CN107085635B - 一种通过数学模型判别水闸最不利运行工况的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种通过数学模型判别水闸最不利运行工况的方法，属于基础水力动力学数学模型技术领域，首先设置不同的各闸门开度，提取闸孔中心轴线上各测试点中的上游水深值、下游水深值和垂线平均流速，得到不同泄洪工况下水深值沿程分布情况，测试位置为闸孔中心线上，测试区间从水闸轴线至上游至少6~8倍闸前水深处和水闸轴线至下游水位稳定处，计算动水压力水头和静水压力水头，所述动水压力水头和静水压力水头之比值即为比能：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，计算不同泄洪工况下的比能沿程变化情况和平均比能，平均比能是沿程各点比能的算术平均值，通过比能确定最不利工况，解决了难以确定水工建筑在不合理工况下冲刷的技术问题。

Description

一种通过数学模型判别水闸最不利运行工况的方法
技术领域
本发明属于基础水利动力学数学模型技术领域，具体涉及一种通过数学模型判别水闸最不利运行工况的方法。
背景技术
在挡潮闸、泄洪闸、拦河闸等各类大小水闸运行过程中，发生冲刷破坏的现象极为普遍，甚至导致护坦、海漫受到破坏，水闸的冲刷破坏直接影响水闸的运行安全。福建晋江的南安绿岸拦河闸工程，竣工不到四年，闸下冲刷坑深度达10.8m，闸下海漫护坦均被冲毁；福建九龙江上的西溪大型桥闸，水闸上下游均发生严重冲刷，冲刷坑底高程达-9.0m左右，而闸底板高程最低-0.5m；九龙江上的北溪南北港大型水闸，建闸后屡修屡毁，反复冲刷。因此，找到水闸冲刷的最不利运行工况在水闸的初始设计、修复加固设计以及运行管理方案制定中至关重要。在设计中以最不利工况作为控制工况，可最大程度地保证冲刷安全，在运行管理中要尽量避免以最不利工况运行，减少发生冲刷破坏的可能性。
目前来讲，如果用物理模型试验模拟各工况冲刷情况，虽然能较直观地判断哪种工况冲刷最严重，但物理模型的建立需要耗费较多的人力物力财力，且建设周期较长，需要一定的场地条件，此外，物理模型试验由于受人工操作和测量仪器的限制，对于复杂三维流场的测量难以完善。单纯采用数学模型，虽然能够较好地模拟水闸泄流的水位流速分布情况，但是水闸下游河床冲刷情况往往难以准确模拟，在常遇洪水工况下，水闸局部孔大开度开启，上下游水位差较大，出闸水流流速也较大，经消能工消能后流速虽有逐渐降低，但下游水位较低，水深较小，水垫塘能起到的消能防冲作用有限，而在设计洪水工况和校核工况下，水闸闸孔全部开启，上下游水位差较小，出闸流速相对较小，但沿程能量损失也较小，下游流速较常遇洪水工况大，但其下游水位较高，水垫塘能够起到较好的消能防冲作用，所以说，仅仅依靠单纯的数学模型来判断各工况冲刷情况是远远不够的。
发明内容
(1)要解决的技术问题
本发明为了克服传统的物理模型试验受人工操作和测量仪器的限制，对于复杂三维流场的测量难以完善的缺点，为解决以上技术问题，本发明提供一种通过数学模型判别水闸最不利运行工况的方法，建立二维数学模型，再根据水闸实际运行情况设置不同的水闸闸门开度，模拟分析各运行工况水位场流速的分布情况，通过比能确定最不利工况，解决了难以确定水工建筑在不合理工况下冲刷的技术问题。
(2)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种通过数学模型判别水闸最不利运行工况的方法，建立二维数学模型，根据水闸实际运行情况设置不同的水闸闸门开度，利用二维数学模型模拟分析水位流场流速的分布情况，通过比能确定最不利工况，具体包括以下步骤：
a.收集水闸平面图和剖面图设计资料，水闸建设后的水位流量关系、河道径流资料、潮流水文资料，泥沙资料，水闸附近地形资料，以及水闸运行管理资料；
b.根据收集到的地形资料和水闸设计资料，建立水闸二维水动力数学模型，根据水闸运行管理资料和水文资料确定不同闸门开度及其对应的上下游边界条件，对各种运行工况进行模拟计算；
