梯級(jí)橡膠壩塌壩泄流計(jì)算仿真系統(tǒng)

張慶華,刁艷芳,程傳民,劉 巍

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院,山東泰安 271018;2.泰安市水利勘察設(shè)計(jì)研究院,山東泰安 271000)

梯級(jí)橡膠壩塌壩泄流計(jì)算仿真系統(tǒng)

張慶華1,刁艷芳1,程傳民2,劉 巍2

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院,山東泰安 271018;2.泰安市水利勘察設(shè)計(jì)研究院,山東泰安 271000)

針對(duì)梯級(jí)橡膠壩塌壩泄流計(jì)算過程比較復(fù)雜、煩瑣的問題,利用VFP語言編制了梯級(jí)橡膠壩塌壩泄流計(jì)算仿真系統(tǒng)。計(jì)算結(jié)果表明:在輸入橡膠壩的壩高、凈寬、側(cè)收縮系數(shù)、塌壩時(shí)間等參數(shù)的基礎(chǔ)上,該仿真系統(tǒng)能精確、快速地推算梯級(jí)橡膠壩不同塌壩方案的塌壩泄流過程和最大泄流量,從而能夠盡早預(yù)測塌壩產(chǎn)生的“人造洪峰”,對(duì)于橡膠壩工程的設(shè)計(jì)和梯級(jí)橡膠壩汛期控制運(yùn)用方案的編制具有一定的參考意義。

梯級(jí)橡膠壩;塌壩泄流過程;塌壩最大泄流量;塌壩時(shí)間;堰上水頭;仿真系統(tǒng)

1957年世界上首座橡膠壩在美國誕生,此后橡膠壩在我國和世界上許多國家得到了廣泛應(yīng)用。隨著同一河道上橡膠壩建設(shè)數(shù)量的增多,出現(xiàn)了梯級(jí)橡膠壩,從而汛期控制運(yùn)用問題越來越突出。實(shí)踐證明,在橡膠壩大量蓄水情況下,不合理的橡膠壩塌壩方案易造成河道“人造洪峰”現(xiàn)象,危及河道安全。因此,研究制訂科學(xué)合理的橡膠壩汛期控制運(yùn)行方案,對(duì)工程及下游河道安全度汛至關(guān)重要。

目前橡膠壩的運(yùn)行調(diào)度是研究的難點(diǎn)問題之一,得到越來越多的專家、學(xué)者的重視。例如Kahl等[1-3]對(duì)橡膠壩運(yùn)行參數(shù)的自動(dòng)觀測與自動(dòng)化控制進(jìn)行了研究;田忠祿[4]通過對(duì)具有決策支持系統(tǒng)的樞紐橡膠壩安全運(yùn)行管理自動(dòng)化系統(tǒng)的研究,提出了利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)建立橡膠壩安全運(yùn)行管理自動(dòng)化系統(tǒng);Zhang等[5-6]提出了橡膠壩建設(shè)、運(yùn)行和維護(hù)各個(gè)階段存在的問題及解決方法;徐智廷等[7]探討了梯級(jí)橡膠壩汛期調(diào)度運(yùn)用,提出了橡膠壩汛期調(diào)度運(yùn)用應(yīng)遵循的原則;李風(fēng)增[8]通過對(duì)膠南市風(fēng)河梯級(jí)橡膠壩綜合管理與運(yùn)用的研究,提出了橡膠壩運(yùn)行控制辦法;吳軍華等[9]通過對(duì)安陽市洹河梯級(jí)橡膠壩聯(lián)合運(yùn)行探討,提出了洹河梯級(jí)橡膠壩聯(lián)合運(yùn)行的要求和應(yīng)注意的問題;張世功等[10]針對(duì)2009年7月沂河兩次暴雨洪水過程,分析了沂河梯級(jí)橡膠壩調(diào)度運(yùn)用對(duì)河道洪水的影響;溫會(huì)軍[11]對(duì)遼河干流11座橡膠壩工程的聯(lián)合調(diào)度方案編制進(jìn)行了探討,分析了橡膠壩聯(lián)合調(diào)度的主要問題及技術(shù)難點(diǎn)。

