用Excel程序进行水闸消力池的水力学设计
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Indicators , 1992. 27 (1) :89～101 8 赵挺生. 现存建筑物可靠性评价[J ] . 建筑结构 ,1998 (10) :41～45
9 赵国藩 ,金伟良 ,贡金鑫. 结构可靠度理论 [ M] . 北京 :中国建筑工业 出版社 ,2000
10 李典庆. 水工钢闸门结构可靠度分析[D] . 南京 :河海大学 ,2001 11 GB50068 - 2001 建筑结构可靠度设计统一标准[ S] . 北京 :中国建筑
4 实例分析
某水闸 ,闸前设计水位为 3. 2 m ,设计流量为 40 m3/ s ,闸孔 净宽为 12 m ,不同过闸流量情况下的下游水深见表 1 。
表 1 不同过闸流量下的闸后渠(河) 水深
设计过闸 5
流量/ (m3·s - 1)
10 15 20 25 30 35
下游对应 水深/ m
0. 61 0. 79 0. 92 1. 06 1. 34 1. 49 1. 72
(8 3 Ei 3 Di^2) / ( Fi 3 Ki^3) ) ,0. 5) - 1) 3 Ki/ 2) 3 ( Hi/ Ii) ^0. 25 ;
M 列为下游水深 h′s ,为 Ci (过闸流量) 对应的下游河 (渠) 水深 ,
为已知值 Mi ;N 列为出池落差Δ Z ,根据公式 (4) 变换编程为 Ni
5 CIRIA(Construction Industry Research and Information Association) . Ratio2 nalisation of safety and serviceability factors in structural codes[ R] . London :
d = δ0 h″c - h′s - Δ Z
(1)
h″c =
hc 2
(
1
+
8 α q2 g h3c
-
1)
(
b1 b2
) 0. 25
(2)
h3c -
T0
h2c
+
α q2 2 gφ2
=0
(3)
2 赵鹏飞. 对预测混凝土结构剩余寿命的探讨[J ] . 工业建筑 ,1998 ,28 (7) :31～33
3 Melchers R E. Structural reliability analysis and predication[ M] . York : Wi2 ley ,1999
中国农村水利水电·2003 年第 5 期
51
用 Excel 程序进行水闸消力池的水力学设计
Leabharlann Baidu冯 臻 韩晓玲
(新疆区乌鲁木齐市兵团勘测设计研究院二分院 830002)
摘要 水闸消力池的水力学设计必须经过不断的试算方可确定 ,在设计中往往耗费大量的时间 ,为此 ,根据强大的 数据处理软件 Excel 对消力池计算公式进行编辑 ,给出了一个快捷 、方便 、省时的消力池设计方法 。 关键词 消力池 水力学 水闸 Excel 程序
1 问题的提出
水闸泄水时 ,部分势能转化为动能 ,流速增大 ,对下游河 (渠) 床会产生强烈的冲刷 ,如不采取有效的措施 ,必将掏深河 槽 ,甚至危及建筑物安全 。因此 ,水闸下游水力设计的主要任 务就是选择适当的消能措施 ,使水闸下游在较短距离内消除多 余的动能 ,并使过闸高速集中水流安全地转化为下游的正常缓 流 ,从而保证建筑物的安全 。目前在水闸设计中多采用控制水 跃位置的工程措施 (设置消力池) 对过闸高速水流进行消能 。 通过水力学分析可知 ,消力池池深随 h″c - ht 增大而增加 , 因此 消力池池深并不由建筑物所通过的最大流量决定 , 必须通过不 断的试算方可确定 ;消力池长度决定于水跃长度 , 一般情况下 水跃长度随流量增加而增大 , 因此 , 计算消力池长度的设计流 量应为建筑物通过的最大流量 。
