专利名称：一种稳定输水渠道的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种稳定输水渠道，它包括输送低含沙水流的不冲不淤平衡渠道和输送高含沙水流的冲淤平衡渠道。
背景技术：
输水渠道按有无衬砌，分为有衬砌的渠道和无衬砌的渠道。对于修建在质地松散土壤上未加衬砌的输水渠道，如果设计不当，渠道将会发生严重的冲刷或淤积变形，甚至影响渠道的正常运行。目前，输送低含沙水流的渠道多采用不冲不淤设计方法，即先通过联解河相关系式、水流连续方程和曼宁公式，求出渠道的纵横断面尺寸和相应流速，然后再校核流速是否满足不冲不淤条件，若不满足再重新计算。这种试算法有两个主要缺点(1)经验性河相关系式是根据特定地区资料提出的，故没有通用性，而且河相系数变幅较大，不容易确定，一旦有误，将引起渠道严重变形；(2)由于采用试算校核法，计算结果不唯一，有一定变化幅度。对于输送高含沙水流的渠道多采用冲淤平衡设计方法，但目前冲淤平衡稳定渠道设计方法还不够成熟，没有达到实用程度，仍处于研究探索阶段。尽管本申请的发明人对输水渠道的不冲不淤设计方法和冲淤平衡设计方法曾作过一些研究，提出了优化设计方法(见水动力学研究与进展，1993(增刊)567～570，和水利学报，1996(7)61～66)，但申请人经过多年的进一步深入研究，发现已发表的成果尚存有一些不足。如，作为优化设计的目标函数-最小能耗率原理数学表达式，原表达方式为Φ＝(γQ+γsGs)J＝最小(其中γ为水的比重，Q为流量，γs为泥沙的比重，Gs为输沙量，J为河道纵坡比降)，这一公式由美籍华人杨志达给出(见YangC.T.，Song C.C.S.and Woldenberg M.J.Hydraulic Gemoetry and Minimum Rate of EnergyDissipation.Water Resources Research，1981，Vol.17(4)1014～1018)，未经理论证明，只是认为含沙水流的能耗率应比清水的能耗率γQJ多一项γsGsJ。实际上，与式Φ＝(γQ+γsGs)J＝最小联用的约束方程中包含有输沙率方程，如果再使用式Φ＝(γQ+γsGs)J＝最小，将会有重复选取输沙率作为变量之嫌。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种稳定输水渠道，该输水渠道在运行过程中横断面形状可以保持相对稳定，同时渠道沿程既不发生冲刷也不发生淤积，或在一定时期内渠段内的淤积量和冲刷量基本保持平衡。
本发明的一种稳定输水渠道，它包括输送低含沙水流的不冲不淤平衡渠道和输送高含沙水流的冲淤平衡渠道，所述的不冲不淤平衡渠道的横断面的数学计算式为
所述的冲淤平衡渠道的横断面的数学计算式为
其中上述两式的目标函数为 采用本发明的稳定渠道能够避免渠道在运行过程中发生严重的冲刷或淤积变形，使渠道的几何断面形态保持相对稳定。
图1为稳定输水渠道梯形横断面示意图。图中b为断面底宽；B为断面水面宽；h为断面水深；m为断面边坡系数。
图2为输水渠道冲刷、淤积和平衡区间示意。
具体实施例方式 下面结合附图和具体实施例对本发明作以详细描述。
本发明是通过下述技术方案实现的根据最小熵产生原理或最小能耗率原理，用最小能耗率原理数学表达式Φ＝γQJ＝最小值，(式中γ为水的比重，Q为渠道设计流量，J为渠道纵坡比降)取代经验性河相关系式作为目标函数，以不冲不淤平衡或冲淤平衡作为约束条件，建立起输水渠道优化设计数学模型，利用最优化计算技术直接迭代求解输水渠道几何形态值。不冲不淤平衡渠道一般应用于渠道水流含沙量最小时的不冲流速大于水流含沙量最大时的不淤流速的情况。而冲淤平衡渠道用于渠道水流含沙量最大时的不淤流速大于水流含沙量最小时的不冲流速的情况。
不冲不淤平衡渠道的优化设计数学模型
