梯級橡膠壩塌壩泄流計算仿真系統

張慶華,刁艷芳,程傳民,劉 巍

(1.山東農業大學水利土木工程學院,山東泰安 271018;2.泰安市水利勘察設計研究院,山東泰安 271000)

梯級橡膠壩塌壩泄流計算仿真系統

張慶華1,刁艷芳1,程傳民2,劉 巍2

(1.山東農業大學水利土木工程學院,山東泰安 271018;2.泰安市水利勘察設計研究院,山東泰安 271000)

針對梯級橡膠壩塌壩泄流計算過程比較復雜、煩瑣的問題,利用VFP語言編制了梯級橡膠壩塌壩泄流計算仿真系統。計算結果表明:在輸入橡膠壩的壩高、凈寬、側收縮系數、塌壩時間等參數的基礎上,該仿真系統能精確、快速地推算梯級橡膠壩不同塌壩方案的塌壩泄流過程和最大泄流量,從而能夠盡早預測塌壩產生的“人造洪峰”,對于橡膠壩工程的設計和梯級橡膠壩汛期控制運用方案的編制具有一定的參考意義。

梯級橡膠壩;塌壩泄流過程;塌壩最大泄流量;塌壩時間;堰上水頭;仿真系統

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用。隨著同一河道上橡膠壩建設數量的增多,出現了梯級橡膠壩,從而汛期控制運用問題越來越突出。實踐證明,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”現象,危及河道安全。因此,研究制訂科學合理的橡膠壩汛期控制運行方案,對工程及下游河道安全度汛至關重要。

目前橡膠壩的運行調度是研究的難點問題之一,得到越來越多的專家、學者的重視。例如Kahl等[1-3]對橡膠壩運行參數的自動觀測與自動化控制進行了研究;田忠祿[4]通過對具有決策支持系統的樞紐橡膠壩安全運行管理自動化系統的研究,提出了利用現代計算機技術建立橡膠壩安全運行管理自動化系統;Zhang等[5-6]提出了橡膠壩建設、運行和維護各個階段存在的問題及解決方法;徐智廷等[7]探討了梯級橡膠壩汛期調度運用,提出了橡膠壩汛期調度運用應遵循的原則;李風增[8]通過對膠南市風河梯級橡膠壩綜合管理與運用的研究,提出了橡膠壩運行控制辦法;吳軍華等[9]通過對安陽市洹河梯級橡膠壩聯合運行探討,提出了洹河梯級橡膠壩聯合運行的要求和應注意的問題;張世功等[10]針對2009年7月沂河兩次暴雨洪水過程,分析了沂河梯級橡膠壩調度運用對河道洪水的影響;溫會軍[11]對遼河干流11座橡膠壩工程的聯合調度方案編制進行了探討,分析了橡膠壩聯合調度的主要問題及技術難點。

在橡膠壩汛期控制運用方案編制中,塌壩方案是主要內容之一,即確定橡膠壩何時塌壩以及塌壩時間。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生的最大泄流量,這些問題屬于橡膠壩水力計算領域。在20世紀90年代中期以前,許多專家、學者開展了橡膠壩溢流等水力學問題的試驗研究,提出了橡膠壩擋水、完全塌壩后泄流量的計算方法,如1987年陳瑞[12]通過模型試驗對橡膠壩溢流的流量系數進行了研究;1996年苑希民等[13]對溢流橡膠壩的泄流特性進行了模型試驗; 2011年Zhang等[14]對橡膠壩塌壩泄流進行了研究,提出了橡膠壩連續塌壩泄流過程計算方法。

梯級橡膠壩塌壩泄流計算一般采用逐時段演進方法[14],是一個復雜而又煩瑣的過程,計算工作量大、耗時多,若用人工計算困難大。本文利用VFP語言,編制梯級橡膠壩塌壩泄流計算仿真系統,可計算單級或梯級橡膠壩塌壩泄流過程線,同時計算塌壩產生的最大泄流量等數據,為橡膠壩工程設計、編制橡膠壩汛期控制運用方案提供依據。

1 梯級橡膠壩塌壩泄流計算原理

1.1 單級橡膠壩

橡膠壩塌壩泄流可按堰流公式計算。由于橡膠壩塌壩是一個連續的過程,堰流公式中的流量系數及堰上水頭隨塌壩時間而發生變化,橡膠壩塌壩后某時刻的泄流量為

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

根據文獻[4],本文計算H0的公式為

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

用式(1)(2)計算橡膠壩塌壩泄流量一般采用逐時段演進方法,具體計算過程為:首先選定計算時段長Δt、壩袋塌落時間等基本參數,然后從第一時段開始,逐時段計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 梯級橡膠壩