= ( Ei 3 Di 3 Di) / (2 3 Fi 3 Gi 3 Gi 3 Mi 3 Mi) - ( Ei 3 Di 3 Di) / (2 3 Fi 3 Li 3 Li) ; O列为淹没系数δ0 , Oi = 1. 05 ～ 1. 10 (可在此 范围内直接取用) ; P 列和 Q 列分别为假定的消力池深和计算的 消力池深 d ,Q 列根据公式 (1) 进行编程为 Qi = Oi 3 Li - Mi Ni , P 列为假定的消力池深 ,给出一个 Pi 值 ,则 Ki 发生变化 , Qi 也发生变化 ,当 Pi 值和 Qi 值相等时即为消力池深度的计算成 果 ; R 列为水跃长度 Lj ,由公式 (5) 编程为 Ri = 6. 9 3 ( Li - Ki) ; S 列为斜坡投影长 Ls ,可根据有关规定和消力池深度的计算成 果直接给出 , 为一已知值 Si ; T 列为水跃校正系数 β, 根据规范 直接取 Ti = 0. 7 ～ 0. 8 (计算时在此范围内取用) ;U 列为消力池 长度 L sj ,根据公式 (6) 编程为 Ui = Si + Ti 3 Ri 。
用强大的数据处理软件 Excel 对消力池的池深和池长进行 计算可大大缩短设计时间 ,并且可以提高计算精度 。
2 消力池计算的基本公式组成
本文采用底流式消能形式对消力池池深和池长进行计算 。
2. 1 消力池深度的基本计算公式
根据《水闸设计规划》[1] 中的计算原理对消力池深度进行
计算 。其基本计算公式为 :
传统的消力池池深的计算是在给定流量范围内 , 对不同流 量计算 hc 及 h″c , 在直角坐标上绘制 h″c = <( Q) 关系曲线 ; 同时 将已知的 ht = f ( Q) 的关系曲线也绘入同一坐标上 , 从图中找
出 h″c - hc 为最大值时的相应流量 , 即为消力池池深的设计流 量 , 然后通过有关公式计算 。 这种计算方法必须通过不断的 试算方 可 确 定 , 往 往 在 设 计 中 占 用 很 多 的 时 间 , 影 响 设 计 效率 。
[J ] . Structural Safety ,1995 ,17 (2) :17～32 15 李典庆 ,张圣坤. 平面钢闸门主梁可靠度评估[J ] . 中国农村水利水
电 ,2002 (3) :19～22
[ 作者简介 ] 周建方 ,男 ,41 岁 ,教授 (收稿日期 :2002 - 11 - 21)
Δ Z 出池落差 ,m ;
hc 收缩水深 ,m ;
α 水流动能校正系数 ,可采用 1. 00～1. 05 ;
q 过闸单宽流量 ,m3/ (s·m) ;
b1 消力池首端宽度 ,m ;
b2 消力池末端宽度 ,m ;
T0 由消力池底板顶面算起的总势能 ,m ;
φ 流速系数 ,一般采用 0. 95 。
2. 2 消力池长度的基本计算公式
在具体设计计算中 ,可以减少繁琐的试算过程 ,大大降低设计
人员的劳动强度 ,提高了设计速度和工作效率 。但是应当注意
的是用这种方法计算消力池 ,仍应对过闸水流及下游水跃的衔
接形式进行判断 ,选择合理的消能形式 ,只有这样才能对症下
药 ,有的放矢 ,为水闸及相应的水工建筑物的设计提供最基础
的水力学成果 。
4 Melchers R E. Discussion on“the strategies and value of risk based structural safety analysis”special issue of structural safety[J ] . Structural Safety , 2000 , 22 (3) :281～286
工业出版社 ,2001 12 SL72 - 94 水利建设项目经济评价规范[ S] . 北京 :中国水利水电出
版社 ,1994 13 SL101 - 94 水工钢闸门和启闭机安全检测技术规程[ S] . 北京 :中国
