張忠良

摘 要：倒虹吸鋼管是壓力輸水建筑物。倒虹吸鋼管水力計(jì)算中，管內(nèi)水頭損失計(jì)算為重要計(jì)算內(nèi)容之一。倒虹吸鋼管的水利計(jì)算主要是根據(jù)進(jìn)口渠道已定的流量，及進(jìn)口渠道底部高程，通過水力計(jì)算，選定合理管徑，計(jì)算水頭損失，然后定出出口渠道底部高程。運(yùn)用Excel表格計(jì)算功能可以實(shí)現(xiàn)快速的水力計(jì)算，本文結(jié)合工程實(shí)際介紹具體實(shí)現(xiàn)過程。

關(guān)鍵詞：倒虹吸 Excel 水頭損失 單元格 編輯欄

中圖分類號(hào)：TV672.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2018）03（a）-0000-00

1 概述

倒虹吸鋼管是設(shè)置在輸水渠道與山谷、河流、洼地、公路相交處的壓力輸水建筑物。倒虹吸鋼管中的水流為壓力流，管內(nèi)并無虹吸作用，故倒虹吸鋼管實(shí)為一種壓力短管。在倒虹吸鋼管的水利計(jì)算中，管內(nèi)水頭損失計(jì)算為重要計(jì)算內(nèi)容之一。在倒虹吸工程中的前期測(cè)量及技施設(shè)計(jì)中，已知一定輸水流量，需要擬定管徑，計(jì)算各種流速情況下，管內(nèi)所產(chǎn)生的水頭損失值。并根據(jù)計(jì)算出的水頭損失結(jié)果，和結(jié)合倒虹吸進(jìn)、出口地形地質(zhì)條件，確定倒虹吸出口渠道底板高程，布置出口位置。出口渠道底板高程的確定除了考慮地形、地質(zhì)條件外，還需要考慮倒虹吸鋼管的經(jīng)濟(jì)性，和管道的輸水能力。這就需要反復(fù)、多次計(jì)算不同的流速和管徑下，選擇同時(shí)滿足管道管徑經(jīng)濟(jì)合理又保證過流能力的兩個(gè)條件下的管徑，從而確定最優(yōu)管徑和出口渠道底板高程。

2 Excel表格在倒虹吸工程水力計(jì)算中的運(yùn)用

運(yùn)用Excel中強(qiáng)大的自定義公式編輯計(jì)算功能進(jìn)行水力計(jì)算，可免去大量人工重復(fù)計(jì)算的勞動(dòng)，得到事半功倍的效果。

2.1 流速的選定

倒虹吸鋼管管內(nèi)的流速應(yīng)根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，選定的經(jīng)濟(jì)流速在規(guī)范規(guī)定經(jīng)驗(yàn)值范圍之內(nèi)，且流速應(yīng)大于不淤流速。

2.2 倒虹吸鋼管的管徑計(jì)算

倒虹吸鋼管的管徑計(jì)算可根據(jù)如下公式計(jì)算：

（2—1）

式中： D為鋼管內(nèi)徑，（m）；

Q為設(shè)計(jì)渠道流量，（m3/s）；

V為流速，（m/s）。

根據(jù)式2—1公式，可用Excel表進(jìn)行公式編輯，然后列表計(jì)算。具體步驟如下：

①、新建工作表，在sheet1工作表中，第二行輸入表頭：A2為“序號(hào)”；B2為“流量Q設(shè)”；C2為“流速v”；D2為鋼管內(nèi)徑“D”；E2為“選取管徑”，F(xiàn)2為“實(shí)際流速”。

②、將當(dāng)前工作表中單元格B3和C3輸入數(shù)據(jù)“1”。

③、然后在D3單元格處編輯公式，在編輯欄中輸入

“=（（4*B3）/（3.14*C3））^0.5”。

④、計(jì)算出的管徑往往不為整數(shù)，這時(shí)需要手工選取常用管徑，直接輸入在E3單元格。

⑤、然后再反算實(shí)際流速。將式2—1變?yōu)?/p>

（2—2）

根據(jù)式2—2在F3單元格輸入“（4*B3）/（3.14*E3^2）”。

⑥、將B3至F3行復(fù)制，粘貼到4、5、6、7行。如表1。

這樣只要在列B輸入已定流量值 、列C輸入不同流速值，Excel便可計(jì)算出相應(yīng)管徑，然后手工選取常用管徑，輸入到對(duì)應(yīng)E列，則F列便可自動(dòng)計(jì)算出實(shí)際流速。

