等效明渠下竖缝式鱼道尾水影响长度及边墙高程确定方法与流程

本发明涉及水利工程，具体为等效明渠下竖缝式鱼道尾水影响长度及边墙高程确定方法。

背景技术：

1、常规竖缝式鱼道包括矩形槽身、沿程横向隔板、连续池室和竖缝。水流穿过竖缝后发生收缩并形成射流，射流在连续池室内扩散并在池室两侧形成回流区，同时产生紊动耗能。竖缝式鱼道沿程能量损失由竖缝收缩、射流扩散、隔板绕流、池室回流、紊动耗能和壁面摩阻共同组成。

2、当竖缝式鱼道出口与下游水位变化区域相接时，下游水位升高会使竖缝式鱼道下游段形成尾水顶托壅水。若按未受尾水顶托影响的基准运行水深统一确定边墙高程，会出现局部安全超高不足的问题；若全线按最高尾水高程统一加高边墙，会增加未受顶托区域的工程施工量。工程设计阶段需要明确尾水顶托影响长度以及各个断面的边墙顶控制高程。

3、常规水力计算手段在处理尾水顶托壅水问题时存在局限。直接套用常规混凝土材料糙率进行一维水面线推算会忽略周期性消能单元的综合能量损失特征，造成计算分析过程不能反映竖缝式鱼道真实的沿程能量消耗水平。若采用逐个池室递推迭代运算，由于渐变流理论中壅水曲线向上游呈现渐近恢复状态，多步迭代方式无法直接输出有限的工程影响终点，无法将理论水深数据转化为确切的边墙加高范围。运用三维数值模拟和实体模型试验还原复杂流态需要耗费大量时间并且增加计算成本。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了等效明渠下竖缝式鱼道尾水影响长度及边墙高程确定方法，解决了逐池递推法无法输出有限工程影响终点和普通明渠体系无法反映周期消能单元综合能量消耗的问题。

2、为实现以上目的，本发明提供等效明渠下竖缝式鱼道尾水影响长度及边墙高程确定方法，包括以下步骤：

3、提取基础设计参数和尾水工况参数，建立具有等效综合糙率的等效矩形明渠；

4、在等效矩形明渠满足稳定缓流条件的约束下，利用动能修正系数构建空间平均阻力模型；

5、引入区间综合修正系数吸收等效矩形明渠与实际竖缝式鱼道结构之间的折算差异，结合空间平均阻力模型锁定满足参数接受准则的区间综合修正系数；

6、依据区间综合修正系数构建整体能量方程，通过尾水影响长度一步式估算公式计算输出尾水影响长度；

7、根据尾水影响长度划分施工分段区间，计算施工分段区间对应的边墙顶控制高程并提取多工况边墙设计高程包络，导出生成固化工程防溢包络面三维边界尺寸的数据表。

8、本发明将竖缝式鱼道沿程重复布置的竖缝式隔板池室周期性消能结构映射为具备综合阻力的等效矩形明渠，依托比能差和区间平均摩阻坡降，在满足稳定缓流条件的状态下确定尾水影响长度。通过构建等效矩形明渠的空间平均阻力模型，引入区间综合修正系数整合空间几何维度的折算差异和流态特征折算偏差，使理论推演的一维渐变流能量消耗水平和实际三维真实流态的能量消耗水平保持平衡。整体能量方程将待求解的尾水影响长度独立提取为一次代数项，免除微小水面切片微分积分运算，促使多工况边界条件下的独立尾水运行工况实现直接代数运算求解，建立工程防溢包络面三维边界尺寸的关联数据。

9、优选地，提取基础设计参数和尾水工况参数，建立具有等效综合糙率的等效矩形明渠包括：

10、从基础设计参数中提取等效计算有效宽度、底坡、池室长度、竖缝宽度、隔板厚度和下游端底板高程界定等效矩形明渠的静态几何边界条件；

11、利用多周期测段总能量损失生成多周期测段的等效能坡或者利用单周期能量损失计算获得单周期等效能坡，根据参考流量、等效阻力率定参考水深和等效能坡或者单周期等效能坡通过等效综合糙率率定公式反算获得等效综合糙率。

12、优选地，在等效矩形明渠满足稳定缓流条件的约束下，利用动能修正系数构建空间平均阻力模型包括：

13、依据第一重前置水力学条件限定基准运行水深大于临界水深、第二重前置水力学条件限定下游控制水深大于临界水深、第三重前置水力学条件限定下游控制水深大于基准运行水深，在三重前置水力学条件同时达成时判定满足稳定缓流条件；

