一种气盾坝流量系数及流量的计算方法

摘要

本发明提出了一种确定气盾坝流量系数及流量的方法，用于解决目前利用宽顶堰或薄壁堰流量系数公式及流量公式计算气盾坝流量不准确，导致防洪措施不利和水资源利用率低的技术问题。其步骤为：首先，根据伯努利方程，得出气盾坝单宽流量与水头关系式；其次，测试12种工况无侧收缩气盾坝的水头和单宽流量数值；然后，利用excel数据分析，确定气盾坝各开度单宽流量与水头关系式；并据此关系式与无侧收缩自由出流堰流单宽流量公式比较，得出气盾坝各开度对应流量系数；最后，根据流量系数计算气盾坝泄流量，根据单宽流量与水头关系式，确定无侧收缩气盾坝流量。本发明结果准确、便捷易行，解决了气盾坝流量计算结果与实际泄流相差较大的难题。

说明书

技术领域

本发明涉及水力学与水工模型试验技术领域，特别是指一种气盾坝流量系数及流量的计算方法。

背景技术

气盾坝是综合橡胶坝、钢板坝二者之长的新型水工建筑物。该坝吸收了传统活动坝型之精华，摒弃了传统活动坝型之不足，具有结构简单，建设、安装周期短，防洪渡汛能力突出，运行安全可靠，过水能力和运行状态持续可控，具有更强的清污、排淤能力，充排时间短，运行管理简单，使用寿命超长，综合效益高，坝顶溢流十分美观，景观效果佳等特点。该新型坝型具有传统水利泄流挡水特点，又有生态水利景观环保优势，近些年逐渐被广泛适用于各种水文情况复杂的河道和美化城市建设的河道。

在打造美丽乡村、建设智慧城市时，河道上往往建设若干道气盾坝，形成气盾坝群，坝群间往往需要联合调度，从河道防洪、水资源高效利用、水环境保护等方面，需要科学决策每道坝运行方式，提升对自然灾害、突发事件的应急决策能力，提高现代水利精细化管理水平，推动智慧水利建设。

科学决策气盾坝运行方式最基础重要工作就是需要准确计算气盾坝过流能力。目前，气盾坝虽然应用越来越广，但国内外对此方面没有进行深入研究，在气盾坝设计阶段，设计单位往往简单按照卧门挡水时宽顶堰流计算流量，立门泄流时薄壁堰流计算流量，而且只粗略进行了两种极端运行情况泄流量计算，不同开度泄流如何计算泄流量没有进行深入研究；在运行管理阶段，管理人员基本都不清楚气盾坝泄流量大小，更不能准确进行坝群间联合调度；

气盾坝从泄流特点来说属于堰，但气盾坝运行开度不同其水流现象和建筑物型式不同，泄流过程中，由于开度变化，重力作用与坝顶托作用在变化，导致堰型在动态变化，气盾坝泄流既不完全属于典型的薄壁堰、实用堰，也不完全属于宽顶堰，计算过流能力时不同堰流计算公式框架相同，但不同堰型流量系数确定方法及大小不同，而流量系数是影响过流能力关键因素。目前立门泄流时无论单一按薄壁堰流、实用堰流或宽顶堰流计算，都与实际泄流不相符，按传统哪种堰型确定的流量系数都不准确，都会导致计算流量不准确，甚至计算结果错误，从而影响防洪和水资源高效利用，影响坝群科学调度和现代水利精细化管理。

发明内容

针对现有堰型流量计算不准确，导致防洪措施和水资源的利用率低的技术问题，本发明提出了一种气盾坝流量系数及流量的计算方法，提供了气盾坝不同开度的流量系数及不同开度、不同水头与单宽流量关系，解决了设计阶段如何准确计算泄流量，运行阶段如何便利确定泄流量，并为多坝联合运行、高效环保、智能运行水利工程提供技术支撑。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种气盾坝流量系数及流量的计算方法，其步骤如下：