冲淤平衡渠道优化设计数学模型
其中目标函数 式中b为梯形断面底宽；h为水深；m为梯形断面边坡系数，其值一般可根据渠床土质条件、水深和施工条件等因素查阅有关设计手册确定(如武汉水利电力学院水力学教研室编，水力计算手册，水利出版社，1980)；n为糙率，它不仅与渠道表面粗糙程度有关，还随着含沙量及流量而变化，在初步设计时可视n值为常数，具体数值的确定参见有关水力学手册(如武汉水利电力学院水力学教研室编，水力计算手册，水利出版社，1980)；Q为渠道设计流量；ΔHl(i＝1，2…n)为渠道在一个设计代表年或汛期结束时各计算渠段累计冲淤厚度；εH为冲淤厚度允许误差值，可根据计算精度确定，一般可取εH＝0.1-1.0cm；υ不冲、υ不淤分别为不冲流速和不淤流速(m/s)，可视当地情况选用合适的不冲流速和不淤流速公式计算。
以上输水渠道优化设计数学模型是一个不等式约束的非线性极小化问题，可采用内点罚函数法将约束优化问题转化为无约束优化问题，然后利用步长加速法迭代计算，也可采用其他优化计算方法迭代计算(参见韦鹤平编著，最优化技术应用，同济大学出版社，1987)。
引入内点罚函数后，式(1)转化为下列形式无约束极小化问题 引入内点罚函数后，式(2)转化为下列形式无约束极小化问题 或 式中F(x，MK)为增广目标函数；Φ(x)为原目标函数；
分别为为惩罚项；Mk为惩罚因子，当Mk由某个大于零的正数(例如取M1＝1)趋于零时，增广目标函数F(x，Mk)的极小值就会逐步逼近式(1)或式(2)的最优解(参见韦鹤平编著，最优化技术应用，同济大学出版社，1987)。在计算中，为避免仅求出局部极小值解，应在可行域内选择多个不同初始点进行迭代计算，求出多个极小值，然后从中选出目标函数(即比降)为最小者作为最优解。
求解式(3)、(4)或(5)就可直接计算出梯形断面底宽b，水深h。然后将b、h及设计流量Q、糙率n、边坡系数m值代入以下曼宁公式求得渠道纵坡比降J 下面简要介绍一下υ不冲、υ不淤的国内具有代表性的计算方法 1.渠道水流挟沙力 目前关于渠道水流挟沙力的研究成果很多，但大多是经验公式，缺少通用性，一般只适用于资料来源区。
(1)张瑞瑾挟沙力公式在国内应用较普遍，既可用于天然河流，又可用于人工渠道。该公式结构形式基于挟沙水流能量平衡原理，从理论上导出，但式中的系数和指数的确定却依赖于实测资料，仍未摆脱经验公式的性质。其结构形式为 式中s*为悬移质挟沙力(kg/m3)；υ为断面平均流速(m/s)；ω为泥沙沉速(m/s)；R为水力半径(m)；g为重力加速度(m/s2)；k，m分别为系数和指数，根据当地实测资料确定。该式可用于含沙量变幅在10-1～102kg/m3的水流。使用该式的关键在于合理确定式中的系数和指数。
(2)黄科所在1956年根据引黄渠系河南省人民胜利渠实测资料，采用统计分析方法建立起一个渠道水流挟沙力公式，后经过不断补充资料并加以改进完善，于1958年提出如下形式渠道水流挟沙力公式 式中ω为泥沙沉速(cm/s)；h为平均水深(m)；B为水面宽(m)；其它符号意义同前。建立该式引用的含沙量变化范围在0.095～196.3kg/m3，但含沙量超过40kg/m3的资料大多依据水槽试验资料。张浩利用陕西省洛惠渠1974年实测的部分含沙量在82～900kg/m3的资料对该式进行验证，发现实测值比计算值大数十倍，个别的甚至大百倍以上。该式适用于黄河下游引黄渠系，经多年使用表明，与实测值接近。
(3)山东省水科所利用本省引黄渠系实测资料建立起下列形式渠道水流挟沙力公式 式中ω为泥沙沉速(cm/s)；其它符号意义同前。上式适用于土质渠道，且具有较强的地区性，广泛用于山东省引黄渠系，与实测值较吻合。
