葉曉東 戴康程 尹 華 李 江 黃金軍
(常州市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院,江蘇 常州 213001)
跌水是明渠工程中將渠底高程的落差適當(dāng)集中,在落差集中處修建的最常見(jiàn)的落差建筑物,是供水、排水、退水、排洪等水工程的重要組成部分。由于跌水是在落差集中處修建的,所以在此處上游水流必將會(huì)對(duì)跌水的下游段渠道產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖刷。為此必需修建消力池,從而可利用在消力池中形成的強(qiáng)迫水躍來(lái)充分消耗下泄水流所挾帶的能量,以減輕對(duì)下游渠道的沖刷危害。
根據(jù)上下游銜接的具體情況,跌水消力池可采用不同的形式,如:矩形、梯形、復(fù)式斷面等。橫斷面為矩形的稱矩形消力池,是最常用的形式,筆者主要論述此種消力池的水力計(jì)算,梯形及復(fù)式斷面消力池等一般情況下可參照矩形消力池的計(jì)算方法進(jìn)行。
計(jì)算跌水矩形消力池的深度及長(zhǎng)度,先要算得躍前水深h1。根據(jù)《跌水與陡坡》[1]中消力池的水力計(jì)算,可按(1)式計(jì)算:
由于該公式等號(hào)右邊也有需計(jì)算求得的變量h1,所以導(dǎo)致躍前水深h1只能用試算的方法計(jì)算得到,故筆者推薦用迭代法計(jì)算躍前水深h1。
迭代法也稱輾轉(zhuǎn)法,是一種不斷用變量的舊值遞推新值的過(guò)程,是用計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的一種基本方法。利用計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度快、適合做重復(fù)性操作的特點(diǎn),讓計(jì)算機(jī)重復(fù)執(zhí)行一組指令(或一定步驟),在每次執(zhí)行這組指令(或步驟)時(shí),都從變量的原值推出它的一個(gè)新值。
用迭代法計(jì)算,需以下三個(gè)步驟:
(1)確定迭代變量
在可用迭代法解決的問(wèn)題中,至少存在一個(gè)直接或間接地不斷由舊值遞推出新值的變量,這個(gè)變量就是迭代變量。本處的迭代變量是躍前水深h1。
(2)建立迭代計(jì)算式
迭代計(jì)算式,是指如何從變量的前一個(gè)值推出其下一個(gè)值的公式。迭代計(jì)算式是解決迭代問(wèn)題的關(guān)鍵,本處迭代計(jì)算可按(2)式計(jì)算:
為節(jié)省篇幅,(2)式僅列出迭代三次的計(jì)算式,具體迭代次數(shù)應(yīng)根據(jù)實(shí)際計(jì)算中變量h1的收斂情況確定。
(3)控制迭代過(guò)程
控制通常分為兩種情況:一是所需的迭代次數(shù)是個(gè)定值,可以計(jì)算出來(lái);二是所需的迭代次數(shù)無(wú)法確定。對(duì)于第一種情況,可建一個(gè)固定次數(shù)的循環(huán)來(lái)控制;而對(duì)第二種情況,需進(jìn)一步分析出結(jié)束迭代過(guò)程的條件,如:設(shè)定變量的前一個(gè)值與其迭代算出的后一個(gè)值間的差遠(yuǎn)小于變量可容許的誤差范圍。
本處為后一種情況,可設(shè)定躍前水深h1計(jì)算容許誤差為1 mm,足以滿足設(shè)計(jì)要求。
用迭代法計(jì)算出躍前水深h1后,即可根據(jù)《跌水與陡坡》[1]中消力池的水力計(jì)算各步驟,按有關(guān)公式計(jì)算出消力池深及池長(zhǎng),用VB 進(jìn)行編程。
用InputBox 函數(shù)(或文本框)輸入上游渠道水深h上、跌差P、下游渠道水深h下等,按計(jì)算命令按紐,程序即以MsgBox 語(yǔ)句依次顯示躍前水深h1、消力池深d、消力池長(zhǎng)L 等,完成計(jì)算。程序源代碼如下:
某一渠道跌水,其上游渠道水深h上=1.1 m,上游渠道斷面平均流速V上=1.473 m/s,跌差P=1.5 m,下游渠道水深h下=0.65 m,單寬流量q=1.62 m3/(s·m)。試計(jì)算該處應(yīng)設(shè)置的消力池深度及長(zhǎng)度。
啟動(dòng)計(jì)算程序:在電腦屏幕跳出的對(duì)話框內(nèi)按文字提示輸入h上、P、h下等數(shù)值后,屏幕即依次顯示躍前水深h1=0.23 m、消力池深d=0.59 m、消力池長(zhǎng)L=4.53 m,池后無(wú)襯砌時(shí)應(yīng)鋪?zhàn)o(hù)砌段長(zhǎng)L3=1.95~2.60 m。
完成計(jì)算。
用迭代法編程來(lái)計(jì)算跌水矩形消力池可行,其計(jì)算結(jié)果與有關(guān)資料相符、可靠。
[1]陳德亮,劉韓生,等.跌水與陡坡[M].中國(guó)水利水電出版社,2004.
[2]李煒.水力計(jì)算手冊(cè)[M].中國(guó)水利水電出版社,2006.
[3]郭圣路,等.Visual Basic6.0(中文版)從入門到精通[M].電子工業(yè)出版社,2008.