基于Microsoft Excel試算法在明渠工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

胡建春，何 茜

(西昌學(xué)院 工程技術(shù)學(xué)院，四川 西昌 615013)

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基于Microsoft Excel試算法在明渠工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

胡建春，何 茜

(西昌學(xué)院 工程技術(shù)學(xué)院，四川 西昌 615013)

在水利工程明渠的設(shè)計(jì)中，高階方程需要通過試算法求解，用傳統(tǒng)的計(jì)算器人工計(jì)算，計(jì)算參數(shù)多、工作量大，且精確度不夠.用Microsoft Excel工具進(jìn)行試算則方便、快捷、計(jì)算精確度高，可為工程設(shè)計(jì)提供便捷準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果.以渠道水深計(jì)算案例，通過對Microsoft Excel單元格公式的編輯，探討Microsoft Excel試算的具體方法.

水力計(jì)算；試算；Microsoft Excel工具

0 引 言

明渠是一種具有自由表面水流的渠道，在農(nóng)田水利工程、水利水電工程、城市給排水工程中經(jīng)常使用，根據(jù)其形成條件，可分為天然明渠和人工明渠.梯形明渠是人工明渠中的主要存在形式，其水力要素主要由水面寬度、過水?dāng)嗝婷娣e、濕周、水力半徑、底坡、邊坡系數(shù)、粗糙系數(shù)等構(gòu)成.在人工明渠的設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)常需要對渠道的過流能力進(jìn)行校核、斷面尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)等問題，解決這些問題往往需要進(jìn)行大量的試算.試算法雖然可以解決問題，但計(jì)算參數(shù)多、工作量大，且因參數(shù)計(jì)算精度不同可能造成計(jì)算結(jié)果偏差較大.Microsoft Excel是人們在日常生活中經(jīng)常使用的一款軟件，將Microsoft Excel強(qiáng)大的計(jì)算功能、圖表處理功能和數(shù)據(jù)分析功能應(yīng)用于明渠工程設(shè)計(jì)的水力計(jì)算，可有效提高設(shè)計(jì)人員工作效率和計(jì)算精度.

在工程實(shí)際中，常用的梯形渠道，各水利要素之間存在的函數(shù)關(guān)系一般由下式表示：

(1)已知渠道斷面尺寸(包括渠道底寬b、邊坡系數(shù)m，水深h)，底坡i，粗糙系數(shù)n，校核渠道過水能力Q；

(2)已知設(shè)計(jì)流量Q、底坡i、底寬b、邊坡系數(shù)m和粗糙系數(shù)n，計(jì)算渠道水深h；

(3)已知設(shè)計(jì)流量Q、底坡i、邊坡系數(shù)m、粗糙系數(shù)n和水深h，計(jì)算渠道底寬b；

(4)已知設(shè)計(jì)流量Q、邊坡系數(shù)m、粗糙系數(shù)n和水深h，計(jì)算底坡i；

(5)已知流量Q、流速v、底坡i、粗糙系數(shù)n和邊坡系數(shù)m，設(shè)計(jì)渠道的斷面尺寸.[1-4]

工程設(shè)計(jì)中，一般是已知5個(gè)參數(shù)中的4個(gè)參數(shù)，求另外一個(gè)參數(shù)，并繪制曲線，因此，使用Microsoft Excel進(jìn)行明渠水力計(jì)算時(shí)，需要使用到其計(jì)算功能和圖表功能[5-7].

1 Microsoft Excel渠道水力計(jì)算單元格的制作

MicrosoftExcel具有強(qiáng)大的計(jì)算功能，只要將各單元格數(shù)值及公式表達(dá)式預(yù)設(shè)好，在實(shí)際計(jì)算時(shí)，只需要在單元格中輸入相應(yīng)的試算數(shù)值，即可將得到的答案與實(shí)際進(jìn)行對比，若對比數(shù)值等于或無限接近于實(shí)際值，則輸入的試算數(shù)值即為所求[8].

