鄭 釗，毋 甜

(河南黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

1 概述

隨著小浪底水庫持續(xù)運(yùn)用，黃河下游河床沖刷下切，相同流量相應(yīng)水位明顯下降，黃河下游引黃涵洞式水閘引水條件較設(shè)計情況發(fā)生了較大變化，部分引黃涵閘存在引水困難，或無法引水的問題，對黃河下游兩岸地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展造成一定影響。為此，水利部黃河水利委員會組織相關(guān)部門積極開展黃河下游引黃涵閘改建工作，確定需要拆除重建的引黃涵閘共計48座，其中河南段18座，山東段30座。因黃河沖積平原地質(zhì)條件較差，引黃涵閘涵洞末端出口水頭較底，其消能工多采用底流消能方式。

挖深式消力池結(jié)構(gòu)簡單、消能效果好且便于施工，黃河下游引黃涵閘改建工程消力池設(shè)計以挖深式為主。由于引黃涵閘消力池距黃河大堤較近，挖深式消力池池深與池長設(shè)計是否合理不僅直接影響引黃涵閘自身安全，還會影響黃河大堤等防洪工程的安全。

為了提高挖深式消力池設(shè)計效率，黃朝煊、滕凱、張志軍[4-9]等通過理論分析，建立了開敞式水閘消力池池深的簡化計算公式，并成功運(yùn)用于工程實例；馮臻、郭鳳臺[10-11]等利用Excel及其二次開發(fā)技術(shù)，為開敞式水閘消力池深度計算提供了一種新的思路；林淏圣、寧鵬飛、葉曉東[12-14]等建立收縮水深或消力池深度迭代公式，實現(xiàn)了快速計算開敞式水閘消力池深度；惠康、黃智敏[15-16]等分別采用數(shù)值模擬與物理模型的研究手段分析了消力池內(nèi)水躍特性，為消力池的長度計算提供了相應(yīng)的方法；房凱[17]等采用改進(jìn)遺傳算法改進(jìn)了無壓流短涵洞挖深式消力池設(shè)計參數(shù)計算方法，提高了計算效率。黃河下游穿堤引黃涵閘工程主體由閘室與穿堤涵洞組成，挖深式消力池設(shè)計由于涵洞的存在有其自身特點(diǎn)，現(xiàn)有研究基本都以開敞式水閘消力池為研究對象，對涵洞式水閘挖深式消力池相關(guān)研究還不夠深入，尚未深入分析涵洞式水閘消力池設(shè)計與開敞式水閘消力池設(shè)計的不同之處。

綜上，本文研究嚴(yán)格依據(jù)SL 265—2016[3]計算方法，采用基于VBA的Excel二次開發(fā)技術(shù)編寫黃河下游引黃涵洞式水閘、開敞式水閘挖深式消力池兩種結(jié)構(gòu)型式設(shè)計程序，實現(xiàn)了在輸入有限設(shè)計參數(shù)的情況下，自動、快速計算多種工況挖深式消力池設(shè)計參數(shù)，分析了由于涵洞的存在使得兩種結(jié)構(gòu)型式挖深式消力池設(shè)計存在區(qū)別。

2 Excel VBA二次開發(fā)簡介

VBA(Visual Basic for Applications)是Visual Basic的一種宏語言，是微軟開發(fā)出來在其桌面應(yīng)用程序中執(zhí)行通用的自動化(OLE)任務(wù)的編程語言。

基于VBA以Excel為平臺進(jìn)行二次開發(fā)，是將Visual Basic語言直接運(yùn)用于Excel，無需安裝任何其他軟件或插件，即可有效擴(kuò)展Excel功能，實現(xiàn)程序化、自動化分析計算，具有傳統(tǒng)Excel手動建表計算分析所無可比擬的效率與精度。同時，VBA還可基于AutoCAD等軟件進(jìn)行二次開發(fā)，由于VBA具有諸多優(yōu)點(diǎn)，故其在水利工程中得到了廣泛的應(yīng)用[18-25]。

3 挖深式消力池設(shè)計程序開發(fā)

3.1 開發(fā)思路

本文所開發(fā)開敞式水閘、涵洞式水閘挖深式消力池設(shè)計程序功能是在輸入有限設(shè)計參數(shù)的情況下，快速自動計算兩種結(jié)構(gòu)型式多種運(yùn)行工況挖深式消力池設(shè)計參數(shù)(池深，池長)。其中涵洞式水閘挖深式消力池程序開發(fā)流程如圖1所示。

圖1 黃河下游涵洞式水閘挖深式消力池設(shè)計程序流程

根據(jù)SL 265—2016[3]，設(shè)計挖深式消力池時，由消力池底板頂面算起的總勢能T0是影響設(shè)計參數(shù)計算結(jié)果的重要影響因素。

