溢洪道泄流能力計算系統的研制

戴 丹，潘小波，翟天保，才仁措

（貴州大學計算機科學與技術學院，貴州 550000）

0 引言

我國的水利資源非常豐富，蘊藏量達6.8 億kW，其中可開發的占3.78 億kW，年可發電達1.92 萬億kW·h，居世界第一位。隨著我國經濟的發展，開發水電資源迫在眉睫；同時由于河川徑流在地區和年際和年內分配的不均，河流時常給人民生活生產帶來旱澇等災害，為解決這些問題。主要措施就是通過修建水利閘壩樞紐工程，以達到除水害，興水利的目的。除水害就是防止洪水泛濫和瀝澇成災；興水利則是從多方面利用水利資源為人民造福，包括灌溉、發電、供水、航運、養殖等。

泄水建筑物的泄流能力是閘壩設計中的重要內容，泄流流量曲線的計算是調節洪水及大壩特征水位計算的基礎。因此，如何正確計算各種堰型的泄流能力并繪制其泄流能力曲線，在實際工程設計中是很重要的部分。但是目前基層設計人員在分析泄流能力時，往往不能正確地繪制溢洪道的泄流能力曲線。大部分設計人員在計算時使用手工計算或者依靠Excel 表格進行計算，計算繁瑣，效率不高。該項目準備基于泄流能力的理論，使用Matlab 等技術和工具，研制一個溢洪道泄流能力計算系統。該項目是一個交叉性的課題，需要綜合計算機、數學及水利學等相關知識。項目的研究可以為水利行業提供一套標準的計算分析軟件，具有很好的實用價值。

1 總體設計

1.1 編制原則

溢洪道泄流能力計算系統的編制原則為：符合國家現行的規范及有關規程； 適應行業特點，滿足行業規范要求；系統的輸入、輸出界面清晰、直觀，操作使用方便，利于推廣。

1.2 編制依據

溢洪道泄流能力計算系統（主要依據國家相關的規范，行業部門出版的設計手冊等）使用《溢洪道設計規范（DL5166－2002）》；《溢洪道設計規范（SL253－2018）》為編制依據。

1.3 系統設計

本系統采用Matlab 編制，由文件、堰型、泄流能力等模塊組成，各個功能模塊之間互有聯系，由主菜單對各功能模塊進行集中調用，以實現數據錄入、計算、成果輸出等功能。系統功能圖如圖1所示。

圖1 系統功能

2 系統特點

本系統適用于開敞式WES 實用堰、寬頂堰、駝峰堰、帶胸墻孔口式實用堰四大堰型的水力學設計，包括底流消能計算、泄流能力計算、側槽段起始水深計算、泄槽段水面線推算和泄槽段水流摻氣水深及泄槽邊墻高度計算等。

其特點主要為以下幾點：①運算快速，結果準確。本程序根據相關規范和手冊編制，可對開敞式WES 實用堰、寬頂堰、駝峰堰、帶胸墻孔口式實用堰四大堰型進行水力學相關計算，使用時，用戶只需針對不同堰型輸入相關參數，即可快速得出水位、流量、泄流能力等相關結果。②界面簡單，便于操作。本程序窗口采用下拉式菜單進行控制操作，用戶可根據菜單選擇不同的操作選項，同時，每個操作頁面都附有返回上級選項，方便了用戶操作。③附有表格，使用簡單對于不同的堰型，在水力學的相關設計和計算中，有許多不同的參數需要根據實際情況推算得出，在本程序中，都在這些參數的輸入框旁邊附上相關表格，便于用戶進行查詢與推算，降低了本程序的使用復雜度。

3 主要功能模塊

3.1 開敞型WES實用堰泄流能力計算

本模塊用于實現開敞型WES 實用堰泄流能力的自動計算，只需用戶輸入所需的數據參數，并給出了所要用到的附錄表，程序便可自動計算，以圖像的形式直觀的表示出水位與流量的關系，并且可以生成表格保存。其中用到的公式如下：

