閆志方,賈云飛,王 宇
(1.廣東珠榮工程設(shè)計有限公司,廣東 廣州 510610;2.廣州開發(fā)區(qū)財政投資建設(shè)項目管理中心,廣東 廣州 510000;3.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室,江蘇 南京 210029)
堰流流量系數(shù)是溢洪道及水閘等泄水建筑物泄流能力計算中的關(guān)鍵參數(shù),當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者在堰流流量系數(shù)的計算方面已有大量研究:毛昶熙[1]從水力學(xué)基本原理研究計算公式的合理性,并以模型試驗資料驗證,給出了堰閘淹沒泄流的流量系數(shù)表達(dá)式和大孔徑隧洞泄洪流量的計算公式;張紹芳[2]在系統(tǒng)地研究低堰溢流的水力特性的基礎(chǔ)上,給出通用于不同堰型和堰高、水頭范圍的溢流能力的計算方法;林孟程[3]通過對寬淺式溢洪道低堰體型研究,得出寬淺式溢洪道低堰流量系數(shù)隨堰頂水頭及定型水頭的變化規(guī)律;Issam A.Al-Khatib等[4]通過實驗室水槽模型試驗并利用多元回歸模型對數(shù)據(jù)擬合得到矩形復(fù)合寬頂堰流量系數(shù)及流速系數(shù)計算公式;Mohamad Reza Madadi等[5]通過實驗室水槽模型試驗研究了梯形寬頂堰迎水面坡度對流量系數(shù)的影響,并通過曲線擬合得到流量系數(shù)與迎水面角度的函數(shù)關(guān)系;Nourani Bahram等[6]應(yīng)用數(shù)值模擬的方法分別引入2種智能模型計算寬頂堰流量系數(shù),并對2種模型參數(shù)有效性及計算結(jié)果進(jìn)行了評估和對比;馬欣等[7]通過水工模型試驗研究單宮V型迷宮堰不同布置方案的過流能力,并對試驗研究成果進(jìn)行數(shù)學(xué)回歸擬合分析,得到可直接用于工程設(shè)計的V型迷宮堰過流能力計算公式。
水庫設(shè)計中,溢洪道控制段控制著水庫的水位和下泄流量,是溢洪道的咽喉[8],其常用堰型有寬頂堰、實用堰,其中寬頂堰相對實用堰流量系數(shù)較小,但其結(jié)構(gòu)簡單,施工方便,地基應(yīng)力分布比較均勻,整體穩(wěn)定性較好,因此在泄流量不大的中小型水庫中得到了較廣泛應(yīng)用。
寬頂堰流量系數(shù)計算在溢洪道寬頂堰泄流能力計算中起著至關(guān)重要的作用,工程設(shè)計中主要采用現(xiàn)行水利行業(yè)規(guī)范[9](以下簡稱“SL規(guī)范”)中流量系數(shù)表、電力行業(yè)規(guī)范[10](以下簡稱“DL規(guī)范”)或水力計算手冊[11](以下簡稱“手冊”)中的經(jīng)驗公式進(jìn)行計算。SL規(guī)范中的流量系數(shù)采用與相對上游堰高P1/H及底坎形狀有關(guān)的二維表格,考慮因素比較全面,但要計算泄流能力的水位-泄流量曲線時,需要進(jìn)行P1/H與r/H或cotθ(Δx/Δy)2個參數(shù)的二維線性內(nèi)插,計算較為繁瑣;DL規(guī)范及手冊中流量系數(shù)是與相對上游堰高P1/H單變量有關(guān)的函數(shù),計算時可編輯公式快速計算,運用方便,但是由于考慮因素單一,會導(dǎo)致計算精度較低或應(yīng)用范圍較窄。
