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        懸鏈線形斷面正常水深的直接計(jì)算公式

        2018-12-28 06:04:12許曉陽張根廣陳學(xué)彪張子鈺
        中國農(nóng)村水利水電 2018年12期
        關(guān)鍵詞:設(shè)計(jì)

        許曉陽 ,張根廣,陳學(xué)彪,劉 余,張子鈺

        (西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院,陜西 楊凌 712100)

        懸鏈線形斷面不僅具有在施工、制模中易于計(jì)算和控制的優(yōu)點(diǎn),還具有防止土基凍脹破壞、抵抗外水壓力、受力條件好、輸沙率高、過水能力強(qiáng)及抵抗沖刷性能好等優(yōu)點(diǎn)[1,2],因此,懸鏈線形渠道在水利水電和灌溉排水工程中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

        正常水深是工程設(shè)計(jì)和水力計(jì)算中一個(gè)重要參數(shù),在實(shí)際工程中應(yīng)用頻繁,且有很高的精度要求。近年來,國內(nèi)外學(xué)者對一些簡單過水?dāng)嗝嬲K畹姆治鲇?jì)算進(jìn)行了深入研究,取得了較為豐富的研究成果,例如梯形斷面[3-6]、拋物線形斷面[7-12]和圓形斷面[13-15]等。對于懸鏈線形斷面正常水深,設(shè)計(jì)流量相應(yīng)正常水深有解析解公式,如馮雪等[1]公式和黃開路等[16]公式,而非設(shè)計(jì)流量相應(yīng)正常水深的計(jì)算需求解超越方程,在理論上無法直接求解,目前,僅有三家公式可供參考,即黃開路等[16]根據(jù)數(shù)學(xué)分析和水力學(xué)原理,得到懸鏈線形橫斷面正常水深求解的迭代公式,需反復(fù)迭代3~4次方可達(dá)到精度要求;滕凱[17]通過引入恰當(dāng)?shù)臒o量綱水深參數(shù),對懸鏈線形斷面正常水深基本方程進(jìn)行數(shù)學(xué)變換,采用優(yōu)化擬合的方法得到近似計(jì)算公式;文輝等[18]通過對懸鏈線形斷面均勻流基本方程進(jìn)行數(shù)學(xué)變換,對引入的無量綱參數(shù)與無量綱水深的關(guān)系進(jìn)行分析,應(yīng)用優(yōu)化擬合原理得到擬合計(jì)算公式,計(jì)算精度不高是上述3家公式普遍存在的問題。綜上所述,有必要對懸鏈線形斷面正常水深的計(jì)算做進(jìn)一步的研究。首先,依據(jù)懸鏈線形斷面幾何特征、水力要素和正常水深基本方程,得到設(shè)計(jì)流量相應(yīng)正常水深的解析解公式;其次,對于非設(shè)計(jì)流量相應(yīng)正常水深,通過引入恰當(dāng)?shù)臒o量綱參數(shù),導(dǎo)出懸鏈線形渠道正常水深的迭代計(jì)算公式,同時(shí)利用優(yōu)化擬合原理得到初值計(jì)算公式,將初值函數(shù)代入迭代計(jì)算公式得到正常水深直接計(jì)算公式。

        1 正常水深的基本計(jì)算公式

        根據(jù)《水力學(xué)》[19]知,正常水深的基本方程為:

        (1)

        式中:Q為渠道通過流量,m3/s;WP為濕周,m;A為過水?dāng)嗝婷娣e,m2;n為渠道糙率系數(shù);i為渠道設(shè)計(jì)坡降。

        1.1 懸鏈線形斷面幾何特征及水力要素

        懸鏈線形斷面過水?dāng)嗝嫒鐖D1所示。

        圖1 懸鏈線形過水?dāng)嗝鍲ig.1 catenary-shaped cross section

        懸鏈線形斷面過水?dāng)嗝媲€方程為:

        (2)

        設(shè)過水?dāng)嗝鎸挾葹锽,則過水?dāng)嗝嫠σ胤謩e為:

        (3)

        (4)

        (5)

        式中:a為懸鏈線形斷面形狀參數(shù)。

        由式(5)可得:

        (7)

        (8)

        將式(8)代入式(3)可得:

        (9)

        將式(6)、(7)、(8)代入式(4)可得:

        (10)

        1.2 懸鏈線形斷面設(shè)計(jì)流量相應(yīng)正常水深的解析解

        在設(shè)計(jì)懸鏈線形斷面時(shí),a通常不給定,而是給出設(shè)計(jì)流量相應(yīng)正常水深的水面寬度B和a的比值η,即B/a=η。

