一种气盾坝流量系数及流量的计算方法技术

本发明专利技术提出了一种确定气盾坝流量系数及流量的方法，用于解决目前利用宽顶堰或薄壁堰流量系数公式及流量公式计算气盾坝流量不准确，导致防洪措施不利和水资源利用率低的技术问题。其步骤为：首先，根据伯努利方程，得出气盾坝单宽流量与水头关系式；其次，测试12种工况无侧收缩气盾坝的水头和单宽流量数值；然后，利用excel数据分析，确定气盾坝各开度单宽流量与水头关系式；并据此关系式与无侧收缩自由出流堰流单宽流量公式比较，得出气盾坝各开度对应流量系数；最后，根据流量系数计算气盾坝泄流量，根据单宽流量与水头关系式，确定无侧收缩气盾坝流量。本发明专利技术结果准确、便捷易行，解决了气盾坝流量计算结果与实际泄流相差较大的难题。

【技术实现步骤摘要】
一种气盾坝流量系数及流量的计算方法
本专利技术涉及水力学与水工模型试验
，特别是指一种气盾坝流量系数及流量的计算方法。
技术介绍
气盾坝是综合橡胶坝、钢板坝二者之长的新型水工建筑物。该坝吸收了传统活动坝型之精华，摒弃了传统活动坝型之不足，具有结构简单，建设、安装周期短，防洪渡汛能力突出，运行安全可靠，过水能力和运行状态持续可控，具有更强的清污、排淤能力，充排时间短，运行管理简单，使用寿命超长，综合效益高，坝顶溢流十分美观，景观效果佳等特点。该新型坝型具有传统水利泄流挡水特点，又有生态水利景观环保优势，近些年逐渐被广泛适用于各种水文情况复杂的河道和美化城市建设的河道。在打造美丽乡村、建设智慧城市时，河道上往往建设若干道气盾坝，形成气盾坝群，坝群间往往需要联合调度，从河道防洪、水资源高效利用、水环境保护等方面，需要科学决策每道坝运行方式，提升对自然灾害、突发事件的应急决策能力，提高现代水利精细化管理水平，推动智慧水利建设。科学决策气盾坝运行方式最基础重要工作就是需要准确计算气盾坝过流能力。目前，气盾坝虽然应用越来越广，但国内外对此方面没有进行深入研究，在气盾坝设计阶段，设计单位往往简单按照卧门挡水时宽顶堰流计算流量，立门泄流时薄壁堰流计算流量，而且只粗略进行了两种极端运行情况泄流量计算，不同开度泄流如何计算泄流量没有进行深入研究；在运行管理阶段，管理人员基本都不清楚气盾坝泄流量大小，更不能准确进行坝群间联合调度；气盾坝从泄流特点来说属于堰，但气盾坝运行开度不同其水流现象和建筑物型式不同，泄流过程中，由于开度变化，重力作用与坝顶托作用在变化，导致堰型在动态变化，气盾坝泄流既不完全属于典型的薄壁堰、实用堰，也不完全属于宽顶堰，计算过流能力时不同堰流计算公式框架相同，但不同堰型流量系数确定方法及大小不同，而流量系数是影响过流能力关键因素。目前立门泄流时无论单一按薄壁堰流、实用堰流或宽顶堰流计算，都与实际泄流不相符，按传统哪种堰型确定的流量系数都不准确，都会导致计算流量不准确，甚至计算结果错误，从而影响防洪和水资源高效利用，影响坝群科学调度和现代水利精细化管理。
技术实现思路
针对现有堰型流量计算不准确，导致防洪措施和水资源的利用率低的技术问题，本专利技术提出了一种气盾坝流量系数及流量的计算方法，提供了气盾坝不同开度的流量系数及不同开度、不同水头与单宽流量关系，解决了设计阶段如何准确计算泄流量，运行阶段如何便利确定泄流量，并为多坝联合运行、高效环保、智能运行水利工程提供技术支撑。本专利技术的技术方案是这样实现的：一种气盾坝流量系数及流量的计算方法，其步骤如下：步骤一、以气盾坝顶水平面为基准面，根据坝前过水断面和坝顶过水断面列伯努利方程，并根据伯努利方程得出单宽流量与坝前水头关系式q＝αHβ，其中，q为单宽流量，H为水头，α为系数参数，β为指数参数；步骤二、测试12种不同工况下无侧收缩气盾坝的水头和单宽流量的试验数值；步骤三、利用excel中误差最小及点群分布趋势对水头和单宽流量的试验数值进行分析，确定气盾坝不同开度下的系数参数α和指数参数β，进而确定气盾坝不同开度下单宽流量与水头关系式；步骤四、根据无侧收缩自由出流堰流单宽流量公式和单宽流量与坝前水头关系式q＝αHβ得到流量系数m的表达式再根据气盾坝不同开度单宽流量与水头关系式以及不同水头计算气盾坝不同开度对应的流量系数的最大值、最小值和均值，其中，g为重力加速度；步骤五、根据气盾坝不同开度对应的流量系数的最大值、最小值和均值绘制不同开度与流量系数的关系曲线；步骤六、在工程设计阶段，根据不同开度与流量系数的关系曲线，确定不同开度κ对应的流量系数，并将流量系数代入堰流公式计算开度κ对应的流量。