Excel水力计算展示——消力坎式消力池水力计算 设计.

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3：①“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；②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。③E8“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

①正确使用常用的计算函数。表示加“+”，减“ —”，乘“ *”，除“ /”，开平方“sqrt(  )”，幂函数“a^b”(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。

②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。

③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。

④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，应进行绝对化单元格，才能保证在下拉时这些单元格参与到每个试算过程的计算。绝对化单元格的符号“$”，如“$B$4”。

⑤使用IF函数判断闸孔出流的类型等，IF函数的基本形式为“IF(条件，符合条件输出的数据，否则)”。

【参考文献】

[1]刘亚坤，水力学[M].北京：中国水利水电出版社 ,2007

[2]张春娟，工程水力计算[M].北京：中国水利水电出版社 ,2010

[3]罗全胜，王勤香，水力分析与计算[M].郑州：黄河水利出版社 ,2011