溢洪道泄流能力計算系統(tǒng)的研制

戴 丹，潘小波，翟天保，才仁措

（貴州大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，貴州 550000）

0 引言

我國的水利資源非常豐富，蘊藏量達(dá)6.8 億kW，其中可開發(fā)的占3.78 億kW，年可發(fā)電達(dá)1.92 萬億kW·h，居世界第一位。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，開發(fā)水電資源迫在眉睫；同時由于河川徑流在地區(qū)和年際和年內(nèi)分配的不均，河流時常給人民生活生產(chǎn)帶來旱澇等災(zāi)害，為解決這些問題。主要措施就是通過修建水利閘壩樞紐工程，以達(dá)到除水害，興水利的目的。除水害就是防止洪水泛濫和瀝澇成災(zāi)；興水利則是從多方面利用水利資源為人民造福，包括灌溉、發(fā)電、供水、航運、養(yǎng)殖等。

泄水建筑物的泄流能力是閘壩設(shè)計中的重要內(nèi)容，泄流流量曲線的計算是調(diào)節(jié)洪水及大壩特征水位計算的基礎(chǔ)。因此，如何正確計算各種堰型的泄流能力并繪制其泄流能力曲線，在實際工程設(shè)計中是很重要的部分。但是目前基層設(shè)計人員在分析泄流能力時，往往不能正確地繪制溢洪道的泄流能力曲線。大部分設(shè)計人員在計算時使用手工計算或者依靠Excel 表格進行計算，計算繁瑣，效率不高。該項目準(zhǔn)備基于泄流能力的理論，使用Matlab 等技術(shù)和工具，研制一個溢洪道泄流能力計算系統(tǒng)。該項目是一個交叉性的課題，需要綜合計算機、數(shù)學(xué)及水利學(xué)等相關(guān)知識。項目的研究可以為水利行業(yè)提供一套標(biāo)準(zhǔn)的計算分析軟件，具有很好的實用價值。

1 總體設(shè)計

1.1 編制原則

溢洪道泄流能力計算系統(tǒng)的編制原則為：符合國家現(xiàn)行的規(guī)范及有關(guān)規(guī)程； 適應(yīng)行業(yè)特點，滿足行業(yè)規(guī)范要求；系統(tǒng)的輸入、輸出界面清晰、直觀，操作使用方便，利于推廣。

1.2 編制依據(jù)

溢洪道泄流能力計算系統(tǒng)（主要依據(jù)國家相關(guān)的規(guī)范，行業(yè)部門出版的設(shè)計手冊等）使用《溢洪道設(shè)計規(guī)范（DL5166－2002）》；《溢洪道設(shè)計規(guī)范（SL253－2018）》為編制依據(jù)。

1.3 系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)采用Matlab 編制，由文件、堰型、泄流能力等模塊組成，各個功能模塊之間互有聯(lián)系，由主菜單對各功能模塊進行集中調(diào)用，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)錄入、計算、成果輸出等功能。系統(tǒng)功能圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能

2 系統(tǒng)特點

本系統(tǒng)適用于開敞式WES 實用堰、寬頂堰、駝峰堰、帶胸墻孔口式實用堰四大堰型的水力學(xué)設(shè)計，包括底流消能計算、泄流能力計算、側(cè)槽段起始水深計算、泄槽段水面線推算和泄槽段水流摻氣水深及泄槽邊墻高度計算等。

其特點主要為以下幾點：①運算快速，結(jié)果準(zhǔn)確。本程序根據(jù)相關(guān)規(guī)范和手冊編制，可對開敞式WES 實用堰、寬頂堰、駝峰堰、帶胸墻孔口式實用堰四大堰型進行水力學(xué)相關(guān)計算，使用時，用戶只需針對不同堰型輸入相關(guān)參數(shù)，即可快速得出水位、流量、泄流能力等相關(guān)結(jié)果。②界面簡單，便于操作。本程序窗口采用下拉式菜單進行控制操作，用戶可根據(jù)菜單選擇不同的操作選項，同時，每個操作頁面都附有返回上級選項，方便了用戶操作。③附有表格，使用簡單對于不同的堰型，在水力學(xué)的相關(guān)設(shè)計和計算中，有許多不同的參數(shù)需要根據(jù)實際情況推算得出，在本程序中，都在這些參數(shù)的輸入框旁邊附上相關(guān)表格，便于用戶進行查詢與推算，降低了本程序的使用復(fù)雜度。

3 主要功能模塊

3.1 開敞型WES實用堰泄流能力計算

本模塊用于實現(xiàn)開敞型WES 實用堰泄流能力的自動計算，只需用戶輸入所需的數(shù)據(jù)參數(shù)，并給出了所要用到的附錄表，程序便可自動計算，以圖像的形式直觀的表示出水位與流量的關(guān)系，并且可以生成表格保存。其中用到的公式如下：