在橡膠壩汛期控制運(yùn)用方案編制中,塌壩方案是主要內(nèi)容之一,即確定橡膠壩何時(shí)塌壩以及塌壩時(shí)間。而編制橡膠壩塌壩方案必須知道橡膠壩塌壩形成的泄流過程和塌壩產(chǎn)生的最大泄流量,這些問題屬于橡膠壩水力計(jì)算領(lǐng)域。在20世紀(jì)90年代中期以前,許多專家、學(xué)者開展了橡膠壩溢流等水力學(xué)問題的試驗(yàn)研究,提出了橡膠壩擋水、完全塌壩后泄流量的計(jì)算方法,如1987年陳瑞[12]通過模型試驗(yàn)對(duì)橡膠壩溢流的流量系數(shù)進(jìn)行了研究;1996年苑希民等[13]對(duì)溢流橡膠壩的泄流特性進(jìn)行了模型試驗(yàn); 2011年Zhang等[14]對(duì)橡膠壩塌壩泄流進(jìn)行了研究,提出了橡膠壩連續(xù)塌壩泄流過程計(jì)算方法。

梯級(jí)橡膠壩塌壩泄流計(jì)算一般采用逐時(shí)段演進(jìn)方法[14],是一個(gè)復(fù)雜而又煩瑣的過程,計(jì)算工作量大、耗時(shí)多,若用人工計(jì)算困難大。本文利用VFP語言,編制梯級(jí)橡膠壩塌壩泄流計(jì)算仿真系統(tǒng),可計(jì)算單級(jí)或梯級(jí)橡膠壩塌壩泄流過程線,同時(shí)計(jì)算塌壩產(chǎn)生的最大泄流量等數(shù)據(jù),為橡膠壩工程設(shè)計(jì)、編制橡膠壩汛期控制運(yùn)用方案提供依據(jù)。

1 梯級(jí)橡膠壩塌壩泄流計(jì)算原理

1.1 單級(jí)橡膠壩

橡膠壩塌壩泄流可按堰流公式計(jì)算。由于橡膠壩塌壩是一個(gè)連續(xù)的過程,堰流公式中的流量系數(shù)及堰上水頭隨塌壩時(shí)間而發(fā)生變化,橡膠壩塌壩后某時(shí)刻的泄流量為

式中:Q為某時(shí)刻橡膠壩的泄流量,m3/s;ε為側(cè)收縮系數(shù);σ為淹沒系數(shù);m為流量系數(shù);B為橡膠壩過流斷面凈寬,m;g為重力加速度,m/s2;H0為某時(shí)刻堰上水頭,m。

根據(jù)文獻(xiàn)[4],本文計(jì)算H0的公式為

式中:H水為某時(shí)刻橡膠壩上游水深,即水庫水深,m; H壩為某時(shí)刻橡膠壩的高度,m;v為某時(shí)刻橡膠壩上游水流行近流速,m/s;α為動(dòng)能修正系數(shù)。

用式(1)(2)計(jì)算橡膠壩塌壩泄流量一般采用逐時(shí)段演進(jìn)方法,具體計(jì)算過程為:首先選定計(jì)算時(shí)段長Δt、壩袋塌落時(shí)間等基本參數(shù),然后從第一時(shí)段開始,逐時(shí)段計(jì)算壩袋塌落后壩的高度、壩上游蓄水庫容、水庫水深、堰上水頭、橡膠壩泄流量。

1.2 梯級(jí)橡膠壩

圖1為由n個(gè)橡膠壩組成的梯級(jí)橡膠壩(圖中Lk、Hk、Vk分別為第k級(jí)橡膠壩的蓄水長度、壩的高度、蓄水庫容;Lk-1,k為上級(jí)橡膠壩至下級(jí)橡膠壩設(shè)計(jì)水面之間的距離)。當(dāng)上級(jí)橡膠壩泄流時(shí),對(duì)下級(jí)橡膠壩泄流產(chǎn)生影響,使下級(jí)橡膠壩泄流量加大,由于兩級(jí)橡膠壩之間有一定距離(Lk-1,k),上級(jí)橡膠壩的泄流到達(dá)下級(jí)橡膠壩需要一定的時(shí)間,因此,上級(jí)橡膠壩的泄流量不能簡單地疊加到下級(jí)橡膠壩泄流量,其影響可通過上級(jí)橡膠壩泄流后增加下級(jí)橡膠壩庫容(蓄水量)的方法計(jì)算。

a.上下級(jí)橡膠壩間隔距離較短。當(dāng)上下級(jí)橡膠壩間隔距離較短時(shí)(如Lk-1,k=0),上級(jí)橡膠壩的泄流很快到達(dá)下級(jí)橡膠壩,此時(shí)可不考慮上級(jí)橡膠壩泄流到達(dá)下游的延續(xù)時(shí)間,第t時(shí)段壩上游蓄水庫容為