齊清蘭等[12]根據(jù)SL規(guī)范中流量系數(shù)表數(shù)據(jù)應(yīng)用最小二乘回歸分析法擬合了有坎寬頂堰流量系數(shù)的經(jīng)驗公式,計算精度高于DL規(guī)范公式,但是由于其擬合的流量系數(shù)公式是不同r/H或cotθ(Δx/Δy)值下的單變量P1/H公式,進(jìn)行水位-泄流量曲線計算時參數(shù)r/H是跟水頭H有關(guān)的變量,仍需進(jìn)行一次r/H線性內(nèi)插,計算不夠方便;單長河等[13]采用二元非線性回歸分析法對多個數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析,結(jié)合實測資料得到了無坎寬頂堰流量系數(shù)的經(jīng)驗公式,克服了查表法多次內(nèi)插帶來的不便,但是其擬合的經(jīng)驗公式是以翼墻型式及寬度的收縮程度為自變量的表達(dá)式,與常用的規(guī)范及手冊上的自變量差別較大,使用仍不夠方便。為方便SL規(guī)范流量系數(shù)表格使用,本文將利用SL規(guī)范中數(shù)據(jù)采用二元非線性擬合的方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到底坎為圓角的寬頂堰流量系數(shù)公式m=f(r/H,P1/H),將其與電力規(guī)范公式比較,并對兩者計算誤差進(jìn)行分析討論。
有理函數(shù)屬于簡單函數(shù),它雖比多項式復(fù)雜,但用其近似表示函數(shù)時,卻比多項式靈活,更反映函數(shù)的一些特性[14]。因此本次二元非線性擬合將采用二元有理函數(shù)作為擬合函數(shù)。二元有理擬合就是尋求二元有理函數(shù):
(1)
使之滿足下列插值條件:
r(xi,yj)=fij,(i=0,1,2,……m,j=0,1,2,……n)
(2)
式中P(x,y)、Q(x,y)——二元多項式;fij——樣本數(shù)據(jù)在(xi,yj)點的值。
吳曉韻[15]在逼近二元表格函數(shù)時,選用了二元有理函數(shù),通過使性能指標(biāo)J0(a)=極小來求解各項待定系數(shù)ai。本文根據(jù)吳曉韻[15]的思路選用式(3)對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,函數(shù)表達(dá)式為:
(3)
式中a1,a2,……,a9——待求系數(shù)。
令x=r/H,y=P1/H,則式(3)可表示為:
(4)
本研究所用樣本數(shù)據(jù)為SL規(guī)范中表A.2.3-1、A.2.3-2數(shù)據(jù),由于底坎為直角或斜面時cotθ=0的情況與底坎為圓角時r/H=0為同一種情況,因此本次將底坎為直角或斜面時cotθ=0條件下的m值表數(shù)據(jù)與底坎為圓角時的表格數(shù)據(jù)結(jié)合作為本研究的樣本數(shù)據(jù),見表1。
表1 底坎為帶圓角的寬頂堰流量系數(shù)m值
因基礎(chǔ)數(shù)據(jù)在P1/H∈(6,+∞)區(qū)間無明確數(shù)據(jù),故本文進(jìn)行擬合時僅采用P1/H∈[0,6.0]對應(yīng)樣本數(shù)據(jù)。經(jīng)擬合,求解出式(4)中各待定參數(shù)值及其相關(guān)性見表2,擬合函數(shù)曲面圖見圖1。
表2 函數(shù)待定參數(shù)值、標(biāo)準(zhǔn)誤差及相關(guān)性
圖1 擬合函數(shù)曲面圖
(5)
式中m——寬頂堰流量系數(shù);H——堰頂水頭,m;P1——寬頂堰坎高,m;r——坎頂圓角半徑,m。各參數(shù)見圖2。
圖2 寬頂堰示意
將SL規(guī)范表A.2.3-1、A.2.3-2數(shù)據(jù)及其線性插值結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)值,分別用本次擬合公式及DL規(guī)范計算公式計算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對比。DL規(guī)范寬頂堰流量系數(shù)m計算公式見式(6)、(7)。式中各參數(shù)同式(5)。
