利用FORTRAN編程進行水閘泄流計算應(yīng)用

王鋒

（中國水電顧問集團成都院，成都 610072）

FORTRAN語言中文叫公式翻譯(FORmula T RANslation)語言,是IBM公司發(fā)明的最早的計算機高級語言。從20世紀(jì)70年代末起,FORT RAN語言用于PC計算機。Fortran語言是一門適合科學(xué)計算和工程分析的程序設(shè)計語言[1]，盡管其歷史悠久，仍可利用它解決工程計算中遇到的繁瑣問題。

1 工程概況

某工程是一座以航運、發(fā)電為主，兼具灌溉和旅游等綜合效益的一等樞紐工程，樞紐建筑物主要由船閘、泄洪閘、沖砂閘、河床式電站廠房等組成，有效庫容23.92億m3，設(shè)計洪水重現(xiàn)期500年一遇、校核洪水重現(xiàn)期2000年一遇，相應(yīng)的洪峰流量分別為59700 m3/s、67100 m3/s。5孔沖沙閘單孔凈寬16m，總凈寬80m，最大閘高55m，均采用寬頂堰，堰頂高程178.00，沖沙閘采用閘室分縫分離式結(jié)構(gòu)，中閘墩厚度為4.2m，左側(cè)邊閘墩厚度3.6m，右側(cè)邊墩與施工縱向圍堰結(jié)合左邊墻（厚7m）結(jié)合。沖沙閘右側(cè)是與施工縱向圍堰結(jié)合的1孔泄洪閘，泄水孔口寬度為13m，為寬頂堰，堰頂高程183.00m，最大閘高55m。圍堰改建泄洪閘右側(cè)布置15孔泄洪閘，單寬13m，孔口總凈寬為195m，均為寬頂堰堰，堰頂頂高程181.00m，最大閘高63.5m，采用閘室分縫分離式結(jié)構(gòu)，中墩厚度為3.8m，右側(cè)邊墩厚度為3.0m，左側(cè)邊墩與施工縱向圍堰結(jié)合左邊墻 （厚5m）結(jié)合。

2 應(yīng)用程序設(shè)計進行泄流計算

2.1 泄流計算公式

該工程泄流計算具有流量大 （校核洪水=67100 m3/s）、堰頂水深深 （40m左右）、淹沒度大、閘孔數(shù)多且堰頂高程不同 （3個高程）的特點。泄流計算時，尤其是高水位計算時，淹沒度大，淹沒系數(shù)未知，需要試算求解，而不同堰頂高程對應(yīng)的上下游水深不同，淹沒系數(shù)不同，這更加大了手工試算的難度和工作量。現(xiàn)有泄流計算程序，大多都是針對單一堰頂高程編寫，本工程不能適用，因此，采用FORTRAN編寫一段小程序來解決繁瑣的手工計算問題。

計算采用 《水力學(xué)》[2]中的寬頂堰流的計算公式

式中σs為淹沒系數(shù)，查表內(nèi)插求得，ε1為側(cè)收縮系數(shù)，m為流量系數(shù)，n為閘孔數(shù)，b′為閘孔凈寬，g為重力加速度，H為堰頂水頭。

2.2 程序設(shè)計

泄流計算公式簡單，單一堰頂高程高淹沒度下的試算也并不復(fù)雜，但3個不同堰頂高程的聯(lián)合泄流試算則因為步驟繁瑣而工作量偏大，這恰好是“程序”最擅長的工作。通過簡單分解，將計算拆分成幾個簡單的“函數(shù)”，最后通過主程序調(diào)用各“函數(shù)”計算結(jié)果，即可完成一次計算；調(diào)整變量（下游水位）后，重復(fù)上述過程，得出新的結(jié)果。前后兩次計算結(jié)果差值滿足精度要求時，試算完成，進行下一水位試算。計算時，需要輸入的數(shù)據(jù)是閘址下游護坦處的“水位～流量”關(guān)系曲線，試算以下游水位為變量，聯(lián)合泄流總量為計算結(jié)果。程序流程簡圖見下圖2：

計算中需要輸入、輸出的數(shù)據(jù)均采用dat文件，包括下游水位～流量關(guān)系曲線和淹沒系數(shù)表，輸出文件為opt.dat。除主程序采用寬頂堰堰流公式外，下游水位插值和淹沒系數(shù)插值都為插值運算， 分別對應(yīng)子函數(shù) f1（x）、 f2（x）， 行進流速子函數(shù)f3（x）根據(jù)上游河床斷面和上游水位求解。

本計算以堰頂最低的沖沙閘堰頂水頭HS=6m始計算至HS=45m，水位間隔1m。每個水位計算時，上游水位HS確定，假設(shè)下游水位為Hx=0.8HS（淹沒系數(shù)=1），算出樞紐聯(lián)合泄流總量Q1；根據(jù)Q1通過下游水位插值函數(shù)f1（x）得出對應(yīng)下游水位Hx1；又由Hx1通過淹沒系數(shù)插值函數(shù)f2（x），得出沖沙閘、圍堰改閘、泄洪閘各自對應(yīng)的淹沒系數(shù)σs1、σs2、σs3；將算出的淹沒系數(shù)帶入主程序得出新的泄流總量Q2；試算循環(huán)控制根據(jù)前后兩次計算出的總泄流量差值ΔQ=│Q1-Q2│為控制條件，當(dāng)ΔQ＜1m3/s時，試算結(jié)束，進行下一水位試算。

3 應(yīng)用實例及驗證

根據(jù)水位～流量關(guān)系和淹沒系數(shù)表建立輸入文件 swll.dat和 ymxs.dat，輸入入口形狀系數(shù)0.1，運行程序得出泄流計算成果，見表1，表中列出了樞紐閘門全部開啟自由出流時，沖沙閘、圍堰改閘和泄洪閘在上游水位為184m～222m（間隔1m）時的泄流參數(shù)，包括行進水頭、淹沒系數(shù)、下游水位以及各閘段的泄流總量。

圖2 泄流計算程序流程簡圖

表1 泄流計算成果表

隨機抽取一個上游水位216m為例，將沖沙閘、圍堰改閘、泄洪閘對應(yīng)側(cè)收縮系數(shù)ε1、淹沒系數(shù)σs和流量系數(shù)m代入公式 （1），經(jīng)驗證，總泄量Q為57339.83 m3/s，程序計算結(jié)果準(zhǔn)確。

根據(jù)表1的計算成果，作出本工程的水位-流量曲線見圖3。圖中上、下兩條曲線分別為樞紐上、下游水位-流量曲線，兩曲線基本平行，上、下游水位差不大。

5 主要結(jié)論

現(xiàn)有通用計算程序有時不能滿足特殊工程計算需求，當(dāng)面對復(fù)雜的計算時，通過編寫小程序進行計算可提高工作效率。類似本工程泄流計算具有高淹沒、大流量、多堰高的特點，現(xiàn)有泄流計算程序，大多都是針對單一堰頂高程編寫，本工程不能適用。由于涉及3組堰頂高程淹沒系數(shù)的試算，手工計算繁瑣。通過利用Fortran編寫小程序進行計算，大大提高計算速度，也為其他類似工程計算積累了經(jīng)驗。

[1]彭國倫.Fort ran 95程序設(shè)計 [M].北京:中國電力出版社,2002.

[2]成都科技大學(xué)水力學(xué)教研室 吳持恭.水力學(xué) [M].北京:高等教育出版社,1995.

[3]中華人民共和國水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SL265—2001,水閘設(shè)計規(guī)范[S].