式中:Vt、Vt-1分別為第t、第t-1時(shí)段初壩上游蓄水庫容,m3;Qt-1、Qt-1,上分別為第t-1時(shí)段本級(jí)、上級(jí)橡膠壩泄流量,m3/s。

b.上下級(jí)橡膠壩間隔距離較長。當(dāng)上下級(jí)橡膠壩間隔距離較長時(shí),上級(jí)橡膠壩泄流到達(dá)下級(jí)橡膠壩有一定的延續(xù)時(shí)間T,由于橡膠壩塌壩泄流量是分時(shí)段進(jìn)行計(jì)算的,因此在仿真計(jì)算時(shí),延續(xù)時(shí)間T是通過計(jì)算延續(xù)的時(shí)段數(shù)K來反映上級(jí)橡膠壩泄流對(duì)下級(jí)橡膠壩的影響,第t時(shí)段壩上游蓄水庫容可按下式計(jì)算:

式中:Qt-K,上為第t-K時(shí)段上級(jí)橡膠壩泄水流量, m3/s;K為上級(jí)橡膠壩泄水達(dá)到下游延續(xù)的時(shí)段數(shù),(取整數(shù));T為上級(jí)橡膠壩泄水到達(dá)下游橡膠壩延續(xù)的時(shí)間,s。

2 梯級(jí)橡膠壩塌壩泄流計(jì)算仿真系統(tǒng)

圖1 梯級(jí)橡膠壩示意圖

橡膠壩塌壩泄流過程計(jì)算是一個(gè)復(fù)雜而又煩瑣的過程,因此利用前述梯級(jí)橡膠壩塌壩泄流計(jì)算基本原理,編制了基于VFP語言的橡膠壩塌壩泄流計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng),該系統(tǒng)可根據(jù)橡膠壩的壩長、壩高、河道坡度等參數(shù),以1s時(shí)段長模擬計(jì)算橡膠壩不同塌落時(shí)間形成的流量過程,從而找到最大泄流量。該系統(tǒng)可計(jì)算最大5級(jí)橡膠壩塌壩泄流過程。

2.1 數(shù)據(jù)輸入

系統(tǒng)主要輸入3類數(shù)據(jù):①各級(jí)橡膠壩基本數(shù)據(jù),包括橡膠壩名稱、級(jí)數(shù)、凈寬、側(cè)收縮系數(shù)、正常擋水高度、正常擋水蓄水量、上游河道寬度、上游河道比降等。②橡膠壩塌壩方案數(shù)據(jù),包括上級(jí)橡膠壩泄流到達(dá)本級(jí)橡膠壩的時(shí)間、橡膠壩開始塌壩時(shí)間、橡膠壩完全塌壩時(shí)間等。③對(duì)不規(guī)則河道,還應(yīng)輸入橡膠壩擋水高度與蓄水量關(guān)系表。

2.2 塌壩泄流計(jì)算

系統(tǒng)在已知塌壩方案的基礎(chǔ)上,能進(jìn)行各級(jí)橡膠壩塌壩過程泄流量計(jì)算和塌壩形成的最大泄流量統(tǒng)計(jì)。

a.塌壩泄流過程計(jì)算。基本數(shù)據(jù)輸入完成后,運(yùn)行“梯級(jí)橡膠壩泄流計(jì)算”子程序,系統(tǒng)自動(dòng)完成各級(jí)橡膠壩塌壩泄流過程計(jì)算。當(dāng)某級(jí)橡膠壩無基本數(shù)據(jù)時(shí),系統(tǒng)僅計(jì)算其上級(jí)橡膠壩泄流過程。

b.塌壩最大泄流量統(tǒng)計(jì)。梯級(jí)橡膠壩泄流過程計(jì)算完成后,運(yùn)行“橡膠壩泄流匯總”子程序,系統(tǒng)自動(dòng)完成各級(jí)橡膠壩塌壩產(chǎn)生的最大泄流量、發(fā)生時(shí)間、相應(yīng)壩高等計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)。

2.3 計(jì)算結(jié)果查詢

系統(tǒng)可查詢橡膠壩的基本參數(shù),如各級(jí)橡膠壩塌壩泄流過程,塌壩產(chǎn)生的最大泄流量及其發(fā)生時(shí)間、相應(yīng)壩高、堰上水頭等。

2.4 計(jì)算結(jié)果輸出

各級(jí)橡膠壩塌壩泄流過程計(jì)算結(jié)果以報(bào)表的形式輸出,包括橡膠壩運(yùn)行時(shí)間、壩高、壩前蓄水庫容、堰上水頭、泄流量等。