所述根据伯努利方程得出的单宽流量与坝前水头关系式q＝αHβ的方法为：S11、以气盾坝顶水平面为基准面，根据坝前过水断面和坝顶过水断面列伯努利方程：其中，v1为坝前过水断面的平均流速，v2为坝顶过水断面的平均流速，α0为坝前过水断面的动能修正系数，α1为坝顶过水断面的动能修正系数，ζ为局部阻力系数，为坝顶过水断面测压管水头平均值，z2为位置水头，p2为动水压强，γ为水的容重；S12、v1很小，令并将其代入伯努利方程中得出坝顶过水断面的平均流速ξ为测压管水头修正系数，为流速系数；S13、令kHn为坝顶过水断面的水舌厚度，并将坝顶过水断面的水舌厚度与坝顶过水断面的平均流速相乘得到坝顶过水断面的单宽流量：其中，k为系数，n为指数；S14、令系数参数指数参数β＝0.5+n，将步骤S13中的坝顶过水断面的单宽流量表达式转化为q＝αHβ。所述气盾坝不同开度下的系数参数α、指数参数β和不同开度下的单宽流量与水头关系式见表1：表1气盾坝不同开度中系数参数α、指数参数β及单宽流量与水头关系式所述气盾坝不同开度对应的流量系数的最大值、最小值和均值见表2：表2气盾坝不同开度对应的流量系数的最大值、最小值和均值所述将开度κ对应的流量系数代入堰流公式中计算开度κ对应的流量的方法为：S61、当开度κ小于15°时，根据堰流公式计算流量Q，其中，B为坝顶过水净宽度，H0为包括坝前流速水头在内的坝前总水头，且H0≈H，H为水头；σs为下游水位对泄流影响的淹没系数，σs≤1，当自由出流时σs＝1；ε为侧收缩系数，ε≤1，无侧收缩影响时ε＝1，有侧收缩时侧收缩系数按照宽顶堰侧收缩系数公式确定；m为流量系数；S62、当开度κ大于等于15°时，根据堰流公式计算流量Q，其中，淹没系数σs＝1，ε'为侧收缩系数，有侧收缩时，侧收缩系数ε'按WES实用堰侧收缩系数公式确定，m为流量系数。所述宽顶堰单孔侧收缩系数公式为：P1为上游堰高；B0为上游引水渠宽度；b为单孔净宽；a0为反映坝顶墩头形状对侧收缩影响的系数。所述WES实用堰侧收缩系数公式为：Ka为边墩形状系数；Kp为闸墩形状系数；n为闸孔数目；b为单孔净宽。本技术方案能产生的有益效果：(1)本专利技术确定不同开度流量系数，填补了气盾坝流量计算流量系数随意确定不准确问题，不同开度流量系数确定，保证工程设计规划阶段计算成果准确性可靠性。(2)本专利技术确定了堰上水头与单宽流量的曲线和关系式，在工程运行阶段，对管理人员要求低，方便易行，通过关系式即可确定对应开度泄流量，通过曲线可以查任意开度泄流量，便利管理部门对坝群联合调度、有效管理、科学决策，避免水资源浪费和洪水灾害发生，还能保证坝健康安全运行，为持续不断提升城市景观增添光彩。(3)堰上水头与单宽流量的曲线和关系式简单便利易行，精度满足工程要求，设计阶段，利用单宽流量与坝前水头关系式计算流量与通过流量系数实验结果按水力学堰流公式计算结果误差最大不超过5％；在工程运行阶段，利用单宽流量与坝前水头关系式计算流量与按工程量测计算结果比较，误差不超过10％，因此，本专利技术方法结果准确、方便易行，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种气盾坝流量系数及流量的计算方法，其特征在于，其步骤如下：/n步骤一、以气盾坝顶水平面为基准面，根据坝前过水断面和坝顶过水断面列伯努利方程，并根据伯努利方程得出单宽流量与坝前水头关系式q＝αH