進(jìn)口底坎為方角時:
(6)
進(jìn)口底坎為圓角時:
(7)
本次分別對各公式在r/H=0、r/H=0.025、r/H=0.05、r/H=0.10、r/H=0.20、r/H=0.40、r/H=0.60、r/H=0.80時,對應(yīng)P1/H=0~6時計算結(jié)果進(jìn)行比較,計算結(jié)果見圖3。由圖3計算結(jié)果可看出:①擬合式(5)計算出的流量系數(shù)m在r/H各取值下與SL規(guī)范表格標(biāo)準(zhǔn)值趨勢相同,且計算點與標(biāo)準(zhǔn)曲線基本重合;②DL規(guī)范式(6)和(7)計算流量系數(shù)m在r/H<0.20時,均位于標(biāo)準(zhǔn)值曲線之上,此時DL規(guī)范公式計算結(jié)果偏大,隨著r/H增大,計算點與標(biāo)準(zhǔn)曲線差距逐漸減??;③r/H=0.20時計算m值與標(biāo)準(zhǔn)曲線基本重合且優(yōu)于式(5)計算結(jié)果;④r/H>0.20時,計算流量系數(shù)m均位于標(biāo)準(zhǔn)值曲線之下,此時DL規(guī)范公式計算結(jié)果偏小,隨著r/H增大,計算點與標(biāo)準(zhǔn)曲線差距逐漸增大。
綜上分析,總體而言擬合式(5)計算結(jié)果優(yōu)于DL規(guī)范式(6)和(7)計算結(jié)果。
a)r/H=0
b)r/H=0.025
c)r/H=0.05
d)r/H=0.1
e)r/H=0.2
f)r/H=0.4
g)r/H=0.6
h)r/H=0.8
i)r/H≥1.0
為定量比較擬合式(5)與DL規(guī)范公式的計算精度,需對兩公式計算結(jié)果進(jìn)行誤差比較。戴文鴻等[16]在比較穩(wěn)定河道計算方法時采用了差異比(DR)、相對誤差(RE)、幾何平均偏差(GAD)3個指標(biāo),本文將采用這3項指標(biāo)來分析比較計算值與標(biāo)準(zhǔn)值之間的誤差。指標(biāo)計算式如下:
(11)
(12)
(13)
式中Cc——計算值;Cm——標(biāo)準(zhǔn)值;N——數(shù)據(jù)組數(shù)。
DR越接近1表示計算值與標(biāo)準(zhǔn)值越接近;RE越接近0表示計算值與標(biāo)準(zhǔn)值越接近;GAD越接近1表示計算值與標(biāo)準(zhǔn)值越接近。
經(jīng)計算,不同r/H值下擬合式(5)與DL規(guī)范公式計算結(jié)果的平均相對誤差、平均差異比及平均幾何平均偏差對比見圖4。從圖中可看出如下結(jié)果。
a)平均相對誤差
b)平均差異比
c)平均幾何平均偏差
a)平均相對誤差:擬合式(5)平均相對誤差在r/H各取值下均在1%以下,且在0.5%上下變化。DL規(guī)范公式平均相對誤差在r/H<0.20時從7.36%逐漸減小到1.33%,該范圍內(nèi)平均相對誤差在1%以上;r/H=0.20時平均相對誤差達(dá)到最小值0.26%;r/H>0.20時平均相對誤差從0.97%逐漸增大到2.83%,該范圍內(nèi)平均相對誤差在3%以內(nèi)。
b)平均差異比:擬合式(5)平均差異比在r/H各取值下均在1±0.01以內(nèi)。DL規(guī)范公式平均差異比在r/H<0.20時從1.07逐漸減小到1.01,最大變幅+0.07;r/H=0.20時平均差異比達(dá)到最小值1.002;r/H>0.20時平均差異比從0.99逐漸減小到0.97,最大變幅-0.03。
c)平均幾何平均偏差:擬合式(5)平均幾何平均偏差在r/H各取值下均在1~1.01以內(nèi),最大變幅+0.01。DL規(guī)范公式平均差異比在r/H<0.20時從1.07到1.01逐漸減小靠近1.00,最大變幅+0.07;r/H=0.20時平均差異比達(dá)到最小值1.003;r/H>0.20時平均差異比從1.01到1.03逐漸增大偏離1.00,最大變幅+0.03。