2.3 水頭損失的計(jì)算

在倒虹吸鋼管的水頭損失計(jì)算中，需要計(jì)算沿程水頭損失hf和局部水頭損失hj，兩者之和為總水頭損失hw。

2.3.1 沿程水頭損失hf計(jì)算

沿程水頭損失hf計(jì)算根據(jù)公式：

（2—3）

式中： λ為沿程阻力系數(shù)， ；

l為鋼管管線長(zhǎng)，（m）；

V為流速（實(shí)際流速），（m/s）；

D為鋼管內(nèi)徑，（m）。

根據(jù)以上公式，在sheet2表中進(jìn)行列表編輯，步驟為：

①、第一行為標(biāo)題“水頭損失計(jì)算表”；

②、第二行為表頭編輯：A2為“序號(hào)”；B2為“管徑D ”；

C2為水力半徑“R”；D2為重力加速度“g”；E2為糙率“n”，F(xiàn)2為謝才系數(shù)“c”。G2為沿程阻力系數(shù)“λ”；H2為管線長(zhǎng)“L”；I2為實(shí)際流速“v”；J2為流速平方“v2”；K2為沿程水頭損失“hf”。

③、然后在行3開始編輯公式：其中B3單元格數(shù)據(jù)與表sheet1中單元格E3數(shù)據(jù)鏈接，十字光標(biāo)在B3單元格下，在編輯欄中輸入“=sheet1！E3”。C3單元格為水力半徑R，R=D/4，則在C3單元格中輸入“B3/4”；D3單元格輸入數(shù)據(jù)“9.8”；E3單元格為糙率n， 輸入數(shù)據(jù)“0.012”；F3單元格為謝才系數(shù)C， ，十字光標(biāo)在D3單元格下，在編輯欄輸入“=（C3^1/6）/E3”；G3單元格為沿程阻力系數(shù)λ， ，輸入“=（8*D3）/（F3^2）”；H3單元格為管線長(zhǎng)，手工錄入假設(shè)為“1”；I3單元格為實(shí)際流速，與sheet1中F3鏈接，在編輯欄中輸入“=sheet1！F3”；J3單元格為實(shí)際流速v平方值，輸入“=I3*I3”；K3單元格為沿程水頭損失，根據(jù)公式2—3編輯，在編輯欄中輸入“=（G3*H3*J3）/（2*B3*D3）”。

④、然后將A3至K3進(jìn)行復(fù)制，粘貼到行3、4、5、6、7、8中，完成沿程水頭損失計(jì)算表格編輯。

進(jìn)行沿程水頭損失計(jì)算時(shí)，只需在sheet1表中輸入流量值和流速值，得到選取管徑，在sheet2表中H列輸入管線長(zhǎng)，便可方便計(jì)算出沿程水頭損失hf。

2.3.2 局部水頭損失hj計(jì)算

局部水頭損失hj需根據(jù)倒虹吸鋼管進(jìn)口和出口型式，鋼管段各轉(zhuǎn)角等計(jì)算出局部損失系數(shù)，得到各損失系數(shù)之和Σξ。根據(jù)公式：

（2—4）

根據(jù)公式2—4進(jìn)行編輯。

①、在sheet2表中編輯標(biāo)題，單元格L2輸入局部水頭損失系數(shù)和“Σξ”；單元格M2輸入 “hj”；單元格N2為總水頭損失，輸入“hw”

②、在單元格M3編輯欄中輸入局部水頭損失計(jì)算公式

“=（J3/（2*9.8））*L3”