(4)沙玉清运用相关分析方法，通过对搜集到的1000多组国内外水槽试验资料和黄河干支流及其渠系、长江、官厅水库等实测资料回归分析，得到如下形式水流挟沙力公式 式中d50为泥沙中值粒径(mm)；ω为泥沙沉速(mm/s)；υ01为挟动幺速(m/s)，是水流挟沙力s*＝0时水流的幺速，与泥沙运动状态有关，其值介于止动幺速和开动幺速之间；n为指数，与水流的弗氏数Fr有关，对于Fr<0.8的缓流，n＝2，对于Fr>0.8的急流，n＝3；K为挟沙系数，根据水流挟沙力饱和程度，可分为正常挟沙系数、不淤挟沙系数和不冲挟沙系数。该式适用于含沙量s<1000kg/m3情况。
众多实测资料表明，水流挟沙力与流速并非单值关系，而是呈“带状”分布，存在着上下限。也就是说，对应于渠道某一设计流速υ，有两个极限挟沙力。上限是不淤挟沙力s不淤，下限是不冲挟沙力s不冲(见图2)。不淤挟沙力与不冲挟沙力之间的平均值为正常挟沙力，上述挟沙力公式所给出的就是正常挟沙力。当水流中的含沙量s在s不冲至s不淤之间变化时，渠道不冲不淤，此时水流含沙量与挟沙力相适应，即所谓饱和输沙。当s>s不淤时，渠道就会发生淤积，即超饱和输沙。当s<s不冲时，渠道就会发生冲刷，即次饱和输沙。
利用沙玉清挟沙力公式(4)，采用不同的挟沙系数，可以计算出不淤挟沙力s不淤和不冲挟沙力s不冲。
式中KH，KK分别为不淤挟沙系数和不冲挟沙系数；
和
分别为止动幺速(m/s)和开动幺速(m/s)，采用下列公式计算 式中d50为泥沙中值粒径(mm)；ε为孔隙率，在没有实测资料情况下，可近似取ε＝0.4；其它符号意义同前。
渠道不淤流速和不冲流速可根据挟沙力公式反求。不淤流速可由不淤挟沙力公式求得。不冲流速分两种情况求出一种情况是渠道通过浑水时，不冲流速由不冲挟沙力公式反求；另一种情况是渠道通过清水时，不冲流速就等于床面泥沙起动流速。但在实际设计中，渠道不淤流速和不冲流速大多使用从大量实测资料中整理总结出来的经验公式，这些公式具有较强的地区性，使用时要特别注意到这一点。
2.渠道不淤流速 (1)沙玉清依据其挟沙力公式(4)，选用不淤挟沙系数，取指数n＝2，导出渠道缓流不淤流速公式如下
式中s为含沙量，kg/m3；
为止动幺速，m/s，由式(7)计算。其它符号意义见式(4)。
(2)西北水科所利用银川灌区、内蒙灌区、陕西省渭惠渠、河南省人民胜利渠、山东省打渔张灌区实测资料和水槽试验资料于1964年提出一个黄土地区渠道不淤流速公式 υ不淤＝2.72(sω)1/4R3/8 (m/s) (10) 式中s为含沙量，kg/m3；ω为泥沙平均沉速，m/s；R为水力半径，m。
(3)西北水科所利用黄河流域河道、渠系及废黄河实测资料，对6个不同挟沙力公式进行了比较，最后推荐使用维里卡诺夫挟沙力公式，由此挟沙力公式导出下列不淤流速公式
式中s为含沙量，kg/m3；ω为泥沙平均沉速，cm/s；R为水力半径，m；g为重力加速度，m/s2；A为系数，可分三种情况取值当泥沙粒径较细，渠道本身因土质坚硬或其它原因不能补给水流以泥沙时，取A＝20；当泥沙粒径较粗，且主要从渠道中冲刷补给时，取A＝3；当泥沙部分来源于流域流失的细泥，部分从渠道中冲刷补给时，取A＝7.6。
(4)黄科所根据河南省人民胜利渠实测资料建立的不淤流速公式为 υ不淤＝0.23s1/3Q1/5 (m/s)(12) 式中s为含沙量，kg/m3；Q为流量，m3/s。该式适用于河南省引黄渠系。
(5)山东省打渔张灌区，根据该灌区86组实测资料提出的不淤流速公式为 υ不淤＝αQβ (m/s)(13) 式中α、β分别为系数和指数，由表1确定。该式适用于山东省引黄渠系。
表1 打渔张不淤流速公式的系数和指数
3.渠道不冲流速 (1)沙玉清依据其挟沙力公式(4)，选用不冲挟沙系数，取指数n＝2，导出渠道缓流不冲流速公式如下
式中s为含沙量，kg/m3；
为开动幺速，m/s，由式(8)计算。其它符号意义见式(4)。