水利水电出版社 ,1994 14 Rosowsky D V. Estimation of design loads for reduced reference periods
(2) 输入已知数据和计算公式 。根据以上定义 , 工作薄中 A 列即为闸前水位 ,确定水闸最不利的工作状况时 , 闸前水位应 为设计水位 , 在计算中这一数据已知 , 为 Ai ;B 列为闸孔净宽 , 在计算中其数据已知 ,为 Bi ;C 列过闸流量 Q 为一变量 ,在计算 中可根据递增的方法事先假定 ,为 Ci ;D 列为单宽流量 , 等于过 闸流量除以闸孔净宽 ,可写成 Di = Ci/ Bi ; E列为动能校正系数 α, Ei = 1. 00 ～ 1. 05 (可在此范围内直接取用) ; F 列为重力加速 度 g ; G列为流速系数 φ, Gi = 0. 95 ; H 列为消力池首端宽度 b1 , 为已知值 ,直接输入即可 ,为 Hi ; I列为消力池末端宽度 b2 ,为已 知值 ,直接输入即可 ,为 Ii ;J 和 K列分别为假定的收缩水深和计 算的收缩水深 hc , 在编程中应对公式 (3) 进行变换 ,变换后的公 式为 :
Lj = 6. 9 ( h″c - hc)
(5)
L sj = L s + βLj
(6)
式中 Lj 水跃长度 ,m ;
L sj 消力池长度 ,m ;
Ls 消力池斜坡段投影长度 ,m ;
β 水跃长度校正系数 ,可采用 0. 7～0. 8 。
3 用 Excel 计算消力池的方法步骤
(1) 打开 Excel 的工作薄 ,将 A1 ～ U1 分别定义为闸前水位 H ,闸孔净宽 B 、过闸流量 Q 、q、α、重力加速度 g 、φ、b1 、b2 、假定 的收缩水深 hc 、计算的收缩水深 hc 、h″c 、h′s 、Δ Z 、δ0 、假定的消力 池深 d 、计算的消力池深 d 、Lj 、Ls 、β、Lsj 。
52
用 Excel 程序进行水闸消力池的水力学设计 冯 臻 韩晓玲
ΔZ
=
2
α q2 gφ2 h′s2
-
α q2 2 g h″c2
(4)
式中 d 消力池深度 ,m ;
δ0 水跃淹没系数 ,规范指出可采用 1. 05～1. 10 ; h″c 跃后水深 ,m ; h′s 出池河床水深 ,m ;
根据以上编程原理和已知数据 ,通过 Excel 进行计算 。 根据计算结果 ,消力池长度为 12. 704 m。消力池深度需绘
制曲线图查找最大值 ,其曲线图见图 1 。
图 1 消力池深度曲线 从图 1 中可以查出 ,该消力池的深度最大为 0. 545 m。
5 结 论
用 Excel 软件计算消力池 ,原理明确 、方法简便 、易于掌握 ,
CIBIA ,1977 6 Ang A H S , Leon D D. Determination of target reliabilities for design and
upgrading of structures[J ] . Structural Safety , 1997 ,19 (1) :91～103 7 Lind , Niels C. Some thoughts on the human development index[J ] . Social
□
参考文献
1 SL265 - 2001 水闸设计规范[ S] . 北京 :中国水利水电出版社 ,2001. 56 2 吴持恭. 水力学[M] . 下册. 北京 :高等教育出版社 ,1983 3 王世夏. 水工设计的理论和方法 [ M] . 北京 :中国水利水电出版社 ,
2000
[ 作者简介 ] 冯 臻 ,男 ,28 岁 ,助理工程师 (收稿日期 :2003 - 01 - 13)
hc
=
(
q φ
)
α 2 g ( H0 - hc)
用 Excel 编程为 Ki = ( Di/ Gi) 3 POWER( Ei/ (2 3 Fi 3 ( Ai + Pi -
Ji) ) ,0. 5) ,在计算时 , Ji 给出的值为假定值 , Ki 所显示的值为
