Excel水力计算展示——消力坎式消力池水力计算设计

1、Excel水力计算展示之专题11. 消力坎式消力池的水力计算当泄水建筑物下游发生远离式水跃时，也可以采用修建消能墙，使墙前水位壅高，以期在池内发生稍有淹没的水跃。其水流现象与挖深式消力池相比，主要区别在于池出口不是淹没宽顶堰流而是淹没折线型实用堰流。水力计算的主要任务是确定墙高和池长。【工程任务】如图所示为一5孔溢流堰，每孔净宽b=7m，闸墩厚度d=2m，上游河道宽度与下游收缩断面处河道宽度相同，即，上下游水位的高程如图中所注，当每孔闸门全开时，通过的泄流量Q=1400m3/s，试求：判别底流衔接形式，如为远趋式水跃，试设计一消力坎式消力池。【分析与计算】1.判断是否需要修建消力池上游水面收缩

2、断面处河底总能量为 （式11-1）将 代入上式可得： 收缩断面处的河道宽度，则收缩断面处的单宽流量坝面流速系数收缩断面水深的计算公式为 （式11-2）即 经迭代得的共轭水深为： 下游水深。因为，所以产生远离式水跃，故需要修建修建消力池，或修建消力坎。2.设计消力坎式墙高墙高计算基本公式为 （式11.3） （1）先假设消力墙坎处为自由溢流此时，又，代入上式得： 验证消能墙上的流态： ，属于自由出流，说明假设正确。即计算的墙高也正确，但需要检查消能墙后的底流衔接形式。（2）消力池后底流消能衔接形式的判别这时消力墙前的总能量为 经迭代计算得收缩断面的共轭水深 因为，故为淹没式的水跃衔接，不需要修建第

3、二道消力坎。（3）消力池池长的计算自由水跃的长度消力池长度【Excel迭代计算】由以上计算步骤可以看出，计算过程较繁琐，涉及到收缩断面水深的迭代求解，池深计算等复杂的计算过程。使用Excel计算软件进行计算，可大大加快计算速度。按照消力坎式消力池的计算思路，在Excel表格中编制相应的计算程序，如图11-1和图11-2所示。图11-1和图11-2所示的表格，使用时应注意的问题：注1：表格使用方法：1.橙色区域对应的参数为基本参数值，需人工输入具体数值；绿色区域所对应的数据为程序自动运算的结果，切勿人工输入数值。 注2：若D13单元格中显示“否，不需修建消力池”，则无需进行消力池的水力计算。注3

4、：“试算消力坎高度C”一栏为是在折线实用堰淹没溢流的条件下，对消力坎的高度重新计算，当在橙色区域输入第一个试算高度后，可得到其后一差值为0.1的等差数列；判断试算结束的精度默认为2%，若改变精度，需调整单元格F22:F31的程序。E8“消力高度C取值”为符合试算精度要求的多个假设坎高的平均值。11-1 挖深式消力池excel计算表（工作簿01）图11-2 挖深式消力池收缩水深hc excel计算表（工作簿02）注意：橙色区域对应的参数为基本参数值，需人工输入具体数值；绿色区域所对应的数据为程序自动运算的结果，切勿人工输入数值！表11.1 excel计算程序公式汇总计算项目序号名称Excel公式

5、水力计算公式实用堰参数计算结果1闸门总宽度B0(m)A9=$D$6*$E$6+($D$6-1)*$F$62单宽流量q（m3/(s m)）B9=C4/A93上游行进流速v0（m/s）C9=C4/(A4+B4)*A9)4上游总水头E0(m)D9=A4+B4+C92/(2*9.8)判断是否修消力池5收缩水深hc（m） A13='02 自动迭代（勿动）'!C8第1次迭代（02工作簿）C4='01 计算表格'!$B$9/('01 计算表格'!$E$4*SQRT(2*9.8*('01 计算表格'!$D$9+$B$2-'02 自动迭代（

6、勿动）'!B4)6第2次迭代（02工作簿）B5=C47C5='01 计算表格'!$B$9/('01 计算表格'!$E$4*SQRT(2*9.8*('01 计算表格'!$D$9+$B$2-'02 自动迭代（勿动）'!B5)8第3次迭代（02工作簿）B6=C59C6='01 计算表格'!$B$9/('01 计算表格'!$E$4*SQRT(2*9.8*('01 计算表格'!$D$9+$B$2-'02 自动迭代（勿动）'!B6)10第4次迭代（02工作簿）B7=C61

