專利名稱：：渠首人工引水彎道的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及低水頭引水渠首工程，特別涉及一種渠首人工引水彎道。
背景技術：
：引水渠首中人工引水彎道的作用是形成橫向環(huán)流，使表層清水流向凹岸，經(jīng)進水閘進入渠道；底層挾沙水流流向凸岸，經(jīng)沖沙閘排往下游河道(如圖1)。引水彎道內(nèi)環(huán)流愈強烈穩(wěn)定，則引水排沙效果愈好。所以，引水彎道的設計關系到整個引水渠首的成敗。目前引水渠首中人工引水彎道設計主要是憑借經(jīng)驗或模型試驗，并沒有理論方法的指導。因此，設計中帶有很大的隨意性和盲目性。有時，因引水彎道尺寸選擇不合理，造成引水彎道內(nèi)嚴重沖淤變形，影響引水渠首正常運行，不得不花費大量人力物力重新改建。本發(fā)明為解決公知技術中存在的技術問題而提供一種渠首人工引水彎道，該彎道能夠產(chǎn)生穩(wěn)定而強烈的橫向環(huán)流，避免運行過程中發(fā)生較大的沖淤變形，保證進水閘正常引水。本發(fā)明為解決公知技術中存在的技術問題所采取的技術方案是一種渠首人工引水彎道，該彎道斷面為梯形，該彎道的結構參數(shù)包括斷面底寬6、平均水深A、彎道中心曲率半徑^、彎道中心長度^，所述參數(shù)的數(shù)學計算式為求=/z^Zc]r使①(x)~>min,滿足G,(jc)20(/=1，2,3，4,5)
發(fā)明內(nèi)容G,(jc)-1.5-C^03式中C,=——("+^2H;g為流量；"為糙率；附為梯形斷面邊坡系數(shù)。g"2^c(6+2Wl+附2〖3本發(fā)明具有的優(yōu)點和積極效果是能夠產(chǎn)生穩(wěn)定而強烈的橫向環(huán)流，避免運行過程中發(fā)生較大的的沖刷或淤積變形，使引水彎道的幾何斷面形態(tài)保持相對穩(wěn)定，保證進水閘正常引水。圖l是本發(fā)明的結構示意圖；圖2是圖1的A-A斷面圖。圖中6為斷面底寬；A為彎道中心曲率半徑、^為彎道中心長度；A為斷面平均水深；m為斷面邊坡系數(shù)。具體實施例方式為能進一步了解本發(fā)明的
發(fā)明內(nèi)容、特點及功效，茲例舉以下實施例，并配合附圖詳細說明如下請參閱圖1和圖2，本發(fā)明是通過下述技術方案實現(xiàn)的根據(jù)基于最小熵產(chǎn)生原理導出的最小能耗率原理，用最小能耗率原理數(shù)學表達式。=;/=最小值，作為目標函數(shù)；以環(huán)流強度條件，沖沙條件作為約束條件，建立起人工引水彎道優(yōu)化設計數(shù)學模型，利用最優(yōu)化計算技術直接迭代求解人工引水彎道斷面底寬&、平均水深/2、彎道中心曲率半徑尺、彎道中心長度4、縱比降丄人土引水彎道優(yōu)化設計數(shù)學模型如下1.目標函數(shù)采用水流能耗率作為引水彎道設計的目函數(shù)。0)=;^/(1)式中^為水容重；g為流量；《/為縱比降。對于特定的引水彎道，其設計流量g為已知，那么①最小也就意味著比降J最小，即0=/=最小(2)彎道縱比降可近似采用曼寧公式計算，即=#(3)及/3式中"為彎道縱向平均流速；"為糙率；及為水力半徑。人工引水彎道過水斷面一般設計成梯形斷面，將梯形斷面水力要素及水流連續(xù)方程代入式(3)，得r—g2M2(6+2Wl+/2^J一2、197、"式中6為梯形斷面底寬；A為斷面平均水深；W為梯形斷面邊坡系數(shù)。2.設計變量設計引水彎道時，在已知彎道設計流量G、糙率"、泥沙中值粒徑d及梯形斷面邊坡系數(shù)m情況下，需要確定彎道底寬6、斷面平均水深/、彎道中心曲率半徑A、彎道中心長度A、縱比降J和斷面縱向平均流速"。但J和"并非獨立變量，因為6、/2確定后，便可由曼寧公式和水流續(xù)方程求出。故獨立變量為6、/、ie、￡e。這4個變量構成本模型設計變量;c=[6^￡j3.約束條件弓I水彎道幾何形態(tài)應滿足下列條件-(1)環(huán)流強度條件引水彎道內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定而強烈的橫向環(huán)流是保證引水渠首正常運行的關鍵。衡量橫向環(huán)流的指標是環(huán)流強度。環(huán)流強度多種表示方法，這里用水面橫比降厶和縱比降J的比值，作為環(huán)流強度的判數(shù)，既C,丄(5)將人-(，hl^,r6"，2代入式(5)，得g及c及/36+2/Vl+m2C廠一+mA"^_(6)通過分析10余座引水渠首的彎道資科，發(fā)現(xiàn)環(huán)流強度C,達到1的，彎道環(huán)流作用強，渠首運行條件較好；C,不足l的，彎道環(huán)流不明顯，渠首運行條件較差，彎道內(nèi)產(chǎn)生嚴重淤積。