式中：為流量，m/s；為溢流堰總凈寬，m，多孔時為各孔凈寬之和；為單孔寬度，m；為閘孔數目；為計入行近流速水頭的堰上總水頭，m；為重力加速度，m/s；為二維水流WES實用堰流量系數；為上游堰坡影響修正系數；為閘墩側收縮系數；為中墩形狀系數；ζ為邊墩形狀系數；σ為淹沒系數。

系統運行結果如圖2所示。

圖2 開敞型WES實用堰泄流能力計算

3.2 帶胸墻孔口實用堰泄流能力

本模塊主要功能是實現帶胸墻孔口實用堰泄流能力的自動計算，該模塊能夠完基本數據的輸入、計算和計算結果的保存等任務。用戶只需完成窗口中孔口凈寬和孔口高度的輸入算出孔口面積，即可進行計算。

（1）帶胸墻孔口實用堰泄流能力計算公式如下：

式中：為孔口面積，m；為孔口總凈寬，m；為孔口高度，m；為孔口自由出流流量系數，（當>0.6，=2～3 時，=0.70～0.80；當>0.6，=1.5～2.0 時，=0.60～0.70；其中為堰上水頭，m）

系統運行結果如圖3所示。

圖3 帶胸墻孔口實用堰泄流能力

（2）帶胸墻孔口式平底閘泄流能力計算公式如下。

式中：為流量系數，對于圓滑孔口，可取=0.9。

系統運行結果如圖4所示。

圖4 平底閘泄流能力計算

3.3 寬頂堰閘門全開非淹沒出流時的泄流能力

本模塊用于實現寬頂堰閘門全開非淹沒出流時的泄流能力的自動計算，只需用戶輸入所需的數據參數，程序便可自動計算，以圖像的形式直觀的表示出流量與水位的關系，并且可以生成表格保存，在輸入的過程中要注意流量系數的選取，計算公式如下：

3.3.1 泄流能力按如下公式計算

式中：為二元水流寬頂堰流量系數；為閘墩側收縮系數。

3.3.2 側收縮系數按如下公式計算

（1）對單孔寬頂堰

式中：為堰上游引水渠的寬度；為堰孔寬度；為閘墩形狀影響系數，矩形取0.19，圓弧取0.10。

系統運行結果如圖5所示。

圖5 單孔寬頂堰的泄流能力計算

（2）對多空寬頂堰

式中：為孔數；為各孔凈寬；為中敦厚寬；Δ為邊墩邊緣至引水渠水邊線的距離。

系統運行結果如圖6所示。

圖6 多孔寬頂堰的泄流能力計算

3.4 駝峰堰泄流能力

本模塊用于駝峰堰泄流能力的自動計算，只需用戶輸入所需的數據參數孔口總凈寬，堰上總水頭，程序便可自動計算，以圖像的形式直觀的表示出流量與水位的關系，并且可以生成表格保存，注意計算過程中區分不同的堰型，計算公式如下：

其中流量系數按下列公式計算：

（1）對于型：

系統運行結果如圖7所示。

圖7 駝峰堰b型泄流能力計算

（2）對于b型：

系統運行結果如圖8所示。

圖8 駝峰堰a型泄流能力計算

4 結語

本項目基于泄流能力的理論，使用Matlab等技術和工具，開發的一個溢洪道泄流能力計算系統。該系統研究泄流的基本理論，參照中華人命共和國水利行業標準（SL 253-2018）中的溢洪道設計標準，以Matlab 為開發平臺，設計合適的人機交互界面，實現溢洪道的泄流能力的計算過程及顯示。該系統的開發綜合了計算機、數學及水利學等相關知識。此系統可以計算各種堰型的泄流能力，操作簡便易上手，計算結果也很準確。該項目的研究可以為水利行業提供一套標準的計算分析軟件，具有良好的實用價值。