1.1 渠道水力計(jì)算所需的基本公式

按照劉鎮(zhèn)長的意見，我第二天就到廠里向劉國良傳達(dá)了王副縣長的指示。劉廠長認(rèn)為，建門樓是企業(yè)行為，上級不必小題大做，對信中反映的問題不以為然，更沒有把我這個(gè)既年輕又不懂管理的副鎮(zhèn)長放在眼里。企業(yè)老板有一個(gè)共性，你依著他，他對你很尊重，你為難他，他會不把你當(dāng)回事。用他的話說，那是過喜事打瞌睡——是回事卻不當(dāng)回事。

在渠道水力計(jì)算中，各水利要素按幾何公式和經(jīng)典經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行，主要運(yùn)用的公式為[1]：

過水?dāng)嗝婷娣e：A=(b+mh)h

1.2 單元格公式表達(dá)式的建立

單元格公式表達(dá)式的建立(見表1)，單元格中A2為水深h，B2為底寬b，C2為邊坡系數(shù)m，D2為粗糙系數(shù)n，E2為底坡i，F(xiàn)2為過水?dāng)嗝婷娣eA，G2為濕周χ，H2為水力半徑R，I2為謝齊系數(shù)C，J2為流量Q.在工程設(shè)計(jì)中，一般將A列設(shè)為需要試算的項(xiàng)，B、C、D、E四列為已知項(xiàng)，F(xiàn)、G、H、I四列為計(jì)算過程項(xiàng)，J列為對比項(xiàng)[5].計(jì)算過程項(xiàng)和對比項(xiàng)在單元格中的公式按經(jīng)典經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行，第3行中分別輸入，單元格計(jì)算公式的輸入(見表2).

表1 Microsoft Excel單元格設(shè)置圖

表2 Microsoft Excel單元格計(jì)算公式

2 工程設(shè)計(jì)實(shí)際應(yīng)用

某水電站引水渠，通過沙壤土地段，根據(jù)工程地形條件，設(shè)計(jì)采用等腰梯形斷面；為減少滲漏損失和加強(qiáng)渠道耐沖刷能力，設(shè)計(jì)采用漿砌石襯砌，邊坡系數(shù)m=1；為減少挖、填方量，底坡i=0.001 25；渠道底寬b=6 m，設(shè)計(jì)流量Q=70 m3/s，為保證渠道安全運(yùn)行，渠堤安全超高為0.5 m，通過計(jì)算確定渠堤高度.[1]本設(shè)計(jì)中，已知Q、b、m、i，求h，求得的水深h加上安全超高即為渠堤高度.

2.1 試算——圖解法求解

根據(jù)水力學(xué)基本公式，可整理得

該式為高次方程，要通過該表方程直接求解水深h是非常困難的，在實(shí)際計(jì)算中，可假設(shè)一系列的h值，代入上式計(jì)算相應(yīng)的Q值，并繪制成h-Q曲線，根據(jù)已知流量，在曲線上查處要求的h值.圖1為通過試算繪制的h-Q曲線，在對應(yīng)的流量Q中，可以直接找到對應(yīng)的水深h.實(shí)踐證明，使用試算——圖解法求解是非常困難的，且計(jì)算精度不夠，有文獻(xiàn)使用迭代法計(jì)算，計(jì)算過程同樣是相當(dāng)復(fù)雜的[8-9].

圖1 試算-圖解法h-Q曲線圖

2.2 Microsoft Excel試算法求解

根據(jù)前文建立的Microsoft Excel單元格，在B3、C3、D3、E3單元格中添加已知數(shù)據(jù)，在試算時(shí)，在A3單元格輸入需要試算的數(shù)值，在J3單元格自動(dòng)顯示流量Q值，在實(shí)際使用過程中，可將A3、B3、C3、D3、E3、F3、G3、H3、I3、J3單元格選中，利用Microsoft Excel填充功能填充若干行，再在A4、A5、A6、A7、A8…單元格中輸入試算值，對應(yīng)的J4、J5、J6、J7、J8單元格自動(dòng)顯示所計(jì)算的流量Q值，當(dāng)Q值無限接近于目標(biāo)值時(shí)，試算結(jié)束(見表3).使用表3的計(jì)算方法可將計(jì)算過程顯示出來.

