護岸框架減速效果研究

摘要：根據(jù)四面六邊透水框架群水槽實驗數(shù)據(jù)，應用曲線、曲面擬合和平均變化率等方法，對架空率、桿件長寬比、框架群長度對平均減速率的影響進行了計算與定量研究。結果表明，架空率對減速率的平均影響最大，框架群長度對減速率最初的影響很大，但平均影響比架空率略小，而桿件長寬比對減速率的影響最小。

關鍵詞：四面六邊透水框架；曲線曲面擬合；GCAS曲線；CSBP曲面；變化率

DOIDOI：10.11907/rjdk.143744

中圖分類號：TP301

文獻標識碼：A 文章編號文章編號：16727800（2015）001002103

基金項目基金項目：安徽省教育廳自然科學基金項目（2013kb236）

作者簡介作者簡介：杜源（1990-），女，安徽巢湖人，安徽理工大學計算機學院碩士研究生，研究方向為智能計算；許峰（1963-），男，安徽淮南人，安徽理工大學理學院教授，研究方向為應用數(shù)學、智能計算。

0 引言

在江河中，堤岸、江心洲迎水區(qū)域被水流長期沖刷侵蝕。在河道整治工程中，需要在受侵蝕嚴重的部位設置一些人工設施，以減弱水流的沖刷，促進該處泥沙的淤積，保護河岸形態(tài)的穩(wěn)定。

四面六邊透水框架是一種由鋼筋混凝土框桿相互焊接而成的正四面體結構，常見的尺寸為邊長約1m，框桿截面約0.1×0.1m。將一定數(shù)量的框架投入水中，在水中形成框架群，可以使水流消能減速，達到減弱沖擊、防沖促淤的效果，是護岸常用設施之一。

四面六邊透水框架群，其框架尺寸、架空率和長度都直接或間接地影響著消能減速的效果。人們通過水槽實驗等方法，已經(jīng)積累了一些實驗數(shù)據(jù)，但由于數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)精度不足，還沒有形成足夠完善的經(jīng)驗公式。

本文應用曲線、曲面擬合和平均變化率等方法對架空率、桿件長寬比、框架群長度對平均減速率的影響進行了定量研究與計算，取得了相關實驗數(shù)據(jù)。

1 架空率、長寬比、框架群長度與減速率經(jīng)驗公式擬合

由于穿越透水框架群的水流是典型的三維紊流，現(xiàn)有的水力學理論尚不足以對其進行精確分析，所以目前研究透水框架群護岸效果最有效的手段是水槽實驗。

本文采用的數(shù)據(jù)來源于河海大學水利水電工程學院和江西省水利科學研究院所做的水槽實驗。

1.1 架空率、長寬比與減速率經(jīng)驗公式擬合

因為沒有充分的理論依據(jù)，只有離散的實驗數(shù)據(jù)點，要想獲得較為完善的經(jīng)驗公式，曲線擬合是比較合理的方法。曲線擬合的優(yōu)劣主要取決于線型的選擇。

觀察架空率、桿件長寬比與減速率的散點圖，可考慮用多項式或Gauss函數(shù)擬合。但兩個散點圖特別是架空率與減速率的散點圖并不完全對稱，并且局部數(shù)據(jù)的凹凸性有變化，若用多項式或Gauss函數(shù)擬合，可能誤差較大，且不能精確反映數(shù)據(jù)的局部變化。

據(jù)此， 本文提出用GCAS （GramCharlier peak function

for use in chromatography）曲線擬合架空率、桿件長寬比與減速率的經(jīng)驗公式。

GCAS曲線本來是用于擬合色譜的單峰函數(shù)，函數(shù)表達式如下[4]：

fz=y0+Aw2πe-z221+∑4i=3aii！Hiz（1）z=x-xcw，H3=z3-3z，H4=z4-6z3+3 （2）

由于GCAS函數(shù)其實就是Gauss函數(shù)與一個調節(jié)因子的乘積，此調節(jié)因子可局部調節(jié)函數(shù)的性態(tài)，所以采用GCAS函數(shù)進行擬合可以充分、靈活地應用實驗數(shù)據(jù)，得到更加精準的擬合曲線。