2.3.3 總水頭損失hw計(jì)算

總水頭損失計(jì)算據(jù)公式： hw=hf+hj （2—5）

①、根據(jù)式2—5，sheet2表中，在N3單元格輸入“=K3+M3”；

②、將A3至N3復(fù)制，粘貼到行4、5、6、7、8中。完成全部表格編制。具體見表2：

這樣只需在表sheet1中輸入已定流量，經(jīng)濟(jì)流速，得到選定管徑后，在表sheet2中H列輸入管線長(zhǎng)L，和局部損失系數(shù)之和Σξ，便可得到水頭損失結(jié)果?？芍鹦休斎胍阎担筒煌x定管徑，那么水頭損失值的結(jié)果便可由表格列出，方便比較分析和為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3 渠道出口底部高程確定

渠道出口底部高程確定，根據(jù)公式：

Zd=Z上+ho-hd-hw （3--1）

式中： Zd為渠道出口底部高程，（m）；

Z上為上游渠道底部高程，（m）；

ho為上游渠道正常水深，（m）；

hd為下游出口渠道正常水深，（m）；

hw為總水頭損失，（m）。

當(dāng)運(yùn)用Excel表格計(jì)算出水頭損失后，經(jīng)過方案比選，根據(jù)式3—1便可定出渠道出口底部高程。

4 管道輸水能力流量復(fù)核

定出渠道出口底部高程后應(yīng)復(fù)核鋼管的過流能力，經(jīng)過計(jì)算衡量是否接近設(shè)計(jì)流量。流量復(fù)核根據(jù)公式：

（4—1）

式中：

Q為實(shí)際流量，（m3/s）；

μc為管道流量系數(shù)， ；

A為管道過水?dāng)嗝婷娣e，（m2）；

Z為上、下游渠道水位差，（m）。

上式中上、下游渠道水位差Z為Z=Z上-Zd，根據(jù)推導(dǎo)，若鋼管出口斷面流速忽略不計(jì)，水位差Z在理論上約等于hw。經(jīng)過方案比選，將計(jì)算得到的hw，使Z=hw，代入上式4-1，計(jì)算流量Q。根據(jù)結(jié)果比較，若計(jì)算出的流量Q小于設(shè)計(jì)流量，可以適當(dāng)降低出口底部高程，增加水位差Z，直到Q值接近設(shè)計(jì)流量；若出口底部高程降得過多導(dǎo)致減小下游灌區(qū)灌溉面積，則重新考慮加大管徑，重新修正Σξ、λ值及計(jì)算hw，Z值以hw為依據(jù)逐漸調(diào)整，直到計(jì)算出的流量Q接近設(shè)計(jì)流量為止，選擇這時(shí)的Z值，便可確定渠道出口底部高程。

在實(shí)際工程建設(shè)中，筆者運(yùn)用上述表格完成了拉畢支渠3號(hào)倒虹吸的技施方案布置。拉畢支渠3號(hào)倒虹吸出口沿線地形遇有陡崖，地層巖性為石灰?guī)r，陡崖順河谷足有1km長(zhǎng)，如果出口高程布置不合理，下游渠線將沿陡崖而下，這將會(huì)加大施工難度及工程危險(xiǎn)性，經(jīng)過運(yùn)用Excel列表計(jì)算，選擇最優(yōu)方案，具體見管徑選擇計(jì)算表和水頭損失計(jì)算表：

通過計(jì)算，在進(jìn)口流量 Q =0.5m3/s時(shí)，最終確定了最優(yōu)管徑D=0.45m，流速v=3.15m/s，水頭損失為15.70m，確定Z=15. 4m。布置的渠道出口底部高程剛好位于陡崖崖腳，使下游渠線避開了橫穿陡崖的可能，同時(shí)管道過流能力Q等于設(shè)計(jì)流量，證明能滿足輸水要求。

5 結(jié)語

通過運(yùn)用Excel的表格計(jì)算功能，運(yùn)用到倒虹吸鋼管的水利計(jì)算中，當(dāng)流量一定時(shí)，選擇不同的流速，表格可逐一計(jì)算出相應(yīng)的管徑及水頭損失，設(shè)計(jì)人員再結(jié)合實(shí)際地形地質(zhì)情況，經(jīng)過列表比選，就很方便的得到較優(yōu)方案。同時(shí)運(yùn)用Excel的表格計(jì)算功能，免去了手工重復(fù)計(jì)算的步驟，避免了人為的計(jì)算失誤因素，節(jié)省了大量的時(shí)間和精力，提高了內(nèi)業(yè)設(shè)計(jì)的效率。

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