溢洪道泄流能力计算系统的研制

戴 丹，潘小波，翟天保，才仁措

（贵州大学计算机科学与技术学院，贵州 550000）

0 引言

我国的水利资源非常丰富，蕴藏量达6.8 亿kW，其中可开发的占3.78 亿kW，年可发电达1.92 万亿kW·h，居世界第一位。随着我国经济的发展，开发水电资源迫在眉睫；同时由于河川径流在地区和年际和年内分配的不均，河流时常给人民生活生产带来旱涝等灾害，为解决这些问题。主要措施就是通过修建水利闸坝枢纽工程，以达到除水害，兴水利的目的。除水害就是防止洪水泛滥和沥涝成灾；兴水利则是从多方面利用水利资源为人民造福，包括灌溉、发电、供水、航运、养殖等。

泄水建筑物的泄流能力是闸坝设计中的重要内容，泄流流量曲线的计算是调节洪水及大坝特征水位计算的基础。因此，如何正确计算各种堰型的泄流能力并绘制其泄流能力曲线，在实际工程设计中是很重要的部分。但是目前基层设计人员在分析泄流能力时，往往不能正确地绘制溢洪道的泄流能力曲线。大部分设计人员在计算时使用手工计算或者依靠Excel 表格进行计算，计算繁琐，效率不高。该项目准备基于泄流能力的理论，使用Matlab 等技术和工具，研制一个溢洪道泄流能力计算系统。该项目是一个交叉性的课题，需要综合计算机、数学及水利学等相关知识。项目的研究可以为水利行业提供一套标准的计算分析软件，具有很好的实用价值。

1 总体设计

1.1 编制原则

溢洪道泄流能力计算系统的编制原则为：符合国家现行的规范及有关规程； 适应行业特点，满足行业规范要求；系统的输入、输出界面清晰、直观，操作使用方便，利于推广。

1.2 编制依据

溢洪道泄流能力计算系统（主要依据国家相关的规范，行业部门出版的设计手册等）使用《溢洪道设计规范（DL5166－2002）》；《溢洪道设计规范（SL253－2018）》为编制依据。

1.3 系统设计

本系统采用Matlab 编制，由文件、堰型、泄流能力等模块组成，各个功能模块之间互有联系，由主菜单对各功能模块进行集中调用，以实现数据录入、计算、成果输出等功能。系统功能图如图1所示。

图1 系统功能

2 系统特点

本系统适用于开敞式WES 实用堰、宽顶堰、驼峰堰、带胸墙孔口式实用堰四大堰型的水力学设计，包括底流消能计算、泄流能力计算、侧槽段起始水深计算、泄槽段水面线推算和泄槽段水流掺气水深及泄槽边墙高度计算等。

其特点主要为以下几点：①运算快速，结果准确。本程序根据相关规范和手册编制，可对开敞式WES 实用堰、宽顶堰、驼峰堰、带胸墙孔口式实用堰四大堰型进行水力学相关计算，使用时，用户只需针对不同堰型输入相关参数，即可快速得出水位、流量、泄流能力等相关结果。②界面简单，便于操作。本程序窗口采用下拉式菜单进行控制操作，用户可根据菜单选择不同的操作选项，同时，每个操作页面都附有返回上级选项，方便了用户操作。③附有表格，使用简单对于不同的堰型，在水力学的相关设计和计算中，有许多不同的参数需要根据实际情况推算得出，在本程序中，都在这些参数的输入框旁边附上相关表格，便于用户进行查询与推算，降低了本程序的使用复杂度。

3 主要功能模块

3.1 开敞型WES实用堰泄流能力计算

本模块用于实现开敞型WES 实用堰泄流能力的自动计算，只需用户输入所需的数据参数，并给出了所要用到的附录表，程序便可自动计算，以图像的形式直观的表示出水位与流量的关系，并且可以生成表格保存。其中用到的公式如下：

式中：为流量，m/s；为溢流堰总净宽，m，多孔时为各孔净宽之和；为单孔宽度，m；为闸孔数目；为计入行近流速水头的堰上总水头，m；为重力加速度，m/s；为二维水流WES实用堰流量系数；为上游堰坡影响修正系数；为闸墩侧收缩系数；为中墩形状系数；ζ为边墩形状系数；σ为淹没系数。

系统运行结果如图2所示。

图2 开敞型WES实用堰泄流能力计算

3.2 带胸墙孔口实用堰泄流能力

本模块主要功能是实现带胸墙孔口实用堰泄流能力的自动计算，该模块能够完基本数据的输入、计算和计算结果的保存等任务。用户只需完成窗口中孔口净宽和孔口高度的输入算出孔口面积，即可进行计算。

（1）带胸墙孔口实用堰泄流能力计算公式如下：

式中：为孔口面积，m；为孔口总净宽，m；为孔口高度，m；为孔口自由出流流量系数，（当>0.6，=2～3 时，=0.70～0.80；当>0.6，=1.5～2.0 时，=0.60～0.70；其中为堰上水头，m）

系统运行结果如图3所示。

图3 带胸墙孔口实用堰泄流能力

（2）带胸墙孔口式平底闸泄流能力计算公式如下。

式中：为流量系数，对于圆滑孔口，可取=0.9。

系统运行结果如图4所示。

图4 平底闸泄流能力计算

3.3 宽顶堰闸门全开非淹没出流时的泄流能力

本模块用于实现宽顶堰闸门全开非淹没出流时的泄流能力的自动计算，只需用户输入所需的数据参数，程序便可自动计算，以图像的形式直观的表示出流量与水位的关系，并且可以生成表格保存，在输入的过程中要注意流量系数的选取，计算公式如下：

3.3.1 泄流能力按如下公式计算

式中：为二元水流宽顶堰流量系数；为闸墩侧收缩系数。

3.3.2 侧收缩系数按如下公式计算

（1）对单孔宽顶堰

式中：为堰上游引水渠的宽度；为堰孔宽度；为闸墩形状影响系数，矩形取0.19，圆弧取0.10。

系统运行结果如图5所示。

图5 单孔宽顶堰的泄流能力计算

（2）对多空宽顶堰

式中：为孔数；为各孔净宽；为中敦厚宽；Δ为边墩边缘至引水渠水边线的距离。

系统运行结果如图6所示。

图6 多孔宽顶堰的泄流能力计算

3.4 驼峰堰泄流能力

本模块用于驼峰堰泄流能力的自动计算，只需用户输入所需的数据参数孔口总净宽，堰上总水头，程序便可自动计算，以图像的形式直观的表示出流量与水位的关系，并且可以生成表格保存，注意计算过程中区分不同的堰型，计算公式如下：

其中流量系数按下列公式计算：

（1）对于型：

系统运行结果如图7所示。

图7 驼峰堰b型泄流能力计算

（2）对于b型：

系统运行结果如图8所示。

图8 驼峰堰a型泄流能力计算

4 结语

本项目基于泄流能力的理论，使用Matlab等技术和工具，开发的一个溢洪道泄流能力计算系统。该系统研究泄流的基本理论，参照中华人命共和国水利行业标准（SL 253-2018）中的溢洪道设计标准，以Matlab 为开发平台，设计合适的人机交互界面，实现溢洪道的泄流能力的计算过程及显示。该系统的开发综合了计算机、数学及水利学等相关知识。此系统可以计算各种堰型的泄流能力，操作简便易上手，计算结果也很准确。该项目的研究可以为水利行业提供一套标准的计算分析软件，具有良好的实用价值。