架空率、桿件長寬比與減速率的擬合曲線及參數(shù)如下：

架空率與減速率擬合方程（1）中的參數(shù)分別為：

y0=0.611 9，xc=5.215 7，A=0.188 3w=0.743 2，a3=0.301 8，a4=1.572 3

擬合系數(shù)為R=0.995 5。

圖1 架空率與平均減速率擬合曲線

圖2 桿件長寬比與平均減速率擬合曲線

桿件長寬比與減速率擬合方程（1）中的參數(shù)分別為：

y0=0.517 4，xc=28.992 6，A=11.997 0w=26.179 6，a3=8.815 7，a4=-8.643 6

擬合的確定系數(shù)為R=0.9983。

從架空率、桿件長寬比與減速率擬合的確定系數(shù)可以判定，擬合曲線的整體精度很高。

用多項式或Gauss函數(shù)也可擬合出系數(shù)較高的曲線，但擬合曲線的局部性態(tài)可能欠佳。圖3是架空率與減速率的GCAS擬合理論曲線。

圖3 架空率與平均減速率的GCAS擬合理論曲線

從圖3可以很清楚地看出，GCAS曲線不像純Gauss曲線那樣具有整體的凹凸性，而是凹凸性有局部變化，這表明GCAS曲線比純Gauss曲線更能反映數(shù)據(jù)的局部變化，自然有更高的擬合精度。

1.2 框架群長度與減速率經(jīng)驗公式擬合

根據(jù)框架群長度與減速率散點圖，顯然可以選擇二指數(shù)或三指數(shù)線型，本文選擇三指數(shù)曲線進行擬合，其方程為：

y=y0+A1e-x-x0t1+A2e-x-x0t2+A3e-x-x0t3（3）

框架群長度與減速率擬合方程（3）中的參數(shù)及擬合圖如下：

y0=1.196 5，x0=3.824 1，A1=-0.195 7，t1=3.115 2A2=-0.195 9，t2=3.120 1；A3=-0.197 6，t3=135.218 7

擬合系數(shù)確定為R=0.991 7。

圖4 框架群長度與平均減速率的擬合曲線

擬合的確定系數(shù)和擬合圖形均表明，框架群長度與減速率的擬合精度很高。

2 架空率、長寬比、框架群長度對減速率的影響

為了進一步研究架空率、桿件長寬比、框架群長度對平均減速率的影響，下面根據(jù)前面獲得的擬合曲線，分別計算減速率對架空率、桿件長寬比、框架群長度的平均變化率。

根據(jù)擬合方程，用Maple可以計算出它們的導數(shù)，即減速率對架空率、桿件長寬比、框架群長度的平均變化率，見圖5、圖6、圖7。

圖5 減速率對架空率的變化率曲線

圖6 減速率對長寬比的變化率曲線

圖7 減速率對框架群長度的變化率曲線

由于減速率對各參數(shù)的變化率是變化的，所以可用平均變化率來描述各參數(shù)對減速率的影響。

根據(jù)微積分知識，函數(shù)f（x）在區(qū)間[a，b]的平均變化率定義如下：

f=1b-a∫baf（x）dx（4）

用Maple編程，計算結果為：

架空率對減速率的最大影響率為9.00%，平均影響率為4.79%；

長寬比對減速率的最大影響率為2.01%，平均影響率為1.02%；

框架群長度對減速率的最大影響率為42%，平均影響率為3.47%。

綜上可知，架空率對減速率的平均影響最大，框架群長度對減速率最初的影響很大，但平均影響比架空率略小，而桿件長寬比對減速率的影響最小。

3 結語

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，應用曲（面）擬合方法、導數(shù)和偏導數(shù)概念，對架空率、桿件長寬比、框架群長度對減速率的影響進行了定量研究與計算，獲得如下結論：①架空率對減速率的平均影響最大；②框架群長度對減速率最初的影響很大，但平均影響比架空率略??；③桿件長寬比對減速率的影響最小。

本文采用的是常規(guī)方法，所用理論并不高深，但由于選擇曲線和曲面時考慮全面，有一定的數(shù)學理論依據(jù)，所以無論整體擬合還是局部擬合精度均較高。另外，本文對3個參數(shù)對減速率的影響及架空率、桿件長寬比對減速率的綜合影響的定量研究，數(shù)值分析與圖形相結合，所獲結論明確、直觀。

由于獲得的實驗數(shù)據(jù)有限，沒有對架空率、桿件長寬比、框架群長度對減速率的綜合影響進行研究。但是，根據(jù)實際經(jīng)驗及架空率、桿件長寬比對減速率的綜合影響，得出架空率、桿件長寬比、框架群長度這三者對減速率的交互影響很小的結論，在實際應用時可以忽略。

參考文獻：

[1] 吳龍華， 周春天， 嚴忠民， 等. 四面六邊透水框架群護岸機理研究[EB/OL].中國科技論文在線，http：//www.docin.com/p-395090485.html

[2] 吳龍華， 周春天， 嚴忠民， 等. 架空率、桿件長寬比對四面六邊透水框架群減速促淤效果的影響[J].水利水運工程學報，2003（3）： 7477.

[3] 徐國賓， 張耀哲. 混凝土四面六邊透水框架群技術在河道整治、護岸及搶險中的應用[J].天津大學學報，2006，39（3）： 14651469.

[4] 肖信. Origin8.0實用教程[M].北京：中國電力出版社，2009.

[5] 李慶揚， 王能超. 數(shù)值分析[M].北京：清華大學出版社，2008.