圖1為由n個橡膠壩組成的梯級橡膠壩(圖中Lk、Hk、Vk分別為第k級橡膠壩的蓄水長度、壩的高度、蓄水庫容;Lk-1,k為上級橡膠壩至下級橡膠壩設計水面之間的距離)。當上級橡膠壩泄流時,對下級橡膠壩泄流產生影響,使下級橡膠壩泄流量加大,由于兩級橡膠壩之間有一定距離(Lk-1,k),上級橡膠壩的泄流到達下級橡膠壩需要一定的時間,因此,上級橡膠壩的泄流量不能簡單地疊加到下級橡膠壩泄流量,其影響可通過上級橡膠壩泄流后增加下級橡膠壩庫容(蓄水量)的方法計算。

a.上下級橡膠壩間隔距離較短。當上下級橡膠壩間隔距離較短時(如Lk-1,k=0),上級橡膠壩的泄流很快到達下級橡膠壩,此時可不考慮上級橡膠壩泄流到達下游的延續時間,第t時段壩上游蓄水庫容為

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

b.上下級橡膠壩間隔距離較長。當上下級橡膠壩間隔距離較長時,上級橡膠壩泄流到達下級橡膠壩有一定的延續時間T,由于橡膠壩塌壩泄流量是分時段進行計算的,因此在仿真計算時,延續時間T是通過計算延續的時段數K來反映上級橡膠壩泄流對下級橡膠壩的影響,第t時段壩上游蓄水庫容可按下式計算:

式中:Qt-K,上為第t-K時段上級橡膠壩泄水流量, m3/s;K為上級橡膠壩泄水達到下游延續的時段數,(取整數);T為上級橡膠壩泄水到達下游橡膠壩延續的時間,s。

2 梯級橡膠壩塌壩泄流計算仿真系統

圖1 梯級橡膠壩示意圖

橡膠壩塌壩泄流過程計算是一個復雜而又煩瑣的過程,因此利用前述梯級橡膠壩塌壩泄流計算基本原理,編制了基于VFP語言的橡膠壩塌壩泄流計算機仿真系統,該系統可根據橡膠壩的壩長、壩高、河道坡度等參數,以1s時段長模擬計算橡膠壩不同塌落時間形成的流量過程,從而找到最大泄流量。該系統可計算最大5級橡膠壩塌壩泄流過程。

2.1 數據輸入

系統主要輸入3類數據:①各級橡膠壩基本數據,包括橡膠壩名稱、級數、凈寬、側收縮系數、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橡膠壩塌壩方案數據,包括上級橡膠壩泄流到達本級橡膠壩的時間、橡膠壩開始塌壩時間、橡膠壩完全塌壩時間等。③對不規則河道,還應輸入橡膠壩擋水高度與蓄水量關系表。

2.2 塌壩泄流計算

系統在已知塌壩方案的基礎上,能進行各級橡膠壩塌壩過程泄流量計算和塌壩形成的最大泄流量統計。

a.塌壩泄流過程計算。基本數據輸入完成后,運行“梯級橡膠壩泄流計算”子程序,系統自動完成各級橡膠壩塌壩泄流過程計算。當某級橡膠壩無基本數據時,系統僅計算其上級橡膠壩泄流過程。

b.塌壩最大泄流量統計。梯級橡膠壩泄流過程計算完成后,運行“橡膠壩泄流匯總”子程序,系統自動完成各級橡膠壩塌壩產生的最大泄流量、發生時間、相應壩高等計算結果統計。

2.3 計算結果查詢

系統可查詢橡膠壩的基本參數,如各級橡膠壩塌壩泄流過程,塌壩產生的最大泄流量及其發生時間、相應壩高、堰上水頭等。

2.4 計算結果輸出

各級橡膠壩塌壩泄流過程計算結果以報表的形式輸出,包括橡膠壩運行時間、壩高、壩前蓄水庫容、堰上水頭、泄流量等。

各級橡膠壩塌壩最大泄流量統計結果輸出內容包括橡膠壩名稱、蓄水量、塌壩時間、上游泄流到達時間、最大泄流量及其發生時間、相應壩高、堰上水頭等。

以上各種計算結果還可以Excel表的形式輸出,便于統計分析。

3 算例計算

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

3.1 塌壩方案

梯級橡膠壩塌壩方案見表1,其中完全塌壩時間為橡膠壩自設計擋水高度全部塌落需要的時間,塌壩開始時間為自最下游三級橡膠壩塌壩開始起算的一、二級橡膠壩開始塌壩時間(或為滯后時間)。

表1 橡膠壩塌壩方案

3.2 計算結果

啟動橡膠壩塌壩泄流計算仿真系統,輸入橡膠壩基本數據、塌壩方案等,然后運行橡膠壩塌壩泄流計算子程序(本例計算時段為1 s),得到梯級橡膠壩塌壩泄流過程及最大泄流量計算結果,如圖2和表2所示。

圖2 梯級橡膠壩塌壩泄流過程線

表2 塌壩最大泄流量計算結果

從圖2可以清楚地看到梯級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生時間,可編制橡膠壩控制運用方案提供依據。

4 結 語

本文梯級橡膠壩塌壩泄流計算仿真系統具有通用性強、人機交互功能好、擴展性強等特點,能精確、快速地推算梯級橡膠壩不同塌壩方案的塌壩泄流過程和最大泄流量,從而能夠盡早預測塌壩產生的“人造洪峰”,對于橡膠壩工程的設計和梯級橡膠壩汛期控制運用方案的編制具有一定的實用參考意義。

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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推廣項目(2012);水利部公益性行業專項(201201115)

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