故建議Cf在下列范圍內(nèi)取值(7)式(7)可寫成如下兩個約束條件(^00=1.5-C,20(8)G2(x)=C;-l》0(9)為了保證彎道內(nèi)橫向環(huán)流結構能夠充分發(fā)展，還必須使引水彎道有足夠的長度。根據(jù)已建成的工程資料統(tǒng)計，引水彎道中心長度^取下列值ic2ie《1.4ic(10)或G3(;c)=1.4&-丄￡20(11)G4(x)=4-^c20(12)(2)沖沙條件為了使進入彎道內(nèi)的泥沙能夠通過沖沙閘順利輸送至下游河道，而不至于淤積在彎道內(nèi)，彎道縱向平均流速t;應大于彎道沖沙流速。沖沙流速可按下式計算i^l.3"e(13)式中^為泥沙起動流速，可采用以下公式計算，即uc=5.39C(14)式中/為彎道平均水深；^為泥沙中值粒徑。將式(14)和水流連續(xù)方程代入式(13)，有2、7.01/zai4d036(15)2G5(a0=~-7.0仏014^°3620(16)綜上所述，本模型是一個由4個設計變量5個不等式約束條件構成的優(yōu)化數(shù)學模型<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>引入內(nèi)點罰函數(shù)后，上式轉化為下列形式無約束極小化問題-<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>式中F(JC，MJ為增廣目標函數(shù)；O(;c)為原目標函數(shù)；A^^^^為懲罰項；M4為懲罰因子，當M,由某個大于零的正數(shù)(例如取M,二l)趨于零時，增廣目標函數(shù)F(jc,MJ的極小值就會逐步逼近式(17)的最優(yōu)解(參見韋鶴平編著，最優(yōu)化技術應用，同濟大學出版社，1987)。在計算中，為避免僅求出局部極小值解，應在可行域內(nèi)選擇多個不同初始點進行迭代計算，求出多個極小值，然后從中選出目標函數(shù)(即彎道縱比降)為最小者作為最優(yōu)解。利用上述優(yōu)化設計數(shù)學模型就可直接計算出梯形斷面人工引水彎道底寬6、水深/7、彎道中心曲率半徑A、彎道中心長度^。然后將6、A及設計流量g、糙率"、邊坡系數(shù)m值代入曼寧公式求得引水彎道縱比降J。其中引水彎道設計流量G、糙率w、邊坡系數(shù)m均為己知值。采用本專利申報的優(yōu)化設計方法設計人工引水彎道時，需要編程在計算機上運行。求解該引水彎道優(yōu)化設計數(shù)學模型是一個不等式約束的非線性極小化數(shù)學問題，求解時除了利用內(nèi)點罰函數(shù)法將約束優(yōu)化問題轉化為無約束優(yōu)化問題，然后利用步長加速法迭代計算外，也可釆用其他優(yōu)化計算方法迭代計算(參見韋鶴平編著，最優(yōu)化技術應用，同濟大學出版社，1987)。下面給出一個例題，來具體說明如何應用該優(yōu)化設計方法設計人工引水彎道。實施例已知某人工引水彎道設計流量2二300mVs，懸沙平均粒徑^^0.045m，糙率"=0.035，梯形橫斷面邊坡系數(shù)m-l.5。應用上述優(yōu)化設計方法設計該人工引水彎道。解首先將彎道設計流量2、懸沙平均粒徑《、糙率"、邊坡系數(shù)m等已知值代入申報本專利的人工引水彎道的優(yōu)化設計數(shù)學模型中，求得梯形斷面人工引水彎道底寬6、水深A、彎道中心曲率半徑A、彎道中心長度4。然后將6、A及彎道設計流量g、糙率w、邊坡系數(shù)w值代入以下曼寧公式求得引水彎道縱比降/。,一02"2(6+2Wl+w2)73—+附/iJ/3再將6、/2及彎道設計流量g、邊坡系數(shù)m值代入以下水流連續(xù)方程，計算出彎道斷面平均流速P。U=。最后，優(yōu)化計算結果見下表l。表l:<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>盡管上面結合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，并不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，還可以作出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。權利要求1.