(2)西北水科所利用陕西省泾惠渠、洛惠渠和渭惠渠三大灌区实测资料，整理出如下形式不冲流速公式 υ不冲＝αR0.4 (m/s)(15) 式中α为系数，对于中等密实粉质壤土(泾惠渠、渭惠渠)α＝0.96，对于中等密实沙壤土(洛惠渠)α＝0.86；R为水力半径(m)。
(3)西北水科所利用银川灌区、陕西省渭惠渠、河南省人民胜利渠、原苏联塔什干灌区实测资料和部分水槽试验资料，提出下列形式不冲流速公式
式中γ、γs分别为水和泥沙容重；g为重力加速度，m/s2；R为水力半径，m；s为含沙量，kg/m3。
(4)黄科所提出的适用于黄河下游引黄渠系的不冲流速公式 υ不冲＝υ0(2.5sR3/2ω1/2+1)1/3 (m/s)(17) 式中υ0为清水时相同水力半径下的不冲流速，m/s，其数值由表2查取；s为含沙量，kg/m3；R为水力半径，m；ω为泥沙平均沉速，cm/s。
表2 沙壤土和粉质壤土清水不冲流速 实施例1 已知渠道设计流量Q＝200m3/s，年平均含沙量S＝18.35kg/m3，悬沙平均沉速ω＝0.15cm/s，糙率n＝0.01，边坡系数m＝1.5，应用不冲不淤输水渠道数学模型计算渠道横断面及纵比降。
首先选用下列两式分别计算不冲流速和不淤流速 υ不冲＝υ0(2.5sR3/2ω1/2+1)1/3 式中υ不冲为不冲流速(m/s)；υ0为清水时相同水力半径下的不冲流速(m/s)，本实施例中取υ0＝0.52m/s；S为含沙量(kg/m3)；R为水力半径(m)；ω为泥沙平均沉速(cm/s)。
式中υ不淤为不淤流速(m/s)；S为含沙量(kg/m3)；ω为泥沙平均沉速(cm/s)；R为水力半径(m)；g为重力加速度(m/s2)；A为系数，本实施例中取A＝20。
然后将不冲流速和不淤流速计算公式代入不冲不淤渠道的优化设计数学模型中，根据所述的式(3)，即求得渠道横断面底宽b、水深h。再将底宽b、水深h代入公式求得纵比降J。计算结果见下表。
计算结果 实施例2 已知渠道设计流量Q＝10.0m3/s，最大许可含沙量Smax＝296kg/m3，悬沙中值粒径d50＝0.039mm，糙率n＝0.025，边坡系数m＝1.0，应用冲淤平衡输水渠道数学模型计算渠道横断面及纵比降。
首先选用下列两式分别计算最大许可含沙量smax时的不淤流速υ不淤和最小含沙量smin时的不冲流速υ不冲
式中KH、KK分别为不淤挟沙系数和不冲挟沙系数，对于黄土渠道，KH＝3200，KK＝1100；d50为泥沙中值粒径(mm)；R为水力半径(m)；ω为泥沙平均沉速(mm/s)；
分别为止动幺速(m/s)和开动幺速(m/s)。
然后将不冲流速和不淤流速计算公式代入冲淤平衡渠道优化设计数学模型中，根据所述的式(4)，既求得渠道横断面底宽b、水深h。再将底宽b、水深h代入公式求得纵比降J。计算结果见下表。
计算结果
权利要求
1.一种稳定输水渠道，它包括输送低含沙水流的不冲不淤平衡渠道和输送高含沙水流的冲淤平衡渠道，所述的不冲不淤平衡渠道的横断面的数学计算式为
所述的冲淤平衡渠道的横断面的数学计算式为
其中上述两式的目标函数
全文摘要
本发明公开了一种稳定输水渠道，它包括输送低含沙水流的不冲不淤平衡渠道和输送高含沙水流的冲淤平衡渠道，所述的不冲不淤平衡渠道的横断面的数学计算式为右上式，所述的冲淤平衡渠道的横断面的数学计算式为右下式，其中上述两式的目标函数为Φ(x)＝Q2n2(b+2h 1+m2)4/3/(bh+mh2)10/3。采用本发明的稳定渠道能够避免渠道在运行过程中发生严重的冲刷或淤积变形，使渠道的几何断面形态保持相对稳定。
文档编号E02B13/00GK101418564SQ20081015393
公开日2009年4月29日 申请日期2008年12月10日 优先权日2008年12月10日
发明者徐国宾, 昉 刘 申请人:天津大学