计算值 ,两个计算值一定要相等 , 即可得出收缩水深 hc ;L 列为 跃后水深 h″c , 可根据公式 (2) 进行编程 , Li = ( ( POWER( (1 +
9 赵国藩 ,金伟良 ,贡金鑫. 结构可靠度理论 [ M] . 北京 :中国建筑工业 出版社 ,2000
10 李典庆. 水工钢闸门结构可靠度分析[D] . 南京 :河海大学 ,2001 11 GB50068 - 2001 建筑结构可靠度设计统一标准[ S] . 北京 :中国建筑
4 实例分析
某水闸 ,闸前设计水位为 3. 2 m ,设计流量为 40 m3/ s ,闸孔 净宽为 12 m ,不同过闸流量情况下的下游水深见表 1 。
表 1 不同过闸流量下的闸后渠(河) 水深
设计过闸 5
流量/ (m3·s - 1)
10 15 20 25 30 35
下游对应 水深/ m
0. 61 0. 79 0. 92 1. 06 1. 34 1. 49 1. 72
(8 3 Ei 3 Di^2) / ( Fi 3 Ki^3) ) ,0. 5) - 1) 3 Ki/ 2) 3 ( Hi/ Ii) ^0. 25 ;
M 列为下游水深 h′s ,为 Ci (过闸流量) 对应的下游河 (渠) 水深 ,
为已知值 Mi ;N 列为出池落差Δ Z ,根据公式 (4) 变换编程为 Ni
5 CIRIA(Construction Industry Research and Information Association) . Ratio2 nalisation of safety and serviceability factors in structural codes[ R] . London :
d = δ0 h″c - h′s - Δ Z
(1)
h″c =
hc 2
(
1
+
8 α q2 g h3c
-
1)
(
b1 b2
) 0. 25
(2)
h3c -
T0
h2c
+
α q2 2 gφ2
=0
(3)
2 赵鹏飞. 对预测混凝土结构剩余寿命的探讨[J ] . 工业建筑 ,1998 ,28 (7) :31～33
3 Melchers R E. Structural reliability analysis and predication[ M] . York : Wi2 ley ,1999
中国农村水利水电·2003 年第 5 期
51
用 Excel 程序进行水闸消力池的水力学设计
Leabharlann Baidu冯 臻 韩晓玲
(新疆区乌鲁木齐市兵团勘测设计研究院二分院 830002)
摘要 水闸消力池的水力学设计必须经过不断的试算方可确定 ,在设计中往往耗费大量的时间 ,为此 ,根据强大的 数据处理软件 Excel 对消力池计算公式进行编辑 ,给出了一个快捷 、方便 、省时的消力池设计方法 。 关键词 消力池 水力学 水闸 Excel 程序
1 问题的提出
水闸泄水时 ,部分势能转化为动能 ,流速增大 ,对下游河 (渠) 床会产生强烈的冲刷 ,如不采取有效的措施 ,必将掏深河 槽 ,甚至危及建筑物安全 。因此 ,水闸下游水力设计的主要任 务就是选择适当的消能措施 ,使水闸下游在较短距离内消除多 余的动能 ,并使过闸高速集中水流安全地转化为下游的正常缓 流 ,从而保证建筑物的安全 。目前在水闸设计中多采用控制水 跃位置的工程措施 (设置消力池) 对过闸高速水流进行消能 。 通过水力学分析可知 ,消力池池深随 h″c - ht 增大而增加 , 因此 消力池池深并不由建筑物所通过的最大流量决定 , 必须通过不 断的试算方可确定 ;消力池长度决定于水跃长度 , 一般情况下 水跃长度随流量增加而增大 , 因此 , 计算消力池长度的设计流 量应为建筑物通过的最大流量 。