【技术特征摘要】
1.一种气盾坝流量系数及流量的计算方法，其特征在于，其步骤如下：
步骤一、以气盾坝顶水平面为基准面，根据坝前过水断面和坝顶过水断面列伯努利方程，并根据伯努利方程得出单宽流量与坝前水头关系式q＝αHβ，其中，q为单宽流量，H为水头，α为系数参数，β为指数参数；
步骤二、测试12种不同工况下无侧收缩气盾坝的水头和单宽流量的试验数值；
步骤三、利用excel中误差最小及点群分布趋势对水头和单宽流量的试验数值进行分析，确定气盾坝不同开度下的系数参数α和指数参数β，进而确定气盾坝不同开度下单宽流量与水头关系式；
步骤四、根据无侧收缩自由出流堰流单宽流量公式和单宽流量与坝前水头关系式q＝αHβ得到流量系数m的表达式再根据气盾坝不同开度单宽流量与水头关系式以及不同水头计算气盾坝不同开度对应的流量系数的最大值、最小值和均值，其中，g为重力加速度；
步骤五、根据气盾坝不同开度对应的流量系数的最大值、最小值和均值绘制不同开度与流量系数的关系曲线；
步骤六、在工程设计阶段，根据不同开度与流量系数的关系曲线，确定不同开度κ对应的流量系数，并将流量系数代入堰流公式计算开度κ对应的流量。


2.根据权利要求1所述的气盾坝流量系数及流量的计算方法，其特征在于，所述根据伯努利方程得出的单宽流量与坝前水头关系式q＝αHβ的方法为：
S11、以气盾坝顶水平面为基准面，根据坝前过水断面和坝顶过水断面列伯努利方程：



其中，v1为坝前过水断面的平均流速，v2为坝顶过水断面的平均流速，α0为坝前过水断面的动能修正系数，α1为坝顶过水断面的动能修正系数，ζ为局部阻力系数，为坝顶过水断面测压管水头平均值，z2为位置水头，p2为动水压强，γ为水的容重；
S12、v1很小，令并将其代入伯努利方程中得出坝顶过水断面的平均流速ξ为测压管水头修正系数，为流速系数；
S13、令kHn为坝顶过水断面的水舌厚度，并将坝顶过水断面的水舌厚度与坝顶过水断面的平均流速相乘得到坝顶过水断面的单宽流量：<...

【专利技术属性】
技术研发人员：王勤香，楚万强，王宇，王宏涛，姜楠，李欢，马亚东，
申请(专利权)人：黄河水利职业技术学院，
类型：发明
国别省市：河南;41