表3 Microsoft Excel試算法

3 結(jié) 論

通過Microsoft Excel試算法對水深的計(jì)算與文獻(xiàn)1的例題5.3人工試算數(shù)值相差1個(gè)流量以上，因此，我們可以清楚的看到，用試算——圖解法工作量大，計(jì)算參數(shù)多，且計(jì)算精確度不夠，用Microsoft Excel試算法簡單、快捷、準(zhǔn)確，且使用方便，可減少工程設(shè)計(jì)人員重復(fù)的數(shù)值計(jì)算，提高計(jì)算精確度和提高工作效率[10].

Microsoft Excel作為微軟公司推出的Office辦公組件之一，因其具有強(qiáng)大的計(jì)算功能、圖表處理功能和數(shù)據(jù)分析功能而廣泛使用，但運(yùn)用在水利工程設(shè)計(jì)和水力計(jì)算教材還不多見，因此，作為水利水電工程教育工作者，應(yīng)多探索運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件在水力計(jì)算的實(shí)際應(yīng)用，并應(yīng)用到教學(xué)中，幫助學(xué)生到工作崗位解決實(shí)際問題，也可為工程設(shè)計(jì)人員提供參考.

[1] 吳持恭.水力學(xué)[M].4版.北京:高等教育出版社,2008:201-208.

[2] 趙振興,何建京.水力學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005:193-198.

[3] 李 煒.水力計(jì)算手冊[M].北京:中國水利水電出版社,2006:41-51.

[4] 劉為民.二分法在梯形明渠均勻流水力學(xué)計(jì)算中的應(yīng)用[J].新疆水利,2000(6):31-34.

[5] 楊 艷.Excel在《水力學(xué)》教學(xué)過程中的應(yīng)用[J].長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2011(3):69-71.

[6] 張宇華.Microsoft Excel在水力計(jì)算中的應(yīng)用[J].黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2009(4):16-18.

[7] 劉 賓,周罕琳.利用EXCEL計(jì)算平底閘過流能力[J].地下水,2014(7):180-181.

[8] 韓紅亮,劉守宇,王雪梅,等.矩形渡槽水力計(jì)算的Excel求解[J].山西建筑,2015(8):216-217.

[9] 黃裕健.Excel函數(shù)和迭代計(jì)算在渠道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].黑龍江水利科技,2011(6):156-157.

[10] 彭永麗,蔡建安,汪明明.Excel規(guī)劃求解的環(huán)狀給水管網(wǎng)平差[J].南昌工程學(xué)院學(xué)報(bào),2013(6):68-72.

Application of Microsoft Excel Algorithm in Design of Open Channel

HU Jian-chun, HE Qian

(School of Engineering Technology, Xichang College, Xichang 615013, China)

In the design of open channel in water conservancy project, the high order equation should be solved by algorithm because it is difficult to solve directly by traditional manual calculation due to its multi-parameter calculation, heavy workload and low precision. The algorithm by Microsoft Excel provides convenient, fast and accurate calculating results for engineering design. The trial method based on Microsoft Excel is illustrated in the paper to calculate channel depth by spreadsheet formula editing of Microsoft Excel.

hydraulic calculation; calculation; Microsoft Excel tool

2015-04-10

四川省2013-2016年高等教育人才培養(yǎng)質(zhì)量和教學(xué)改革項(xiàng)目 (2014-156-439)

胡建春(1980-)，男，四川仁壽人，副教授，碩士，主要從事水利水電工程專業(yè)教學(xué)和研究工作.

TV131.4

A

1008-536X(2015)09-0047-03