堰闸出流淹没系数可信度评价

堰闸出流淹没系数可信度评价

堰流和闸孔出流是水利枢纽常见的两种泄流方式。其出流形式分为自由出流和淹没出流两类。淹没出流时需要用淹没系数对流量计算公式进行修正。堰闸泄水建筑物下游通常都存在水跃，淹没出流时下游肯定是淹没式水跃衔接。淹没水跃由于与完整水跃相比消能不充分，水面波动也明显增强。在实验确定淹没系数时，水位等的测量精度决定了其可信度。分析表明，在大淹没度情况下，要得到有价值的淹没系数，实测值误差必须满足非常苛刻的要求。反之，在测量精度一定的条件下，欲使对淹没系数的研究有价值，必须预先进行可行性评估。这为该方面研究提供了基本的评价方法。在泄水建筑物水力计算中，也可作为确定其采信程度的依据。

标签：水力学；堰流；闸孔出流；淹没系数；可信度

1 概述

堰流和闸孔出流是水利枢纽中常见的两种泄流方式。其出流形式又分为自由出流和淹没出流。泄洪时，常出现大淹没度的情况。在这种情况下，查取水力学教材[1]或水力计算手册[2]，会存在淹没系数与相关要素对应关系区间偏大的现象，插值计算可能会出现比较大的偏差。于是，有不少学者对大淹没度的堰闸出流进行研究，试图探讨在这种情况下淹没系数比较准确的规律。

实测时，一方面存在着水面波动引起的测量偏差；另一方面，对应于一定的测量水平存在着计量误差。两者就构成了实测值与真实值之间的整体误差。这些都是不可能完全消除的[3][4]。实际上，堰闸出流形式为淹没出流时，往往都伴随着下游大淹没度的水跃。水跃消能极不充分，水面波动显著。分析堰闸出流实测值的误差对淹没系数可信度的影响，具有较大的理论价值和实际意义。

2 堰闸出流计算基本公式

堰流计算基本公式为：

其中：Q为流量（m）；？滓s为淹没系数；？着1为侧收缩系数；m为流量系数；b为堰的净过流宽度（m）；g为重力加速度，通常取9.8m/s2；H0为堰上作用全水头（m）。

文章主要探讨淹没系数的可信度，为简单计，只考虑无侧向收缩的情况，即侧收缩系数？着1取1.0。同时，堰前行近流速水头可以忽略，堰上作用全水头H0可以近似取堰上作用水头H。

闸孔出流计算基本公式为：

其中：Q为流量（m）；？滓s为淹没系数；？滋为流量系数；b为堰的净过

流宽度（m）；e为闸门开度（m）；g为重力加速度，通常取9.8m/s2；H0为闸上作用全水头（m）。

闸孔出流计算通常不单独考虑（或忽略）侧向收缩的影响。并且，闸前行近流速水头往往都可以忽略，闸上作用全水头H0近似取闸上作用水头H。

3 堰闸出流淹没系数可信度评价公式

用符号“？驻”表示某一物理量的绝对误差，用符号“？啄”表示其相对误差，用符号“R”表示其可信度。并且，绝对误差用实测值减去真实值来定义；相对误差用绝对误差与真实值之比来定义；可信度用实测值与真实值之比来定义。可信度为1时为绝对可信，越接近于1越可信，越偏离1越不可信。

3.1 堰流淹没系数可信度评价公式

堰流流量计算基本公式实测值形式为：

3.2 闸孔出流淹没系数可信度评价公式

3.3 用直角三角形薄壁堰测流量时的公式简化形式

进行水力学实验时，常见的流量测定方法有多种，如电磁流量计、孔板流量计和直角三角形薄壁堰等。以直角三角形薄壁堰测流为例。其最简单的流量计算公式形式为：

Q=1.4Hs2.5 （11）

其中：Hs为直角三角形薄壁堰堰上作用水头，以m计；流量Q单位为m3/s。

不难得出流量与堰上作用水头可信度之间的关系为：

4 堰闸出流淹没系数可信度评价

堰闸出流淹没系数可信度可分别依据（13）式和（14）式进行评价。上述两式右端各量均为长度量的可信度。简单计，认为其相对误差可取相同值，其绝对值表示为|？啄L|。据相对误差和可信度的定义，不难得出两者之间的关系。如对应于长度量L，关系式为：

R（L）=1+？啄L （15）

在实测量精度一定的情况下，为评价淹没系数最差的可信度，（13）式或（14）式分母各量均取-|？啄L|的相对误差计算可信度，分子取|？啄L|的相对误差计算可信度，可得表1。反之亦然。

通常情况下，水力学实验控制实测量相对误差小于5%，由表中数据可以看出相对于实测量相对误差5%，淹没系数的相对误差已达22%；如严格控制实测精度至3%，淹没系数的相对误差也有16%。反之，如欲得到相对误差小于10%的淹没系数值，必须使实测量的相对误差控制在2%以内，这应该是非常苛刻的要求；如欲得到相对误差小于5%的淹没系数值，必须使实测量的相对误差控制在1%以内，在现有的测量条件下这几乎是不可能的。在大淹没度的情况下，堰闸下游水跃的淹没度很大，水面波动显著；同时，上下游水头差很小。实测量的相对误差难免有8%～10%之多。此时推算出的淹没系数相对误差已达49%～61%。所以，特定条件下研究大淹没度堰闸淹没系数，应客观全面评价其价值，有可能已无实际意义。

5 结束语

堰流和闸孔出流流量系数可信度可分别用（6）式和（10）式进行评价。如若测量流量用直角三角形薄壁堰，（6）式和（10）式又可分别表示成（13）式和（14）式。若近似认为各长度量的实测值相对误差相同，则可得淹没系数与各实测量相对误差的对应关系如表1所示。从表1可以看出，实测量的相对误差对淹没系数的相对误差影响显著。如欲使淹没系数具有较高的精度，就必须对实测量的精度提出非常苛刻的要求。在大淹没度情况下，对淹没系数实验研究之前，须进行全局评价并预估其价值，以免结果事倍功半甚至前功尽弃。

参考文献

[1]四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室.水力学（上册）[M].北京：高等教育出版社，2016：300-341.

[2]武汉大学水利水电学院水力学流体力学教研室.水力计算手册[M].李炜主编.北京：中国水利水电出版社，2006：82+103.

[3]李占松，朱士江.水流运动的不确定性刍议[A].第七届全国水力学与水利信息学大会论文集（2015水力学与水利信息学进展）[C].武汉：武汉理工大学出版社，2015，10（1）：71-75.

[4]李占松，王艳梅.论流动的恒定性与非恒定性[J].河南科学，2014，3

2（11）：2252-2255.

师冰雪（1991-），女，汉族，河南漯河人，水利水电工程专业硕士研究生。