抛物线形复合断面渠道的水力计算与优化研究

摘要

农业灌溉用水在水资源使用中所占的比重最大，同时，我国的基本国情决定了现在及今后很长时间农业灌溉主要采用渠道输水形式，因此进行渠道水力计算和优化是提高输水效率的重要途径之一。渠道是农田水利工程中的重要组成部分，渠道的设计与施工直接影响到整个农田水利工程的投资与运行效果。渠道的断面形式多种多样，合理的选择渠道断面形式不仅可以有效地提高输水效率，减少渠道的冻胀破坏，还能节约土地，减少施工费用。抛物线形渠道作为一种新型断面渠道，因其良好的水力性能和抗冻胀性在我国北方地区得到了应用。但是，抛物线形渠道由于其断面特点，无论是采用水力最佳断面还是实用经济断面设计其宽深比都过大，因此只能适用于小型渠道。本文在抛物线形渠道研究及应用的基础上，提出了一种适用于大中型渠道的抛物线形复合断面渠道，并推导出了抛物线形复合断面渠道的水力最佳断面和实用经济断面的计算公式，进行了抛物线形复合断面渠道优化及参数分析研究。主要研究成果如下： （1）提出了一种适用于大中型渠道的平方抛物线渠坡、水平渠底的复合断面渠道，推导出了抛物线形复合断面渠道水力要素计算公式，并以水深、水面宽度和水平渠底宽度为变量，利用拉格朗日乘数法建立求最优解的迭代方程，借助Mathcad数学软件进行计算，推导出了抛物线复合渠道水力最佳断面情况下水深、水面宽度、过水断面面积和湿周的计算公式以及流量和水深的关系式。 （2）针对抛物线形复合断面渠道水力最佳断面的宽深比较小、施工投资较大等问题，在水力最佳断面的基础上，通过数据拟合的方式，得到了求最佳H/H0值所对应的抛物线水面宽和水深比η=1.660，推导出了抛物线形复合断面渠道实用经济断面的计算公式，并提出了详细的计算步骤。 （3）建立了考虑安全超高的挖方、填方、半挖方半填方3种抛物线形复合断面渠道的数学模型，以土方开挖费用、土方填方费用以及混凝土衬砌费用之和最小为目标函数，全面覆盖了抛物线形复合断面渠道的各种断面形式和施工费用；同时，为了避免漏掉最优解，采用混合蛙跳算法，将局部搜索与全局搜索结合起来运用MATLAB在全局空间下搜索得到最优解。同时，将参数变化范围内的目标函数用MATLAB三维彩虹图表示，对影响抛物线形复合断面渠道施工费用的各个断面参数进行敏感度分析。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究目的及意义

1.2 国内外研究概况

1.2.1 国内外渠道衬砌与防渗技术研究概况

1.2.2 国内外衬砌渠道水力计算研究概况

1.2.3 国内外衬砌渠道优化研究概况

1.3存在的问题

1.4.1 研究内容

1.4.2技术路线

1.5本章小结

第二章 抛物线形复合断面渠道断面参数计算

2.1.1抛物线形渠道的特点

2.1.2抛物线形渠道的断面参数计算

2.2抛物线形渠道的水力计算

2.2.1抛物线形渠道的水力最佳断面

2.2.2抛物线形渠道的实用经济断面

2.2.3抛物线形渠道水力最优断面和实用经济断面的宽深比

2.3抛物线形复合断面渠道的特点

2.4抛物线形复合断面渠道参数计算

2.5本章小结

第三章 抛物线形复合断面渠道水力最佳断面计算方法

3.1.1抛物线形复合断面水力参数关系式

3.1.2水力最佳断面公式推求

3.1.3最佳宽深比的计算

3.2.1拉格朗日数乘法推导水力参数关系式

3.2.2求解水力最佳断面的水力参数

3.3 实例计算与分析

3.4 本章小结

第四章 抛物线形复合断面渠道实用经济断面计算方法

4.1抛物线形复合渠道实用经济断面的计算公式

4.1.1 实用经济断面水深与水力最佳断面水深之比H/H0

4.1.2 H/H0计算公式的拟合

4.2抛物线形复合断面渠道实用经济断面计算步骤

4.3.1实例计算

4.3.2对比分析

4.4本章小结

第五章 抛物线形复合断面渠道优化研究

5.1.1建立目标函数

5.1.2建立罚函数

5.1.3建立适应度函数

5.2混合蛙跳算法

5.2.1混合蛙跳算法产生的过程

5.2.2混合蛙跳算法基本原理

5.2.3混合蛙跳算法基本概念

5.2.4混合蛙跳算法步骤

5.3.1实例计算

5.3.2对比分析

5.4算法比较与敏感度分析

5.4.1算法比较

5.4.2敏感度分析

5.5本章小结

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2创新点

6.3展望

附录

参考文献

致谢

个人简历