= ( Ei 3 Di 3 Di) / (2 3 Fi 3 Gi 3 Gi 3 Mi 3 Mi) - ( Ei 3 Di 3 Di) / (2 3 Fi 3 Li 3 Li) ; O列为淹没系数δ0 , Oi = 1. 05 ～ 1. 10 (可在此 范围内直接取用) ; P 列和 Q 列分别为假定的消力池深和计算的 消力池深 d ,Q 列根据公式 (1) 进行编程为 Qi = Oi 3 Li - Mi Ni , P 列为假定的消力池深 ,给出一个 Pi 值 ,则 Ki 发生变化 , Qi 也发生变化 ,当 Pi 值和 Qi 值相等时即为消力池深度的计算成 果 ; R 列为水跃长度 Lj ,由公式 (5) 编程为 Ri = 6. 9 3 ( Li - Ki) ; S 列为斜坡投影长 Ls ,可根据有关规定和消力池深度的计算成 果直接给出 , 为一已知值 Si ; T 列为水跃校正系数 β, 根据规范 直接取 Ti = 0. 7 ～ 0. 8 (计算时在此范围内取用) ;U 列为消力池 长度 L sj ,根据公式 (6) 编程为 Ui = Si + Ti 3 Ri 。
用强大的数据处理软件 Excel 对消力池的池深和池长进行 计算可大大缩短设计时间 ,并且可以提高计算精度 。
2 消力池计算的基本公式组成
本文采用底流式消能形式对消力池池深和池长进行计算 。
2. 1 消力池深度的基本计算公式
根据《水闸设计规划》[1] 中的计算原理对消力池深度进行
计算 。其基本计算公式为 :
传统的消力池池深的计算是在给定流量范围内 , 对不同流 量计算 hc 及 h″c , 在直角坐标上绘制 h″c = <( Q) 关系曲线 ; 同时 将已知的 ht = f ( Q) 的关系曲线也绘入同一坐标上 , 从图中找
出 h″c - hc 为最大值时的相应流量 , 即为消力池池深的设计流 量 , 然后通过有关公式计算 。 这种计算方法必须通过不断的 试算方 可 确 定 , 往 往 在 设 计 中 占 用 很 多 的 时 间 , 影 响 设 计 效率 。
[J ] . Structural Safety ,1995 ,17 (2) :17～32 15 李典庆 ,张圣坤. 平面钢闸门主梁可靠度评估[J ] . 中国农村水利水
电 ,2002 (3) :19～22
[ 作者简介 ] 周建方 ,男 ,41 岁 ,教授 (收稿日期 :2002 - 11 - 21)
Δ Z 出池落差 ,m ;
hc 收缩水深 ,m ;
α 水流动能校正系数 ,可采用 1. 00～1. 05 ;
q 过闸单宽流量 ,m3/ (s·m) ;
b1 消力池首端宽度 ,m ;
b2 消力池末端宽度 ,m ;
T0 由消力池底板顶面算起的总势能 ,m ;
φ 流速系数 ,一般采用 0. 95 。
2. 2 消力池长度的基本计算公式
在具体设计计算中 ,可以减少繁琐的试算过程 ,大大降低设计
人员的劳动强度 ,提高了设计速度和工作效率 。但是应当注意
的是用这种方法计算消力池 ,仍应对过闸水流及下游水跃的衔
接形式进行判断 ,选择合理的消能形式 ,只有这样才能对症下
药 ,有的放矢 ,为水闸及相应的水工建筑物的设计提供最基础
的水力学成果 。
4 Melchers R E. Discussion on“the strategies and value of risk based structural safety analysis”special issue of structural safety[J ] . Structural Safety , 2000 , 22 (3) :281～286
工业出版社 ,2001 12 SL72 - 94 水利建设项目经济评价规范[ S] . 北京 :中国水利水电出
版社 ,1994 13 SL101 - 94 水工钢闸门和启闭机安全检测技术规程[ S] . 北京 :中国
水利水电出版社 ,1994 14 Rosowsky D V. Estimation of design loads for reduced reference periods