        將式(3)、(4)代入式(1),整理得:

        (11)

        由式(11)可直接求得a的值,進(jìn)而可由式(5)直接計(jì)算正常水深h的值,即:

        (12)

        在懸鏈線形斷面的設(shè)計(jì)中,根據(jù)要求選定η的值,然后將n、Q、i、η的值代入式(12),即可求得設(shè)計(jì)流量相應(yīng)正常水深h的值。

        1.3 懸鏈線形斷面非設(shè)計(jì)流量相應(yīng)正常水深公式的推導(dǎo)

        將式(9)、(10)代入式(1),整理可得:

        (13)

        為方便分析,令:

        (14)

        式中:u為無量綱正常水深;k為無量綱綜合參數(shù)。

        將式(14)代入式(13)整理可得:

        (15)

        式(15)為懸鏈線形斷面非設(shè)計(jì)流量相應(yīng)正常水深的基本計(jì)算公式,即相應(yīng)正常水深h的隱函數(shù)方程。

        2 懸鏈線形斷面非設(shè)計(jì)流量相應(yīng)正常水深的直接計(jì)算公式

        2.1 無量綱正常水深u的取值范圍

        由文獻(xiàn)[4]知,懸鏈線形斷面為水力最佳斷面的條件是:h/a=1.592 1,即u=2.592 1。在設(shè)計(jì)中為同時(shí)獲得優(yōu)良的水力學(xué)條件和較好的經(jīng)濟(jì)性,應(yīng)該綜合考慮水力最佳斷面和經(jīng)濟(jì)最優(yōu)斷面這兩個(gè)因素,本文考慮這一工程實(shí)際,以h/a=1.592 1為中心,延展其取值范圍[h/5a,5h/a]=[0.318,7.961]作為h/a的取值范圍,而對于懸鏈線形斷面非設(shè)計(jì)流量的正常水深,取u∈[1.3,9.0]作為本文公式的適用范圍。

        2.2 正常水深的迭代計(jì)算公式

        由式(15)整理可得迭代公式為:

        (16)

        2.3 迭代公式收斂性的判斷

        由《數(shù)值分析》[20]知,對于局部收斂的判斷條件為:u=φ(u)有不動點(diǎn)u*,若存在u*的某個(gè)鄰域|u-u*|≤δ,使迭代函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)在該鄰域內(nèi)連續(xù),且|φ′(u*)|<1,則該鄰域內(nèi)任一點(diǎn)為初值的迭代都收斂于u*。

        令:

        (17)

        對式(17)進(jìn)行一階求導(dǎo)可得:

        (18)

        將式(15)代入式(18)整理可得:

        (19)

        (20)

        對y求極限:

        (21)

        由式(20)知,當(dāng)u>1時(shí),y為增函數(shù),由式(21)知,當(dāng)u右趨近1時(shí),y=0,則當(dāng)u>1時(shí),y>0時(shí),可得:

        (22)

        令z=0.4u2/(u2-1),對z求導(dǎo):

        (23)

        由式(23)知,當(dāng)u>1時(shí),函數(shù)z為減函數(shù),且當(dāng)z=1時(shí),u=1.290 994 45,則u∈[1.3,∞)時(shí):

        (24)

        由上述分析可知,在u∈[1.3,∞)范圍內(nèi),迭代式(16)對任意u均收斂。

        2.4 初值函數(shù)的選取及正常水深的直接計(jì)算公式

        已知u∈[1.3,9.0],即k∈[0.164 5,7.093 8],在u的取值范圍內(nèi),以一定的步長值給定一組數(shù)值,將其代入式(15)中,即可求得相應(yīng)的無量綱綜合參數(shù)k值。運(yùn)用MATLAB,采用最小二乘法求解目標(biāo)函數(shù),對散點(diǎn)(k、u)進(jìn)行擬合分析,在擬合過程中根據(jù)散點(diǎn)圖的曲線形狀選取合適的用戶模型,使得擬合公式相關(guān)系數(shù)最大,得到無量綱正常水深u的近似計(jì)算公式:

        u=1.087k0.741 1+0.230 8k1.367+0.995 9

        (25)

        當(dāng)斷面形狀參數(shù)a、流量Q、糙率n和坡降i已知的條件下,由式(14)可計(jì)算k的值,然后將k值代入式(25)求得初值u0,然后由式(14)、(16)得到正常水深的直接計(jì)算公式,即:

        (26)