14、结合动能修正系数获取工程影响终点水深对应的摩阻坡降比和下游控制水深对应的摩阻坡降比完成空间平均阻力模型的构建。

15、优选地，工程影响终点水深的计算包含相对比例法与绝对水深法；

16、采用相对比例法时根据基准运行水深、下游控制水深和相对控制比例常数计算工程影响终点水深且相对控制比例常数的取值范围界定在0.025与0.10之间，采用绝对水深法时根据基准运行水深与绝对水深阈值计算工程影响终点水深且绝对水深阈值对应指定的微小水深增量数值。

17、优选地，引入区间综合修正系数吸收等效矩形明渠与实际竖缝式鱼道结构之间的折算差异包括：

18、导入具有实测沿程断面位置和对应实测水深的参考尾水工况，从参考尾水工况中提取工程影响终点水深映射的参考基准位置，结合反算公式计算获得参考工况实际平均摩阻坡降比；

19、根据参考工况实际平均摩阻坡降比、工程影响终点水深对应的摩阻坡降比和下游控制水深对应的摩阻坡降比进行反算推导获得区间综合修正系数，将区间综合修正系数应用于一维等效分析体系与三维真实流态特征之间的整体偏差吸收环节。

20、优选地，锁定满足参数接受准则的区间综合修正系数包括：

21、引入独立检验工况输出独立检验预测尾水影响长度，将独立检验预测尾水影响长度与独立检验实际尾水影响长度对比并结合评估公式计算获得影响长度相对误差；

22、在影响长度相对误差不超过容差阈值时判定区间综合修正系数满足参数接受准则并执行锁定操作，容差阈值为预设的进行数值比对的数值。

23、优选地，依据区间综合修正系数构建整体能量方程，通过尾水影响长度一步式估算公式计算输出尾水影响长度包括：

24、在水流由工程影响终点流向下游控制断面的状态下，基于能量状态与沿程能量消耗的平衡条件生成整体能量方程；

25、将尾水影响长度作为待求解的线性代数项在等式约束条件中分离，结合尾水影响长度一步式估算公式计算解析数值并在满足数值容错准则的范围内输出尾水影响长度。

26、优选地，数值容错准则由分母项防崩溃条件与流态连续性条件共同确立；

27、分母项防崩溃条件限定分母判定值的数值严格大于容差极小值，流态连续性条件限定下游控制断面至工程影响终点之间的水深沿逆流方向保持单调递减特性且水面高程数值无突跃或突降阶跃点。

28、优选地，计算施工分段区间对应的边墙顶控制高程包括：

29、在下游控制水深与工程影响终点水深之间按固定的水深增量执行离散化处理生成控制断面水深，通过控制断面水深利用推算公式计算离散控制点的累计一步式空间距离，利用分段标准步长计算公式确立离散控制点在等效矩形明渠内部的空间分布网格；

30、通过各控制断面的设计水面高程生成公式计算输出设计水面高程，将安全超高参数叠加至关联的设计水面高程上推算输出边墙顶控制高程，在单一施工分段区间内部遍历并比对所有离散控制点对应的边墙顶控制高程从而提取最大数值，将最大数值设定为统一控制高程。

31、优选地，提取多工况边墙设计高程包络，导出生成固化工程防溢包络面三维边界尺寸的数据表包括：

32、在同一个施工分段区间内提取所有统一控制高程执行最大值筛选，结合提取公式计算获取指导工程施工的多工况边墙设计高程包络值；

33、所有施工分段区间依据各自对应的多工况边墙设计高程包络值拼接形成工程防溢包络面，将所有施工分段区间的水平起点坐标、水平终点坐标与多工况边墙设计高程包络值进行空间参数关联生成数据表。

34、本发明提供了等效明渠下竖缝式鱼道尾水影响长度及边墙高程确定方法。具备以下有益效果：

35、1、本发明通过提取基础设计参数和尾水工况参数，建立具有等效综合糙率的等效矩形明渠，利用多周期测段总能量损失反算获取等效综合糙率，将竖缝式鱼道沿程重复布置的池室、隔板和竖缝周期性消能结构的局部耗能特征进行整体折算，避免套用普通混凝土材料糙率造成的计算偏差，为一维水力计算提供符合物边界条件的输入参数。

36、2、本发明通过在满足稳定缓流条件的约束下构建空间平均阻力模型，引入区间综合修正系数吸收一维理论计算体系与三维真实流态特征之间的折算偏差，结合整体能量方程将尾水影响长度作为待求解的一次代数项独立分离，利用一步式估算公式直接计算解析数值，免除逐池递推过程和微小水面切片积分运算，实现多边界条件下的独立尾水运行工况代数求解。

37、3、本发明通过根据尾水影响长度划分施工分段区间，在下游控制水深与工程影响终点水深之间按固定的水深增量执行离散化处理生成控制断面水深，将安全超高参数叠加至关联的设计水面高程推算边墙顶控制高程，在单一施工分段区间内部比对提取统一控制高程，导出多工况边墙设计高程包络数据表，将水力计算结果转化为确定的工程防溢包络面三维边界尺寸。