步骤一、以气盾坝顶水平面为基准面，根据坝前过水断面和坝顶过水断面列伯努利方程，并根据伯努利方程得出单宽流量与坝前水头关系式q＝αH

步骤二、测试12种不同工况下无侧收缩气盾坝的水头和单宽流量的试验数值；

步骤三、利用excel中误差最小及点群分布趋势对水头和单宽流量的试验数值进行分析，确定气盾坝不同开度下的系数参数α和指数参数β，进而确定气盾坝不同开度下单宽流量与水头关系式；

步骤四、根据无侧收缩自由出流堰流单宽流量公式

步骤五、根据气盾坝不同开度对应的流量系数的最大值、最小值和均值绘制不同开度与流量系数的关系曲线；

步骤六、在工程设计阶段，根据不同开度与流量系数的关系曲线，确定不同开度κ对应的流量系数，并将流量系数代入堰流公式计算开度κ对应的流量。

所述根据伯努利方程得出的单宽流量与坝前水头关系式q＝αH

S11、以气盾坝顶水平面为基准面，根据坝前过水断面和坝顶过水断面列伯努利方程：

其中，v

S12、v

S13、令kH

其中，k为系数，n为指数；

S14、令系数参数

所述气盾坝不同开度下的系数参数α、指数参数β和不同开度下的单宽流量与水头关系式见表1：

表1气盾坝不同开度中系数参数α、指数参数β及单宽流量与水头关系式

所述气盾坝不同开度对应的流量系数的最大值、最小值和均值见表2：

表2气盾坝不同开度对应的流量系数的最大值、最小值和均值

所述将开度κ对应的流量系数代入堰流公式中计算开度κ对应的流量的方法为：

S61、当开度κ小于15°时，根据堰流公式

S62、当开度κ大于等于15°时，根据堰流公式

所述宽顶堰单孔侧收缩系数公式为：

所述WES实用堰侧收缩系数公式为：

本技术方案能产生的有益效果：

(1)本发明确定不同开度流量系数，填补了气盾坝流量计算流量系数随意确定不准确问题，不同开度流量系数确定，保证工程设计规划阶段计算成果准确性可靠性。

(2)本发明确定了堰上水头与单宽流量的曲线和关系式，在工程运行阶段，对管理人员要求低，方便易行，通过关系式即可确定对应开度泄流量，通过曲线可以查任意开度泄流量，便利管理部门对坝群联合调度、有效管理、科学决策，避免水资源浪费和洪水灾害发生，还能保证坝健康安全运行，为持续不断提升城市景观增添光彩。

(3)堰上水头与单宽流量的曲线和关系式简单便利易行，精度满足工程要求，设计阶段，利用单宽流量与坝前水头关系式计算流量与通过流量系数实验结果按水力学堰流公式计算结果误差最大不超过5％；在工程运行阶段，利用单宽流量与坝前水头关系式计算流量与按工程量测计算结果比较，误差不超过10％，因此，本发明方法结果准确、方便易行，解决了气盾坝流量计算，长期流量系数无法确定导致流量计算结果与实际泄流相差较大的难题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的坝前水头H示意图。

图2为本发明的流程图。

图3为本发明的不同开度下堰上水头与单宽流量关系曲线图，图中，“1”对应开度5°水头H(m)与单宽流量q(m

图4为本发明的不同开度与流量系数关系曲线图，图中，“大”表示流量系数最大值对应的曲线，“平均”表示流量系数平均对应的曲线，“小”表示流量系数最小值对应的曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图2所示，本发明实施例提供了一种气盾坝流量系数及流量的计算方法，具体步骤如下：

步骤一、如图1所示，以气盾坝顶水平面为基准面，坝前过水断面和坝顶断面分别为1-1过水断面和2-2过水断面，根据两过水断面列伯努利方程，并根据伯努利方程得出坝顶过水断面(2-2断面)的单宽流量与坝前水头关系式q＝αH

所述根据伯努利方程得出坝顶过水断面(2-2断面)的单宽流量与坝前水头关系式q＝αH

S11、以气盾坝顶水平面为基准面，根据两过水断面列伯努利方程：

其中，v

S12、v

S13、令kH

其中，k为系数，n为指数；

S14、令系数参数

步骤二、通过实际工程气盾坝相关参数，满足几何相似、运动相似、动力相似，制作气盾坝水工模型，进行模型试验调试；测试12种不同工况下无侧收缩气盾坝的水头和单宽流量的数值；12种不同工况见表1：