由于黃河下游涵洞式引黃閘具有較長涵洞，運(yùn)行工況復(fù)雜，而不同的運(yùn)行工況會導(dǎo)致涵洞洞內(nèi)流態(tài)差異將直接影響總勢能T0的確定方法，繼而影響消力池設(shè)計參數(shù)的計算結(jié)果，故設(shè)計涵洞式水閘挖深式消力池時，需要判斷涵洞洞內(nèi)水流，進(jìn)而確定T0是設(shè)計難點(diǎn)及關(guān)鍵點(diǎn)所在。

3.1.1涵洞流態(tài)判別與總勢能T0確定

涵洞洞內(nèi)水流流態(tài)一般可分為5種，分別為：無壓流短洞、無壓流長洞、半壓力流涵洞、非淹沒壓力流涵洞以及淹沒壓力流涵洞。李煒《水力計算手冊》[2]與熊啟鈞《涵洞》[25]等文獻(xiàn)提供了涵洞流態(tài)的判別方法，本文采用熊啟鈞《涵洞》[25]提供的涵洞流態(tài)判別方法。

總勢能T0計算方法依據(jù)涵洞流態(tài)確定，無壓流短洞按涵洞進(jìn)口前斷面能量計算，其余4種涵洞流態(tài)均按涵洞出口斷面能量計算。涵洞流態(tài)判別與T0計算公式見表1。涵洞式水閘典型縱面如圖2所示。

圖2 黃河下游涵洞式水閘典型縱斷面圖

表1所述公式中：H為從涵洞進(jìn)口洞底算起的進(jìn)口水深，m；h為從涵洞出口洞底算起的出口水深，m；hk為涵洞臨界水深，m；L為涵洞長度，m；i為涵洞比降；v0為涵洞入口上游行近流速，m/s；v為涵洞出口流速，m/s；R為涵洞水力半徑，m；C為謝才系數(shù)，m0.5/s；ξ為局部水頭損失系數(shù)，d為消力池深度，m。

表1 涵洞流態(tài)與總勢能T0確定原則

流態(tài)判別采用VBA的Select Case…then語句編寫，程序段可根據(jù)涵洞進(jìn)出口水深自動判別涵洞流態(tài)并計算總勢能T0，涵洞流態(tài)判別與總勢能T0計算VBA源代碼如圖3所示。

圖3 涵洞流態(tài)判別與總勢能T0計算VBA源代碼

3.1.2挖深式消力池計算

依據(jù)SL 265—2016[3]，消力池深度計算公式如下：

(1)

消力池長度計算公式如下：

(2)

式中,Lsj—消力池長度，m；Ls—消力池斜坡段水平投影長度，m；β—水躍長度校正系數(shù)，取0.8；Lj—水躍長度，m。

3.2 涵洞進(jìn)出口水深確定

涵洞進(jìn)口水深與出口水深直接決定了涵洞內(nèi)水流流態(tài)，不同的涵洞流態(tài)對應(yīng)不同的消力池設(shè)計參數(shù)(總勢能T0)計算公式。因此，合理的確定涵洞進(jìn)出口水深對正確地計算涵洞式水閘挖深式消力池設(shè)計參數(shù)至關(guān)重要。

綜上所述，需要確定多種運(yùn)行工況，計算分析后確定涵洞式水閘消力池設(shè)計深度。而消力池深度根據(jù)引水流量、閘門開啟數(shù)量、涵閘出口水深、進(jìn)口水深以及進(jìn)口流速計算，因此需要對多種運(yùn)行工況涵洞式水閘引水體系進(jìn)行水力計算以確定水力要素(由于消力池修建對涵閘引水體系水面線影響有限，故涵閘進(jìn)出口水位、進(jìn)口水深、進(jìn)口流速均采用未修建消力池情況下涵閘引水體系水力計算成果)，而后將多種運(yùn)行工況涵閘引水流量、閘門開啟數(shù)量、進(jìn)口水深、進(jìn)口流速、出口水位作為計算消力池設(shè)計參數(shù)的已知條件輸入。

在給出多種運(yùn)行工況涵閘進(jìn)出口水深后，本文研究所開發(fā)程序?qū)⒏鶕?jù)表1所提供涵洞流態(tài)判別公式，自動識別涵洞流態(tài)與總勢能T0計算公式，結(jié)合挖深式消力池計算公式計算多種運(yùn)行工況消力池設(shè)計參數(shù)。

3.3 設(shè)計參數(shù)輸入

設(shè)計參數(shù)輸入主要分為3部分：①涵洞式水閘工況參數(shù)，主要包括各運(yùn)行工況引水流量Q、閘門開啟數(shù)量N、涵閘進(jìn)出口水位等；②涵洞式水閘基礎(chǔ)尺寸，主要包括涵洞單孔尺寸(b×d)、涵洞比降i、涵洞長度L、糙率n、進(jìn)出口底板高程以及涵洞出口與渠道跌差P等；③消力池設(shè)計參數(shù)，主要包括消力池斜坡系數(shù)m、水躍長度校正系數(shù)β、流速系數(shù)φ以及水躍淹沒系數(shù)σ0等。