式中：為流量，m/s；為溢流堰總凈寬，m，多孔時為各孔凈寬之和；為單孔寬度，m；為閘孔數(shù)目；為計入行近流速水頭的堰上總水頭，m；為重力加速度，m/s；為二維水流WES實用堰流量系數(shù)；為上游堰坡影響修正系數(shù)；為閘墩側(cè)收縮系數(shù)；為中墩形狀系數(shù)；ζ為邊墩形狀系數(shù)；σ為淹沒系數(shù)。

系統(tǒng)運行結(jié)果如圖2所示。

圖2 開敞型WES實用堰泄流能力計算

3.2 帶胸墻孔口實用堰泄流能力

本模塊主要功能是實現(xiàn)帶胸墻孔口實用堰泄流能力的自動計算，該模塊能夠完基本數(shù)據(jù)的輸入、計算和計算結(jié)果的保存等任務(wù)。用戶只需完成窗口中孔口凈寬和孔口高度的輸入算出孔口面積，即可進行計算。

（1）帶胸墻孔口實用堰泄流能力計算公式如下：

式中：為孔口面積，m；為孔口總凈寬，m；為孔口高度，m；為孔口自由出流流量系數(shù)，（當(dāng)>0.6，=2～3 時，=0.70～0.80；當(dāng)>0.6，=1.5～2.0 時，=0.60～0.70；其中為堰上水頭，m）

系統(tǒng)運行結(jié)果如圖3所示。

圖3 帶胸墻孔口實用堰泄流能力

（2）帶胸墻孔口式平底閘泄流能力計算公式如下。

式中：為流量系數(shù)，對于圓滑孔口，可取=0.9。

系統(tǒng)運行結(jié)果如圖4所示。

圖4 平底閘泄流能力計算

3.3 寬頂堰閘門全開非淹沒出流時的泄流能力

本模塊用于實現(xiàn)寬頂堰閘門全開非淹沒出流時的泄流能力的自動計算，只需用戶輸入所需的數(shù)據(jù)參數(shù)，程序便可自動計算，以圖像的形式直觀的表示出流量與水位的關(guān)系，并且可以生成表格保存，在輸入的過程中要注意流量系數(shù)的選取，計算公式如下：

3.3.1 泄流能力按如下公式計算

式中：為二元水流寬頂堰流量系數(shù)；為閘墩側(cè)收縮系數(shù)。

3.3.2 側(cè)收縮系數(shù)按如下公式計算

（1）對單孔寬頂堰

式中：為堰上游引水渠的寬度；為堰孔寬度；為閘墩形狀影響系數(shù)，矩形取0.19，圓弧取0.10。

系統(tǒng)運行結(jié)果如圖5所示。

圖5 單孔寬頂堰的泄流能力計算

（2）對多空寬頂堰

式中：為孔數(shù)；為各孔凈寬；為中敦厚寬；Δ為邊墩邊緣至引水渠水邊線的距離。

系統(tǒng)運行結(jié)果如圖6所示。

圖6 多孔寬頂堰的泄流能力計算

3.4 駝峰堰泄流能力

本模塊用于駝峰堰泄流能力的自動計算，只需用戶輸入所需的數(shù)據(jù)參數(shù)孔口總凈寬，堰上總水頭，程序便可自動計算，以圖像的形式直觀的表示出流量與水位的關(guān)系，并且可以生成表格保存，注意計算過程中區(qū)分不同的堰型，計算公式如下：

其中流量系數(shù)按下列公式計算：

（1）對于型：

系統(tǒng)運行結(jié)果如圖7所示。

圖7 駝峰堰b型泄流能力計算

（2）對于b型：

系統(tǒng)運行結(jié)果如圖8所示。

圖8 駝峰堰a型泄流能力計算

4 結(jié)語

本項目基于泄流能力的理論，使用Matlab等技術(shù)和工具，開發(fā)的一個溢洪道泄流能力計算系統(tǒng)。該系統(tǒng)研究泄流的基本理論，參照中華人命共和國水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（SL 253-2018）中的溢洪道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，以Matlab 為開發(fā)平臺，設(shè)計合適的人機交互界面，實現(xiàn)溢洪道的泄流能力的計算過程及顯示。該系統(tǒng)的開發(fā)綜合了計算機、數(shù)學(xué)及水利學(xué)等相關(guān)知識。此系統(tǒng)可以計算各種堰型的泄流能力，操作簡便易上手，計算結(jié)果也很準(zhǔn)確。該項目的研究可以為水利行業(yè)提供一套標(biāo)準(zhǔn)的計算分析軟件，具有良好的實用價值。