抛物线形复合断面渠道的水力计算与优化研究

论文摘要

农业灌溉用水在水资源使用中所占的比重最大,同时,我国的基本国情决定了现在及今后很长时间农业灌溉主要采用渠道输水形式,因此进行渠道水力计算和优化是提高输水效率的重要途径之一。渠道是农田水利工程中的重要组成部分,渠道的设计与施工直接影响到整个农田水利工程的投资与运行效果。渠道的断面形式多种多样,合理的选择渠道断面形式不仅可以有效地提高输水效率,减少渠道的冻胀破坏,还能节约土地,减少施工费用。抛物线形渠道作为一种新型断面渠道,因其良好的水力性能和抗冻胀性在我国北方地区得到了应用。但是,抛物线形渠道由于其断面特点,无论是采用水力最佳断面还是实用经济断面设计其宽深比都过大,因此只能适用于小型渠道。本文在抛物线形渠道研究及应用的基础上,提出了一种适用于大中型渠道的抛物线形复合断面渠道,并推导出了抛物线形复合断面渠道的水力最佳断面和实用经济断面的计算公式,进行了抛物线形复合断面渠道优化及参数分析研究。主要研究成果如下:（1）提出了一种适用于大中型渠道的平方抛物线渠坡、水平渠底的复合断面渠道,推导出了抛物线形复合断面渠道水力要素计算公式,并以水深、水面宽度和水平渠底宽度为变量,利用拉格朗日乘数法建立求最优解的迭代方程,借助Mathcad数学软件进行计算,推导出了抛物线复合渠道水力最佳断面情况下水深、水面宽度、过水断面面积和湿周的计算公式以及流量和水深的关系式。（2）针对抛物线形复合断面渠道水力最佳断面的宽深比较小、施工投资较大等问题,在水力最佳断面的基础上,通过数据拟合的方式,得到了求最佳H/H0值所对应的抛物线水面宽和水深比η=1.660,推导出了抛物线形复合断面渠道实用经济断面的计算公式,并提出了详细的计算步骤。（3）建立了考虑安全超高的挖方、填方、半挖方半填方3种抛物线形复合断面渠道的数学模型,以土方开挖费用、土方填方费用以及混凝土衬砌费用之和最小为目标函数,全面覆盖了抛物线形复合断面渠道的各种断面形式和施工费用;同时,为了避免漏掉最优解,采用混合蛙跳算法,将局部搜索与全局搜索结合起来运用MATLAB在全局空间下搜索得到最优解。同时,将参数变化范围内的目标函数用MATLAB三维彩虹图表示,对影响抛物线形复合断面渠道施工费用的各个断面参数进行敏感度分析。

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文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李刚

导师: 何武全

关键词: 抛物线形复合断面渠道,水力最佳断面,实用经济断面,混合蛙跳算法,优化设计

来源: 西北农林科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地球物理学,水利水电工程

单位: 西北农林科技大学

基金: 国家十三五重点研发计划子课题和国家科技支撑计划子课题(编号:2016YFC0400203-01和2015BAD24B02-01)

分类号: TV133

总页数: 73

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