3.4 結(jié)果輸出

3.5 程序校驗

為了驗證本文研究所開發(fā)程序計算結(jié)果是否正確，將開發(fā)程序應(yīng)用于文獻(xiàn)[25]【例3-13】、【例3-14】、【例3-15】與文獻(xiàn)[26]【例題146】等4個涵洞式水閘挖深式消力池設(shè)計算例，并將程序計算結(jié)果與文獻(xiàn)所提供計算結(jié)果進(jìn)行對比分析。其中文獻(xiàn)[26]【例題146】為開敞式水閘消力池設(shè)計。

【例146】無壩取水閘，平底板寬頂堰，底流消能，挖深式矩形消力池，河床高程100.0m，池寬14.4m。引水時河道的最高水位為104.75m，最大引用流量21.5m3/s，下游相應(yīng)水深為101.25m。計算消力池池深(流速系數(shù)0.95)。

以上4個算例程序計算結(jié)果與文獻(xiàn)計算結(jié)果對比見表2。

由表2可以看出，程序計算與文獻(xiàn)計算消力池深度d差值均在5%之內(nèi)，出現(xiàn)這種差異的原因在于，程序計算采用試算法計算消力池深度d時精度要求小于0.001；而文獻(xiàn)采用手動試算的計算方法，由于試算次數(shù)較少(2～3次)導(dǎo)致計算精度略低。同樣，消力池長度L計算差異也是由于兩種方法計算精度不同所致。

表2 程序校驗結(jié)果

4 實例應(yīng)用

以河南封丘紅旗引黃涵閘為例，示范開發(fā)程序在黃河下游涵洞式引黃閘消力池設(shè)計應(yīng)用。

紅旗閘始建于1958年，位于黃河左岸大堤樁號166+535處，為典型的黃河下游穿堤引黃涵閘。該閘設(shè)計引水流量70m3/s(大I型，1級水工建筑物)，改建方案為單聯(lián)3孔箱型涵洞式水閘，工作閘門為平板鋼閘門。閘底板高程71.60m，閘室單孔凈寬4.5m。穿堤涵洞單孔凈寬4.5m，涵洞高度為4.0m，涵洞全長99m，縱比降為1/300。設(shè)計引水位為73.29m，最高運(yùn)行水位為81.67m(高于此水位涵閘關(guān)閘運(yùn)行)，設(shè)計防洪水位為82.99m，校核防洪水位為83.99m。

以下采用開發(fā)程序計算、探討消力池設(shè)計深度與設(shè)計長度。

4.1 設(shè)計參數(shù)輸入

(1)紅旗引黃涵閘部分基礎(chǔ)參數(shù)輸入如圖4所示。

圖4 紅旗引黃涵閘部分基礎(chǔ)參數(shù)輸入

(2)運(yùn)行工況確定

消力池深度計算需要對根據(jù)涵閘進(jìn)口水位、出口水位、過閘流量、閘門開啟數(shù)量等諸多關(guān)鍵要素擬定多種運(yùn)行工況分析計算。

紅旗引黃涵閘結(jié)構(gòu)型式為單聯(lián)3孔，設(shè)計流量Q=70m3/s，安全起見，擬定紅旗運(yùn)行原則為：①當(dāng)引水流量為1～25m3/s時，閘門開啟數(shù)量為1；②當(dāng)引水流量為26～50m3/s時，閘門開啟數(shù)量為2；③當(dāng)引水流量為51～70m3/s時，閘門開啟數(shù)量為3。

根據(jù)閘門開啟數(shù)量、引水流量與已確定涵閘結(jié)構(gòu)尺寸，計算70個運(yùn)行工況(Q=1～70m3/s，步長為1m3/s)涵閘進(jìn)口水位與出口水位。

部分運(yùn)行工況參數(shù)輸入如圖5所示。

圖5 部分運(yùn)行工況參數(shù)輸入

4.2 計算成果輸出

調(diào)用開發(fā)程序，僅用時10s即可完成70種工況消力池設(shè)計參數(shù)計算與輸出。部分運(yùn)行工況消力池設(shè)計參數(shù)輸出如圖6所示。