綜上分析:從整體水平上擬合式(5)各誤差指標(biāo)變化范圍較小,且均在較優(yōu)的范圍內(nèi);DL規(guī)范公式各誤差指標(biāo)變化范圍較大,在r/H<0.20時偏離最優(yōu)值較大,在r/H=0.20時最接近最優(yōu)值,在r/H>0.20偏離最優(yōu)值相對較小。因此擬合式(5)在r/H各取值下均適用,DL規(guī)范公式僅在r/H≥0.20時較適用。
選取貴州省某水庫溢洪道設(shè)計作為實例,采用擬合式(5)進(jìn)行計算,并與查SL規(guī)范表格計算值進(jìn)行對比。貴州某水庫溢洪道由引渠段、交通橋段、控制段、泄槽段、消力池段和海漫段等部分組成,溢洪道全長226.83 m,其中引渠段長47.41 m,交通橋段長10 m,控制段長15 m,泄槽段長92.05 m,消力池段長28 m,海漫段長34.37 m。溢洪道控制段堰型為有坎寬頂堰,坎高P1=1.50 m,堰頂高程為892.00 m,與正常蓄水位平齊。泄槽段坡比1.0∶2.3,全段無變坡,寬度由17.50 m收縮為12 m。消力池型式為底流消能,底板高程851.50 m,池深3.50 m,池長28.00 m。
設(shè)計計算分別選取坎頂圓弧半徑r=0、r=0.5P1=0.75 m、r=P1=1.5 m 3種型式,每種型式計算堰頂水頭范圍為0.2~15 m系列計算各流量系數(shù)。計算結(jié)果見表3。
表3 不同圓角半徑各堰頂水頭下流量系數(shù)計算結(jié)果
將上表m標(biāo)準(zhǔn)值作為x坐標(biāo),對應(yīng)m擬合計算值作為y坐標(biāo)繪制于直角坐標(biāo)系,見圖5。從圖中看出,r/P1=0時各點基本與“計算=標(biāo)準(zhǔn)”線重合;r/P1=0.5及r/P1=1.0時各散點均勻分布于“計算=標(biāo)準(zhǔn)”線附近,且大部分位于±1%誤差線之間,僅有個別點在-1%誤差線外,但較接近-1%誤差線。分析其原因,位于-1%誤差線以外的點為堰頂水頭H較小時的計算結(jié)果,當(dāng)H較小且P1/H>6時將超出擬合式(5)的樣本范圍,在樣本數(shù)據(jù)范圍外式(5)計算精度難以保證。
因此,在工程設(shè)計中當(dāng)P1/H≤6時可應(yīng)用式(5)替代查SL規(guī)范表A.2.3-2計算寬頂堰流量系數(shù);在P1/H>6時須對計算的結(jié)果進(jìn)行分析,若坎高P1不大,P1/H>6時堰頂水頭H亦較小,此時式(5)計算結(jié)果偏小,在工程上偏安全,亦可用式(5)計算結(jié)果近似替代查SL規(guī)范表的值。
圖5 實例驗證
a)選取SL規(guī)范表A.2.3-1、A.2.3-2數(shù)據(jù)作為樣本數(shù)據(jù),應(yīng)用二元有理插值函對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到溢洪道寬頂堰流量系數(shù)的二元函數(shù)表達(dá)式m=f(r/H,P1/H),該公式可避免查表多次內(nèi)插的繁瑣工作。
b)經(jīng)對擬合公式及DL規(guī)范公式進(jìn)行驗證比較,擬合公式計算結(jié)果優(yōu)于DL規(guī)范公式計算結(jié)果。
c)經(jīng)對擬合公式及DL規(guī)范公式計算結(jié)果的平均相對誤差、平均差異比及平均幾何平均偏差三誤差指標(biāo)比較,擬合公式在r/H各取值下均適用,DL規(guī)范公式僅在r/H≥0.20時較適用。
d)選取某水庫溢洪道設(shè)計作為實例,經(jīng)過對計算結(jié)果分析,在工程設(shè)計中可應(yīng)用擬合公式替代查SL規(guī)范表計算寬頂堰流量系數(shù)。