞全長99m，縱比降為1/300。設計引水位為73.29m，最高運行水位為81.67m(高于此水位涵閘關閘運行)，設計防洪水位為82.99m，校核防洪水位為83.99m。

以下采用開發(fā)程序計算、探討消力池設計深度與設計長度。

4.1 設計參數(shù)輸入

(1)紅旗引黃涵閘部分基礎參數(shù)輸入如圖4所示。

圖4 紅旗引黃涵閘部分基礎參數(shù)輸入

(2)運行工況確定

消力池深度計算需要對根據(jù)涵閘進口水位、出口水位、過閘流量、閘門開啟數(shù)量等諸多關鍵要素擬定多種運行工況分析計算。

紅旗引黃涵閘結(jié)構型式為單聯(lián)3孔，設計流量Q=70m3/s，安全起見，擬定紅旗運行原則為：①當引水流量為1～25m3/s時，閘門開啟數(shù)量為1；②當引水流量為26～50m3/s時，閘門開啟數(shù)量為2；③當引水流量為51～70m3/s時，閘門開啟數(shù)量為3。

根據(jù)閘門開啟數(shù)量、引水流量與已確定涵閘結(jié)構尺寸，計算70個運行工況(Q=1～70m3/s，步長為1m3/s)涵閘進口水位與出口水位。

部分運行工況參數(shù)輸入如圖5所示。

圖5 部分運行工況參數(shù)輸入

4.2 計算成果輸出

調(diào)用開發(fā)程序，僅用時10s即可完成70種工況消力池設計參數(shù)計算與輸出。部分運行工況消力池設計參數(shù)輸出如圖6所示。

由圖6可以看出，各種運行工況下涵洞下游躍后水深均小于涵閘下游渠道水深，即紅旗引黃涵閘無需設置消力池。出現(xiàn)該情況的原因如下：①涵洞尺寸較大。各工況涵洞出口單寬流量較小；②涵洞進口水深較小。當引水流量為70m3/s時，閘門全開，涵洞進口水深也僅為4.14m；即使閘前水位達到最高運行水位，則需要調(diào)節(jié)閘門開啟度控制涵洞進口水深，從而控制引黃涵閘的引水流量，此時涵洞入口附近發(fā)生水躍現(xiàn)象，大部分多余的能量已經(jīng)在涵洞進口附近消散，由于黃河下游引黃涵閘有閘門控制，使得涵洞進口水深的確定與開敞式水閘進口水深的確定有所不同。當涵閘引水流量一定時，閘前水位高低對涵洞進口水深影響不大。

圖6 部分運行工況消力池設計參數(shù)輸出

需要說明的是，圖6所列運行工況程序計算成果經(jīng)手工校驗無誤，但手工校驗需要耗費大量的時間與精力。通過實踐檢驗，開發(fā)程序不僅計算精度高，且比手工計算高效。

4.3 涵洞對消力池設計的影響

為了闡明涵洞對黃河下游引黃涵閘消力池設計的影響，本節(jié)討論假設紅旗引黃閘開敞式水閘(不考慮涵洞)，利用本文開發(fā)開敞式水閘程序模塊計算消力池的深度與長度。

根據(jù)SL 265—2016[3]規(guī)定，不考慮紅旗引黃涵閘涵洞設計消力池時，應按最高運行水位確定閘前水深。

閘門開啟數(shù)量與引水流量的對應關系同4.1所述，即當引水流量為1～25m3/s時，閘門開啟數(shù)量為1；當引水流量為26～50m3/s時，閘門開啟數(shù)量為2；當引水流量為51～70m3/s時，閘門開啟數(shù)量為3。閘門開啟度滿足相應引水流量即可。

不考慮涵洞程序計算結(jié)果如圖7—9所示?？傻贸鲆韵陆Y(jié)論：①當閘門開啟數(shù)量為1、引水流量為25m3/s時，消力池深度達到極大值；當閘門開啟數(shù)量為2時，消力池深度隨引水流量增大而減??；當閘門開啟數(shù)量為3時，雖然引水流量較大，但由于單寬流量較小而無需設置消力池；②消力池的深度計算與閘前水深、引水流量、閘門開啟數(shù)量、下游渠道水深等諸多因素有關，需要擬定多種運行工況才能尋求到合理深度極大值；③當需要設置消力池時，消力池長度隨引水流量的增大而增大；④由于涵洞的存在，使得黃河下游涵洞式引黃閘消力池設計與開敞式水閘消力池設計有著本質(zhì)的區(qū)別。

圖7 紅旗引黃涵閘不考慮涵洞消力池計算結(jié)果

圖8 紅旗引黃涵閘不考慮涵洞消力池深度計算結(jié)果

圖9 紅旗引黃涵閘不考慮涵洞消力池長度計算結(jié)果

5 結(jié)語

(1)將基于VBA的Excel二次開發(fā)技術應用于涵洞式引黃閘消力池設計中，實現(xiàn)了在Excel界面輸入有限參數(shù)的前提下，快速自動計算、輸出多工況黃河下游涵洞式水閘消力池設計參數(shù)；對于不同結(jié)構型式的水閘，只需要修改閘室孔數(shù)、單孔尺寸、設計流量等基礎參數(shù)，即可實現(xiàn)高效、準確地開展挖深式消力池設計計算。實例應用表明：開發(fā)程序可節(jié)省大量時間和人力，大幅度提高設計效率和質(zhì)量，可為黃河下游引黃涵閘改擴建工程提供有效支撐。

(2)黃河下游引黃涵洞式水閘由于涵洞的存在，使得涵洞式水閘消力池設計與開敞式水閘消力池設計有著本質(zhì)的區(qū)別。確定總能頭T0是涵洞式水閘挖深式消力池的設計難點及關鍵點所在。

(3)將Visual Basic語言直接運用于Excel，無需安裝任何其他軟件或插件，即可有效擴展Excel功能，該技術可應用于黃河下游工程設計工作中，也為其他工程設計采用VBA二次開發(fā)提供參考與借鑒。