(2) 输入已知数据和计算公式 。根据以上定义 , 工作薄中 A 列即为闸前水位 ,确定水闸最不利的工作状况时 , 闸前水位应 为设计水位 , 在计算中这一数据已知 , 为 Ai ;B 列为闸孔净宽 , 在计算中其数据已知 ,为 Bi ;C 列过闸流量 Q 为一变量 ,在计算 中可根据递增的方法事先假定 ,为 Ci ;D 列为单宽流量 , 等于过 闸流量除以闸孔净宽 ,可写成 Di = Ci/ Bi ; E列为动能校正系数 α, Ei = 1. 00 ～ 1. 05 (可在此范围内直接取用) ; F 列为重力加速 度 g ; G列为流速系数 φ, Gi = 0. 95 ; H 列为消力池首端宽度 b1 , 为已知值 ,直接输入即可 ,为 Hi ; I列为消力池末端宽度 b2 ,为已 知值 ,直接输入即可 ,为 Ii ;J 和 K列分别为假定的收缩水深和计 算的收缩水深 hc , 在编程中应对公式 (3) 进行变换 ,变换后的公 式为 :
Lj = 6. 9 ( h″c - hc)
(5)
L sj = L s + βLj
(6)
式中 Lj 水跃长度 ,m ;
L sj 消力池长度 ,m ;
Ls 消力池斜坡段投影长度 ,m ;
β 水跃长度校正系数 ,可采用 0. 7～0. 8 。
3 用 Excel 计算消力池的方法步骤
(1) 打开 Excel 的工作薄 ,将 A1 ～ U1 分别定义为闸前水位 H ,闸孔净宽 B 、过闸流量 Q 、q、α、重力加速度 g 、φ、b1 、b2 、假定 的收缩水深 hc 、计算的收缩水深 hc 、h″c 、h′s 、Δ Z 、δ0 、假定的消力 池深 d 、计算的消力池深 d 、Lj 、Ls 、β、Lsj 。
52
用 Excel 程序进行水闸消力池的水力学设计 冯 臻 韩晓玲
ΔZ
=
2
α q2 gφ2 h′s2
-
α q2 2 g h″c2
(4)
式中 d 消力池深度 ,m ;
δ0 水跃淹没系数 ,规范指出可采用 1. 05～1. 10 ; h″c 跃后水深 ,m ; h′s 出池河床水深 ,m ;
根据以上编程原理和已知数据 ,通过 Excel 进行计算 。 根据计算结果 ,消力池长度为 12. 704 m。消力池深度需绘
制曲线图查找最大值 ,其曲线图见图 1 。
图 1 消力池深度曲线 从图 1 中可以查出 ,该消力池的深度最大为 0. 545 m。
5 结 论
用 Excel 软件计算消力池 ,原理明确 、方法简便 、易于掌握 ,
CIBIA ,1977 6 Ang A H S , Leon D D. Determination of target reliabilities for design and
upgrading of structures[J ] . Structural Safety , 1997 ,19 (1) :91～103 7 Lind , Niels C. Some thoughts on the human development index[J ] . Social
□
参考文献
1 SL265 - 2001 水闸设计规范[ S] . 北京 :中国水利水电出版社 ,2001. 56 2 吴持恭. 水力学[M] . 下册. 北京 :高等教育出版社 ,1983 3 王世夏. 水工设计的理论和方法 [ M] . 北京 :中国水利水电出版社 ,
2000
[ 作者简介 ] 冯 臻 ,男 ,28 岁 ,助理工程师 (收稿日期 :2003 - 01 - 13)
hc
=
(
q φ
)
α 2 g ( H0 - hc)
用 Excel 编程为 Ki = ( Di/ Gi) 3 POWER( Ei/ (2 3 Fi 3 ( Ai + Pi -
Ji) ) ,0. 5) ,在计算时 , Ji 给出的值为假定值 , Ki 所显示的值为
计算值 ,两个计算值一定要相等 , 即可得出收缩水深 hc ;L 列为 跃后水深 h″c , 可根据公式 (2) 进行编程 , Li = ( ( POWER( (1 +