        3 公式誤差分析及比較

        3.1 本文公式誤差分析

        在工程適用范圍內(nèi),即u∈[1.3,9.0],當(dāng)已知a、Q、n和i時(shí),k可由式(14)求得,真值u可由式(15)相應(yīng)求得,而在進(jìn)行誤差分析時(shí),在u∈[1.3,9.0]范圍內(nèi),給出無量綱正常水深u的值,根據(jù)式(14)、(15)、(25)、(26),反求無量綱正常水深和正常水深,對計(jì)算值的誤差分析采用相對誤差來描述,見圖2和圖3。

        圖2 初值公式誤差分析Fig.2 Relative error analysis of initial value formula

        圖3 迭代一次公式誤差分析Fig.3 Error analysis of the first iteration formula

        由圖2可見,當(dāng)無量綱綜合參數(shù)k∈[0.164 5,7.093 8]時(shí),無量綱正常水深初值最大相對誤差的絕對值小于0.014%,正常水深初值的最大計(jì)算誤差絕對值小于0.054%;迭代一次之后,無量綱正常水深最大相對誤差的絕對值小于0.002 6%,正常水深的最大計(jì)算誤差絕對值小于0.008 3%,可見,本公式為高精度計(jì)算公式,完全滿足工程需要。

        3.2 各家公式對比分析

        在目前為止,對于懸鏈線形斷面非設(shè)計(jì)流量相應(yīng)正常水深的計(jì)算,共有3家公式可供參考,各家公式對比分析情況見表1。

        由表1可見,設(shè)計(jì)流量相應(yīng)相正常水深的計(jì)算值為精確解,而對于非設(shè)計(jì)流量相應(yīng)正常水深計(jì)算公式,本文初值計(jì)算公式精度最高,高于黃開路等[16]公式、滕凱[17]公式和文輝等[18]公式,而迭代一次的直接計(jì)算公式精度數(shù)量級達(dá)到10-3。

        4 應(yīng)用舉例

        選用文獻(xiàn)[21]算例:某渠道橫斷面的形狀為懸鏈線形, 其設(shè)計(jì)流量Q=3 m3/s,渠道坡降i=1/1 500,糙率n=0.014,選用η=3.315。

        表1 懸鏈線形斷面非設(shè)計(jì)流量相應(yīng)正常水深計(jì)算公式統(tǒng)計(jì)表Tab.1 statistics table of normal water depth calculation formula for undesigned flow rate of catenary-shaped section

        注 :滕凱[17]公式,當(dāng)u∈[1.3,9.0]時(shí),正常水深h最大相對誤差絕對值為0.162%。

        在工程設(shè)計(jì)時(shí),Q為設(shè)計(jì)流量,本文采用設(shè)計(jì)流量相應(yīng)正常水深計(jì)算公式,得到解析解,同時(shí)采用非設(shè)計(jì)流量相應(yīng)正常水深計(jì)算公式,計(jì)算正常水深,對公式精度進(jìn)行驗(yàn)證,計(jì)算步驟如下:

        (1)當(dāng)已知η、Q、n和i時(shí),由式(12)可得,該渠道正常水深的精確解為h=1.308 82 m。

        (2)將η值代入式(11),可得a=0.762 56 m。

        (3)在a、Q、n和i已知的條件下,由式(14)確定k值,k=1.363 1。

        (4)將k值代入式(25),即可得到迭代初值u0=2.716 518,由式(14)可得正常水深h0=1.308 948 m,則相對誤差為0.009 78%。

        (5)將迭代初值u0代入直接計(jì)算公式(26),得u1=2.716 384,由式(14)可得正常水深h1=1.308 456 m,則相對誤差為0.001 96%。

        5 結(jié) 語

        依據(jù)懸鏈線形斷面幾何特征、水力要素和正常水深基本方程,得到設(shè)計(jì)流量相應(yīng)正常水深的解析解公式;通過引入恰當(dāng)?shù)臒o量綱參數(shù),對正常水深基本方程進(jìn)行數(shù)學(xué)變換,得到正常水深的迭代計(jì)算公式,同時(shí)利用優(yōu)化擬合原理得到正常水深的初值計(jì)算公式,經(jīng)一次迭代得到非設(shè)計(jì)流量相應(yīng)正常水深的直接計(jì)算公式,最后對公式進(jìn)行誤差分析及比較,結(jié)果表明,在工程適用范圍內(nèi),初值計(jì)算公式的最大相對誤差絕對值小于0.054%,直接計(jì)算公式的最大相對誤差絕對值小于0.008 3%,遠(yuǎn)高于現(xiàn)有計(jì)算公式精度,且公式結(jié)構(gòu)簡捷、適用范圍廣、物理概念清晰。

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