c.在闸孔中心线上进行测点定位，测试区间从水闸轴线至上游6～8倍的闸前水深处和水闸轴线至下游水位稳定处，测点间距以水闸体型为依据，间距不能过大，在水闸轴线至上游2～3倍的闸前水深处和水闸轴线至下游水位异常变化处须要加密；
d.提取各运行工况闸孔中心线上各测试点中的上游水深值和下游水深值，得到不同泄洪工况下水深值沿程分布情况；
e.提取闸孔中心线上各测点的垂线平均流速，得到不同泄洪工况下流速沿程变化情况；
f.计算沿程各测点的动水压力水头和静水压力水头，所述动水压力水头和静水压力水头之比值即为比能：
Figure GDA0002551211410000031
式中ν为垂线平均流速，单位m/s，h为水深，单位m，比能为无量纲量，表示单位水深需要消耗的动能；
g.计算不同泄洪工况下的比能沿程变化情况和平均比能，所述的平均比能计算方法是沿程各点总比能除以所取点数，即沿程各点比能的算术平均值，将各工况的平均比能进行对比分析，平均比能最大的工况即为最不利工况。
(3)有益效果
本发明的有益效果：本发明提出一个无量纲量，比能，在不便于进行物理模型试验难以准确模拟闸下冲刷的情况下，结合数学模型模拟各工况闸下水位流场和流速分布情况，提取相关数据计算各工况沿程比能分布情况和平均比能，据此判断哪种工况对闸下冲刷更为不利，即最不利工况，以此得到了控制工况的依据，采取相应工程措施充分消能，避免闸下出现严重冲刷，进而威胁闸室安全，为水闸的运行管理、消能工设计以及除险加固设计提供科学依据。
附图说明
图1为九龙江河口水闸二维数学模型；
图2为西溪水闸不同泄洪工况下的垂线平均流速沿程分布情况；
图3为西溪水闸不同泄洪工况下的水深沿程分布情况；
图4为西溪水闸不同泄洪工况下的比能沿程变化情况；
图5为西溪水闸不同泄洪工况下的平均比能变化情况。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明实施例中的技术方案进行进一步清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例一
本发明提供一种通过数学模型判别水闸最不利运行工况的方法，首先收集水闸平面图和剖面图设计资料，水闸建设后的水位流量关系、河道径流资料、潮流水文资料，泥沙资料，水闸附近地形资料，以及水闸运行管理资料；根据收集到的地形资料和水闸设计资料，建立水闸二维水动力数学模型，根据水闸运行管理资料和水文资料确定不同闸门开度及其对应的上下游边界条件，对各种运行工况进行模拟计算；在闸孔中心线上进行测点定位，测试区间从水闸轴线至上游6～8倍的闸前水深处和水闸轴线至下游水位稳定处，测点间距可根据水闸体型而定，间距不宜过大，可在关键位置适当加密；提取不同工况闸孔中心线上各测点的上游水深值和下游水深值，得到不同泄洪工况下水深值沿程分布情况；提取闸孔中心线上各测点的垂线平均流速，得到不同泄洪工况下流速沿程变化情况；计算沿程各测点的动水压力水头和静水压力水头，所述动水压力水头和静水压力水头之比值即为比能：
Figure GDA0002551211410000041
计算不同泄洪工况下各桩号的比能沿程变化情况和平均比能，将各工况的平均比能进行对比分析，平均比能最大的工况即为最不利工况。
具体地，以九龙江西溪桥闸为例进行说明，采用MIKE软件建立二维水动力数学模型，如图1所示，模型上边界分别位于西溪水闸上游约2.8km和九龙江北溪江东桥上游约1.2km处，下边界位于九龙江河口的鼓浪屿，上边界条件为不同工况对应的流量值，下边界条件为典型日天文大潮潮位过程。模型模拟西溪水闸8种闸门开启工况，分别为：
实施工况1：14#和62#先启孔开启0.4m，下泄流量4.50m3/s，上游水位3.165～3.296m，下游水位-1.058～3.852m；
实施工况2：14#和62#先启孔开启0.7m，下泄流量6.40m3/s，上游水位3.152～3.268m，下游水位-1.039～3.863m；
实施工况3：14#和62#先启孔开启1.1m，下泄流量10.00m3/s，上游水位3.182～3.323m，下游水位-1.015～3.880m；
实施工况4：14#和62#先启孔开启1.5m，下泄流量13.00m3/s，上游水位3.151～3.297m，下游水位-0.990～3.899m；