一種渠首人工引水彎道，該彎道斷面為梯形，該彎道的結構參數(shù)包括斷面底寬b、平均水深h、彎道中心曲率半徑Rc、彎道中心長度Lc，其特征在于，所述參數(shù)的數(shù)學計算式為其中<mathsid="math0001"num="0001"><math><![CDATA[<mrow><mi>Φ</mi><mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mi>Q</mi><mn>2</mn></msup><msup><mi>n</mi><mn>2</mn></msup><msup><mrow><mo>(</mo><mi>b</mi><mo>+</mo><mn>2</mn><mi>h</mi><msqrt><mn>1</mn><mo>+</mo><msup><mi>m</mi><mn>2</mn></msup></msqrt><mo>)</mo></mrow><mrow><mn>4</mn><mo>/</mo><mn>3</mn></mrow></msup></mrow><msup><mrow><mo>(</mo><mi>bh</mi><mo>+</mo><msup><mi>mh</mi><mn>2</mn></msup><mo>)</mo></mrow><mrow><mn>10</mn><mo>/</mo><mn>3</mn></mrow></msup></mfrac></mrow>]]></math>id="icf0002"file="A2009100699070002C2.tif"wi="52"he="15"top="80"left="45"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>G1(x)＝1.5-Cr≥0G2(x)＝Cr-1≥0G3(x)＝1.4Rc-Lc≥0G4(x)＝Lc-Rc≥0<mathsid="math0002"num="0002"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>G</mi><mn>5</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mi>Q</mi><mrow><mi>bh</mi><mo>+</mo><msup><mi>mh</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>-</mo><mn>7.01</mn><msup><mi>h</mi><mn>0.14</mn></msup><msup><mi>d</mi><mn>0.36</mn></msup><mo>≥</mo><mn>0</mn></mrow>]]></math></maths>式中<mathsid="math0003"num="0003"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>C</mi><mi>r</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><msup><mrow><mo>(</mo><mi>bh</mi><mo>+</mo><msup><mi>mh</mi><mn>2</mn></msup><mo>)</mo></mrow><mrow><mn>4</mn><mo>/</mo><mn>3</mn></mrow></msup><mrow><msup><mi>gn</mi><mn>2</mn></msup><msub><mi>R</mi><mi>c</mi></msub><msup><mrow><mo>(</mo><mi>b</mi><mo>+</mo><mn>2</mn><mi>h</mi><msqrt><mn>1</mn><mo>+</mo><msup><mi>m</mi><mn>2</mn></msup></msqrt><mo>)</mo></mrow><mrow><mn>4</mn><mo>/</mo><mn>3</mn></mrow></msup></mrow></mfrac><mo>;</mo></mrow>]]></math>id="icf0004"file="A2009100699070002C4.tif"wi="53"he="16"top="149"left="44"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>Q為流量；n為糙率；m為梯形斷面邊坡系數(shù)。全文摘要本發(fā)明公開了一種渠首人工引水彎道，該彎道斷面為梯形，該彎道的結構參數(shù)包括斷面底寬b、平均水深h、彎道中心曲率半徑R<sub>c</sub>、彎道中心長度L<sub>c</sub>，所述參數(shù)的數(shù)學計算式為右下式。本發(fā)明能夠產(chǎn)生穩(wěn)定而強烈的橫向環(huán)流，避免運行過程中發(fā)生較大的沖刷或淤積變形，使引水彎道的幾何斷面形態(tài)保持相對穩(wěn)定，保證進水閘正常引水。文檔編號E02B5/00GK101619566SQ20091006990公開日2010年1月6日申請日期2009年7月27日優(yōu)先權日2009年7月27日發(fā)明者昉劉,徐國賓申請人:天津大學