7、1C7='01 计算表格'!$B$9/('01 计算表格'!$E$4*SQRT(2*9.8*('01 计算表格'!$D$9+$B$2-'02 自动迭代（勿动）'!B7)12第5次迭代（02工作簿）B8=C713C8='01 计算表格'!$B$9/('01 计算表格'!$E$4*SQRT(2*9.8*('01 计算表格'!$D$9+$B$2-'02 自动迭代（勿动）'!B8)14收缩断面共轭水深hc"（m）B13=A13/2*(SQRT(1+8*$B$92/(

8、9.8*A133)-1)15下游水跃形式C13=IF(B13>D4,"远趋式水跃",IF(B13=D4,"临界式水跃","淹没式水跃")16是否需要修建消力池D13=IF(OR(C13="远趋式水跃",C13="临界式水跃"),"是，需要修建消力池","否，不需修建消力池")消力坎高度计算情况一：自由溢流17折线形实用堰掩上总水头H0(m)B16=($B$9/(A16*$A$6*SQRT(2*9.8)(2/3)18消力坎高度C(m)C16=$B$6*

9、$B$13+$B$92/(2*9.8*SQRT($B$6*$B$13)2-B1619实用堰出流淹没高度hs（m）D16=D4-C1620A16单元格A16=IF($F$16="自由溢流","情况一：属自由溢流，请检验是否需修建第二坎消力坎","属淹没溢流，请参考情况二")21实用堰下游收缩水深hc1（m）A19='02 自动迭代（勿动）'!$G$822收缩断面共轭水深hc1"（m）B19=A19/2*(SQRT(1+8*$B$92/(9.8*A193)-1)23消力坎后的水跃形式C19=IF($B$19>

10、;$D$4,"远趋式水跃",IF($B$19=$D$4,"临界式水跃","淹没式水跃")24是否需要修建第二道消力坎D19=IF($C$19="淹没式水跃","不需修建第二道消力坎","需要修建第二道消力坎")消力坎高度计算情况二：淹没出流25堰上总水头H10(m)B22=$B$6*$B$13-A22+$B$92/(2*9.8*($B$6*$B$13)2)26实用堰出流淹没高度hs（m）C22=$D$4-A2227淹没系数sD22=3.82-14.9*C22/B22+25.7

11、4*(C22/B22)2-14.66*(C22/B22)328单宽流量q（m3/(s m)）E22=D22*$A$6*SQRT(2*9.8)*B22(3/2)29是否为所求高度C(精度2%)F22=IF(ABS(E22-$B$9)/$B$9)<0.02,"是","否")消力坎高度计算30消力坎高度C取值（m）E9=IF($D$13="是，需要修建消力池",IF($F$16="自由溢流",$C$16,IF(COUNTIF(F22:F31,"是")>0,SUMIF(F22:F31,&qu

12、ot;是",A22:A31)/COUNTIF(F22:F31,"是"),"假设坎高不符合要求，请重新假设"),"不需修建消力池")消力池长度计算31消力池池长LB取值取值（m）E13=IF(D13="是，需要修建消力池",C6*6.9*(B13-A13),"不需修建消力池")【编写计算程序时需要注意的问题】正确使用常用的计算函数。表示加“+”，减“ ”，乘“ *”，除“ /”，开平方“sqrt( )”，幂函数“ab”(即a的b次幂)等的函数，都要严格符合Excel计算程序的要求。否则，错一个符号，都可能导致计算的错误。尤其需要注意的是，乘号“*”在任何时候都不能省略。思路要清晰，“（）”要对称。在Excel计算程序中，需用括号之处一律用小括号，没有中括号和大括号的使用。在编写时，务必保证“（）”的左右对称，使用得当。合理布置表格结构。在编写程序前，应在工作薄中合理布置“已知条件”和“计算程序”的位置，一般条件下，将已知的参数“已知条件”集中放在一个区域，将计算的过程集中放在一个区域，计算过程按试算思路的顺序进行。绝对单元格的的引用。“已知条件”中的部分数据，在“计算过程”的每一个试算过程都要用到，对这些参数，应进