实施工况5：14#和62#先启孔开启2.3m，下泄流量20.00m3/s，上游水位3.116～3.289m，下游水位-0.957～3.921m；
实施工况6：14#和62#先启孔全开，下泄流量70m3/s，上游水位2.998～3.576m，下游水位-0.724～4.116m；
实施工况7：右岸1#～17#和河中54#～67#先启孔全开，下泄流量892.00m3/s，上游水位2.709～4.743m，下游水位2.246～4.715m；
实施工况8：1#～83#先启孔全开，下泄流量6140.00m3/s，上游水位7.479～7.638m，下游水位7.373～7.536m。
8种实施工况下62#闸孔中心线上垂线流速ν分布如图2所示，可以看出，工况6在消能区桩号0～40m范围内流速最大，但在消能区下游桩号40～300m范围内流速明显小于工况7和工况8。
将测线设置在14#和62#闸孔中心线上，以闸轴线为桩号0点，上游桩号为负，下游桩号为正，测试区间为0-100m～0+300m，即闸轴线上游100m至下游300m，间隔5m布置一个测点。本例以62#闸孔中心线上模拟结果进行说明。
8种工况水位h分布如图3所示，可以看出工况7和工况8水闸下游水位远大于工况6，尤其是工况8，下游水位较工况6高8m左右，下游水垫厚度能够起到较好的消能防冲作用，因此，虽然工况7和工况8在桩号40m以下流速较大，但不一定是冲刷最严重的，仅依据流速和水位分布情况难以判断哪种工况对河床冲刷更严重，为最不利工况。
将流速ν和水位h代入比能公式，计算各工况62#闸孔中心线上比能分布情况，如图4所示，可以明显看出工况6在消能区比能远大于其他工况，而在桩号40m以下，各工况比能相差较小，变化范围为0～0.04。
将各工况比能进行平均，得出各工况水闸上游100m至下游300m范围内的比能平均值，如图5所示，可以看出，工况6即14#和62#闸孔全开的平均比能明显较其他工况大，说明该工况单位消能水垫厚度需要消耗的动能最多，消能难度最大，为最不利工况，西溪水闸在运行管理过程中应尽量避免局部单孔大开度开启，除险加固设计宜以此工况为控制工况。
以上所述实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (1)

1.一种通过数学模型判别水闸最不利运行工况的方法，其特征是，建立二维数学模型，根据水闸实际运行情况设置不同的水闸闸门开度，利用二维数学模型模拟分析水位流场流速的分布情况，通过比能确定最不利工况，具体包括以下步骤：
a.收集水闸平面图和剖面图设计资料，水闸建设后的水位流量关系、河道径流资料、潮流水文资料，泥沙资料，水闸附近地形资料，以及水闸运行管理资料；
b.根据收集到的地形资料和水闸设计资料，建立水闸二维水动力数学模型，根据水闸运行管理资料和水文资料确定不同闸门开度及其对应的上下游边界条件，对各种运行工况进行模拟计算；
c.在闸孔中心线上进行测点定位，测试区间从水闸轴线至上游6～8倍的闸前水深处和水闸轴线至下游水位稳定处，测点间距以水闸体型为依据，间距不能过大，在水闸轴线至上游2～3倍的闸前水深处和水闸轴线至下游水位异常变化处须要加密；
d.提取各运行工况闸孔中心线上各测试点中的上游水深值和下游水深值，得到不同泄洪工况下水深值沿程分布情况；
e.提取闸孔中心线上各测点的垂线平均流速，得到不同泄洪工况下流速沿程变化情况；
f.计算沿程各测点的动水压力水头和静水压力水头，所述动水压力水头和静水压力水头之比值即为比能：
Figure FDA0002551211400000011
式中ν为垂线平均流速，单位m/s，h为水深，单位m，比能为无量纲量，表示单位水深需要消耗的动能；
g.计算不同泄洪工况下的比能沿程变化情况和平均比能，所述的平均比能计算方法是沿程各点总比能除以所取点数，即沿程各点比能的算术平均值，将各工况的平均比能进行对比分析，平均比能最大的工况即为最不利工况。
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