由圖6可以看出，各種運(yùn)行工況下涵洞下游躍后水深均小于涵閘下游渠道水深，即紅旗引黃涵閘無需設(shè)置消力池。出現(xiàn)該情況的原因如下：①涵洞尺寸較大。各工況涵洞出口單寬流量較??；②涵洞進(jìn)口水深較小。當(dāng)引水流量為70m3/s時，閘門全開，涵洞進(jìn)口水深也僅為4.14m；即使閘前水位達(dá)到最高運(yùn)行水位，則需要調(diào)節(jié)閘門開啟度控制涵洞進(jìn)口水深，從而控制引黃涵閘的引水流量，此時涵洞入口附近發(fā)生水躍現(xiàn)象，大部分多余的能量已經(jīng)在涵洞進(jìn)口附近消散，由于黃河下游引黃涵閘有閘門控制，使得涵洞進(jìn)口水深的確定與開敞式水閘進(jìn)口水深的確定有所不同。當(dāng)涵閘引水流量一定時，閘前水位高低對涵洞進(jìn)口水深影響不大。

圖6 部分運(yùn)行工況消力池設(shè)計參數(shù)輸出

需要說明的是，圖6所列運(yùn)行工況程序計算成果經(jīng)手工校驗無誤，但手工校驗需要耗費(fèi)大量的時間與精力。通過實踐檢驗，開發(fā)程序不僅計算精度高，且比手工計算高效。

4.3 涵洞對消力池設(shè)計的影響

為了闡明涵洞對黃河下游引黃涵閘消力池設(shè)計的影響，本節(jié)討論假設(shè)紅旗引黃閘開敞式水閘(不考慮涵洞)，利用本文開發(fā)開敞式水閘程序模塊計算消力池的深度與長度。

根據(jù)SL 265—2016[3]規(guī)定，不考慮紅旗引黃涵閘涵洞設(shè)計消力池時，應(yīng)按最高運(yùn)行水位確定閘前水深。

閘門開啟數(shù)量與引水流量的對應(yīng)關(guān)系同4.1所述，即當(dāng)引水流量為1～25m3/s時，閘門開啟數(shù)量為1；當(dāng)引水流量為26～50m3/s時，閘門開啟數(shù)量為2；當(dāng)引水流量為51～70m3/s時，閘門開啟數(shù)量為3。閘門開啟度滿足相應(yīng)引水流量即可。

不考慮涵洞程序計算結(jié)果如圖7—9所示?？傻贸鲆韵陆Y(jié)論：①當(dāng)閘門開啟數(shù)量為1、引水流量為25m3/s時，消力池深度達(dá)到極大值；當(dāng)閘門開啟數(shù)量為2時，消力池深度隨引水流量增大而減?。划?dāng)閘門開啟數(shù)量為3時，雖然引水流量較大，但由于單寬流量較小而無需設(shè)置消力池；②消力池的深度計算與閘前水深、引水流量、閘門開啟數(shù)量、下游渠道水深等諸多因素有關(guān)，需要擬定多種運(yùn)行工況才能尋求到合理深度極大值；③當(dāng)需要設(shè)置消力池時，消力池長度隨引水流量的增大而增大；④由于涵洞的存在，使得黃河下游涵洞式引黃閘消力池設(shè)計與開敞式水閘消力池設(shè)計有著本質(zhì)的區(qū)別。

圖7 紅旗引黃涵閘不考慮涵洞消力池計算結(jié)果

圖8 紅旗引黃涵閘不考慮涵洞消力池深度計算結(jié)果

圖9 紅旗引黃涵閘不考慮涵洞消力池長度計算結(jié)果

5 結(jié)語

(1)將基于VBA的Excel二次開發(fā)技術(shù)應(yīng)用于涵洞式引黃閘消力池設(shè)計中，實現(xiàn)了在Excel界面輸入有限參數(shù)的前提下，快速自動計算、輸出多工況黃河下游涵洞式水閘消力池設(shè)計參數(shù)；對于不同結(jié)構(gòu)型式的水閘，只需要修改閘室孔數(shù)、單孔尺寸、設(shè)計流量等基礎(chǔ)參數(shù)，即可實現(xiàn)高效、準(zhǔn)確地開展挖深式消力池設(shè)計計算。實例應(yīng)用表明：開發(fā)程序可節(jié)省大量時間和人力，大幅度提高設(shè)計效率和質(zhì)量，可為黃河下游引黃涵閘改擴(kuò)建工程提供有效支撐。

(2)黃河下游引黃涵洞式水閘由于涵洞的存在，使得涵洞式水閘消力池設(shè)計與開敞式水閘消力池設(shè)計有著本質(zhì)的區(qū)別。確定總能頭T0是涵洞式水閘挖深式消力池的設(shè)計難點(diǎn)及關(guān)鍵點(diǎn)所在。

(3)將Visual Basic語言直接運(yùn)用于Excel，無需安裝任何其他軟件或插件，即可有效擴(kuò)展Excel功能，該技術(shù)可應(yīng)用于黃河下游工程設(shè)計工作中，也為其他工程設(shè)計采用VBA二次開發(fā)提供參考與借鑒。