各級(jí)橡膠壩塌壩最大泄流量統(tǒng)計(jì)結(jié)果輸出內(nèi)容包括橡膠壩名稱、蓄水量、塌壩時(shí)間、上游泄流到達(dá)時(shí)間、最大泄流量及其發(fā)生時(shí)間、相應(yīng)壩高、堰上水頭等。

以上各種計(jì)算結(jié)果還可以Excel表的形式輸出,便于統(tǒng)計(jì)分析。

3 算例計(jì)算

某河道有三級(jí)梯級(jí)橡膠壩,河道為矩形斷面,寬100 m,底坡為1/1 000。一級(jí)橡膠壩(上游)壩高4.0 m,庫容80萬m3;二級(jí)橡膠壩壩高3 m,庫容45萬m3;三級(jí)橡膠壩(下游)壩高4.0m,庫容80萬m3。一級(jí)橡膠壩距離二級(jí)橡膠壩的設(shè)計(jì)水面距離為50 m,三級(jí)橡膠壩設(shè)計(jì)水面與二級(jí)橡膠壩壩底相接。

3.1 塌壩方案

梯級(jí)橡膠壩塌壩方案見表1,其中完全塌壩時(shí)間為橡膠壩自設(shè)計(jì)擋水高度全部塌落需要的時(shí)間,塌壩開始時(shí)間為自最下游三級(jí)橡膠壩塌壩開始起算的一、二級(jí)橡膠壩開始塌壩時(shí)間(或?yàn)闇髸r(shí)間)。

表1 橡膠壩塌壩方案

3.2 計(jì)算結(jié)果

啟動(dòng)橡膠壩塌壩泄流計(jì)算仿真系統(tǒng),輸入橡膠壩基本數(shù)據(jù)、塌壩方案等,然后運(yùn)行橡膠壩塌壩泄流計(jì)算子程序(本例計(jì)算時(shí)段為1 s),得到梯級(jí)橡膠壩塌壩泄流過程及最大泄流量計(jì)算結(jié)果,如圖2和表2所示。

圖2 梯級(jí)橡膠壩塌壩泄流過程線

表2 塌壩最大泄流量計(jì)算結(jié)果

從圖2可以清楚地看到梯級(jí)橡膠壩各塌壩方案的泄流過程及變化趨勢,從表2中還可看到各塌壩方案的塌壩最大泄流量及發(fā)生時(shí)間,可編制橡膠壩控制運(yùn)用方案提供依據(jù)。

4 結(jié) 語

本文梯級(jí)橡膠壩塌壩泄流計(jì)算仿真系統(tǒng)具有通用性強(qiáng)、人機(jī)交互功能好、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn),能精確、快速地推算梯級(jí)橡膠壩不同塌壩方案的塌壩泄流過程和最大泄流量,從而能夠盡早預(yù)測塌壩產(chǎn)生的“人造洪峰”,對(duì)于橡膠壩工程的設(shè)計(jì)和梯級(jí)橡膠壩汛期控制運(yùn)用方案的編制具有一定的實(shí)用參考意義。

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[14]ZHANG Qinghua,DIAO Yanfang.Cascade rubber dams fall discharge calculation and analysis[J].Canadian Journal of Civil Engineering,2011,38(8):957-962.

Cascade rubber dams fall discharge calculation simulation system//

ZHANG Qinghua1,DIAO Yanfang1,CHENG Chuanmin2,LIU Wei2
(1.Water Conservancy and Civil Engineering College,Shandong Agricultural University,Tai'an 271018,China;2.Water Survey and Design Institute in Tai'an,Tai'an 271000,China)

In order to solve complex problem of cascade rubber dams fall discharge calculation,the cascade rubber dams fall discharge calculation simulation system was customized adopting VFP programming language.The results show that when parameters such as dam height,dam width,lateral contraction coefficient and complete dam fall time are input into this system,the discharge processes of cascade rubber dams under different fall schemes are calculated rapidly and the maximum discharges can be obtained as soon as possible.This system can provide basis for rubber dams design and planning the flood control and use of cascade rubber dams schemes.

cascade rubber dams;fall discharge process;maximum discharge;fall time;weir head;simulation system

TV135

:A

:1006-7647(2014)04-0053-04

10.3880/j.issn.1006-7647.2014.04.011

2013-0701 編輯:周紅梅)

山東省重大水利科研與技術(shù)推廣項(xiàng)目(2012);水利部公益性行業(yè)專項(xiàng)(201201115)

張慶華(1960—),男,山東招遠(yuǎn)人,教授,碩士,主要從事水利工程建設(shè)與管理研究。E-mail:zqh@sdau.edu.cn