表1模型的12种试验工况

表1中的“○”表示未做试验工况，“*”表示已做试验工况。

步骤三、利用excel中误差最小及点群分布趋势对坝前水头和单宽流量的数值进行分析，确定气盾坝不同开度下单宽流量与坝前水头关系式及对应的系数参数ɑ和指数参数β，如表2所示；具体实施是利用excel图标元素分析功能，对不同指数、对数、幂、线性等几种趋势线选项图形进行分析，设定误差百分比为1％，通过选用趋势线，选择合适的函数形式使线性保持在误差范围内，根据选择线性对应的回归公式，确定单宽流量与水头关系式及气盾坝不同开度下系数参数ɑ和指数参数β；如图3所示，绘制了不同开度下，坝前水头与单宽流量关系曲线。例：开度45度时，根据试验数据(坝前水头与单宽流量)绘制散点图，然后在excel图标元素分析中设定误差百分比为1％，通过选用不同的趋势线，当选用幂趋势线时，点群都在误差范围内，其对应公式为q＝2.44，H＝1.51，从而确定参数ɑ为2.44，参数β为1.51。

表2气盾坝不同开度中系数参数ɑ、指数参数β及单宽流量与水头关系式

步骤四、根据无侧收缩自由出流堰流单宽流量公式

表3气盾坝不同开度对应的流量系数的最大值、最小值和均值

例如：开度50°时，单宽流量与坝前水头关系式为q＝2.21H

表4开度50°时不同水头及单宽流量计算的流量系数

步骤五、根据气盾坝不同开度对应的流量系数的最大值、最小值和均值绘制不同开度与流量系数的关系曲线，如图4所示。

步骤六、根据不同开度与流量系数的关系曲线计算开度κ对应的流量系数，并将开度κ对应的流量系数代入堰流公式中计算开度κ对应的流量。

S61、当开度κ小于15°时，根据堰流公式

所述宽顶堰单孔侧收缩系数公式为：

S62、当开度κ大于等于15°时，根据堰流公式

所述WES实用堰侧收缩系数公式为：

实验1：西藏某河规划设计修建气盾坝，需要通过计算流量准确合理设计坝的运行方式，盾板弦长L＝4.014m，单孔净宽b＝49m，共计3孔，立坝泄流时为自由出流，根据WES实用堰计算侧收缩系数，按照表2取流量系数平均值进行流量计算，流量计算见下表(单位：m

表5西藏某河规划的气盾坝的流量

工程调度阶段实例，为避免查图4不便，根据表2中不同开度流量系数范围，可计算流量最大值和最小值，为坝群联合调度给出最不利和最安全的流量。

工程运行阶段实例，图1中o点定为高程零点，在距坝上游3-4m处岸边布设水尺，测出水尺零点高程▽

实验2：某气盾坝，坝高3.6m，单孔净宽b＝5m，自由出流，无侧向收缩，立坝泄流开度50时，实验量测流量与按表2公式计算流量及以前粗略简单按照薄壁堰或实用堰或宽顶堰计算流量进行对比，见下表6。

表6本发明提出的流量公式与薄壁堰、驼峰实用堰、宽顶堰的流量公式的计算结果对比

流量实测结果与本发明流量公式计算结果和薄壁堰、驼峰实用堰、宽顶堰流量公式计算结果误差见下表。本发明提出的流量公式计算流量准确便利。

表7本发明的流量公式和薄壁堰、驼峰实用堰、宽顶堰的流量公式计算结果误差对比

实验表明，气盾坝卧门泄水可近似按宽顶堰流流量系数及流量公式，确定流量系数，计算流量，当立门挡水时，不同开度流量系数变化很大，开度小于15度时泄流接近宽顶堰，但又比宽顶堰流量系数大10％左右，开度15度及以上泄流时，可认为比一般实用堰流量系数大的实用堰流泄流，而不是以前简单认为的薄壁堰流泄流。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。