改进阻力系数法

改进阻力系数法与Autobank有限元分析在水闸渗流计算中的应用1. 引言1.1 背景介绍水闸在水利工程中扮演着重要的角色，控制着水流的流动和水位的变化。

而水闸的设计与维护中，对水闸周围的渗流情况进行准确的计算和分析至关重要。

传统的计算方法往往存在一定的局限性，无法完全满足工程实际需求。

研究改进的计算方法对水闸渗流的准确性和效率性具有重要意义。

改进阻力系数法是一种基于实际工程经验的计算方法，通过考虑水流在渗流过程中受到的各种阻力的影响，对水闸渗流进行计算分析。

与传统方法相比，改进阻力系数法在考虑更多因素的基础上，能够更加准确地预测水流的渗漏情况。

Autobank有限元分析是一种基于数值模拟的技术，通过建立数学模型对水流在水闸周围的渗流过程进行模拟。

该方法能够考虑更多复杂的因素，并且在计算精度和计算效率上都有较大优势。

改进阻力系数法和Autobank有限元分析在水闸渗流计算中的应用具有重要意义，有助于提高水利工程设计的准确性和效率性。

1.2 研究意义水资源是人类生存和发展的重要基础资源，水闸在水资源管理领域发挥着至关重要的作用。

在水闸设计和维护过程中，水渗流计算是一项关键的技术。

而改进阻力系数法和Autobank有限元分析作为两种常用的计算方法，在水闸渗流计算中具有重要的应用价值。

研究意义主要体现在以下几个方面：通过对改进阻力系数法和Autobank有限元分析方法在水闸渗流计算中的应用进行深入研究和分析，可以为水资源管理和工程设计提供更为准确和可靠的计算结果，从而提高水闸的设计和维护水平。

通过比较改进阻力系数法和Autobank有限元分析方法的优劣势，可以为工程技术人员选择合适的计算方法提供参考，同时也可以为改进和完善这两种方法提供指导和借鉴。

对改进阻力系数法和Autobank有限元分析方法在水闸渗流计算中的应用进行研究，有助于推动水资源管理技术的进步，为我国水资源的可持续利用和保护提供技术支持和保障。

【例4-1】某水闸地下轮廓布置及尺寸如图4-28所示。

混凝土铺盖长10.50m，底板顺水流方向长10.50m，板桩入土深度4.4m。

闸前设计洪水位104.75m，闸底板堰顶高程100.00m。

闸基土质在高程100.00～90.50m之间为砂壤土，渗透系数K砂=2.4×10-4cm/s，可视为透水层，90.50m以下为粘壤土不透水层。

试用渗径系数法验算其防渗长度，并用直线比例法计算闸底板底面所受的渗透压力。

（一）验算地下轮廓不透水部分的总长度（即防渗长度）。

上游设计洪水位104.75m，关门挡水，下游水位按100.00m考虑，排水设施工作正常。

C，作用水头为根据表4-2，可知砂壤土的渗径系数0.5=()m104=-∆H.=..4007510075故最小防渗长度为()m=∆CL⨯=H.752375.40.5=地下轮廓不透水部分的实际长度为+⨯+++++=L9.0⨯+⨯+5.07.06.05.124.44146.0.14148.75.0.1实1. 将地下轮廓不透水部分的总长度展开，并按一定的比例画成一条线，将各角隅点1、2、3 ……、17 依次按实际间距标于线上。

2. 在此直线的起点作一长度为作用水头 4.75m 的垂线 1-1′, 并用直线连接垂线的顶点 1′与水平线的终点17 。

1′~17 即为渗流平均坡降线。

3. 在各点作水平线的垂线与平均坡降线相交，即得各点的渗透压力水头值。

准确的渗压水头值可用比例公式计算求得。

4. 将1、2、3、……、17 各点的渗压水头值垂直地画在地下轮廓不透水部分的水平投影上，用直线连接各水头线的顶点，即可求出铺盖和底板的渗压水头分布图[ 图 4-28 (c ) ] 。

【例4-2】 用改进阻力系数法计算例4-1中各渗流要素。

（一）阻力系数的计算1.有效深度的确定由于)m (5.205.10100=+=L ，)m (0.600.9400.1000=-=S ，故542.30.65.2000<==S L ，按式（4-19）计算e T)m (5.95.9000.100m 72.13242.36.15.20526.15000=-=>=+⨯⨯=+=T S L L T e故按实际透水层深度m 5.9=T 进行计算。

《水工建筑物》课程测验作业及课程设计一．平时作业（一）绪论1、我国的水资源丰富吗？开发程度如何？解决能源问题是否应优先开发水电？为什么？我国水资源总量丰富，但人均拥有量少，所以应选不丰富。

我国水资源开发利用程度接近25%，从全国而言，不完全一样，呈现“北高南低”，南方特别是西南，水资源丰富而利用量少，利用程度低，而北方尤其是西北干旱地区和华北地区利用程度高。

解决能源问题应优先开发水电，因为水能在可再生能源中是开发技术最成熟，开发经验最丰富，发电成本最经济。

2、什么是水利枢纽？什么是水工建筑物？与土木工程其他建筑物相比，水工建筑物有些什么特点？水利枢纽是修建在同一河段或地点，共同完成以防治水灾、开发利用水资源为目标的不同类型水工建筑物的综合体。

水工建筑物是控制和调节水流，防治水害，开发利用水资源的建筑物。

水工建筑物特点：工作条件的复杂性、设计选型的独特性、施工建造的艰巨性、失事后果的严重性。

3、水工建筑物有哪几类？各自功用是什么？挡水建筑物：用以拦截江河，形成水库或壅高水位。

如拦河坝、拦河闸。

泄水建筑物：用以宣泄多余水量，排放泥沙和冰凌，或为人防、检修而放空水库等，以保证坝和其他建筑物的安全。

如溢流坝、溢洪道、隧洞。

输水建筑物：为灌溉、发电和供水的需要，从上游向下游输水用的建筑物。

如：引水隧洞、渠道、渡槽、倒虹吸等。

取（进）水建筑物：是输水建筑物的首部建筑物，如引水隧洞的进口段、进水闸等。

整治建筑物、专门建筑物。

整治建筑物（改善河道水流条件、调整河势、稳定河槽、维护航道和保护河岸）。

专门性水工建筑物（为水利工程种某些特定的单项任务而设置的建筑物）。

4、河川上建造水利枢纽后对环境影响如何？利弊如何？人们应如何对待？河流中筑坝建库后上下游水文状态将发生变化。

上游水库水深加大，流速降低，河流带入水库的泥沙会淤积下来，逐渐减少水库库容，这实际上最终决定水库的寿命。

较天然河流大大增加了的水库面积与容积可以养鱼，对渔业有利，但坝对原河鱼的回游成为障碍，任何过鱼设施也难以维持原状，某些鱼类品种因此消失了。

第五章复习思考题1.什么叫水闸？按水闸作用分有几类？按闸室结构形式如何分类？2.土基上的水闸由哪几部分组成？各起什么作用？3.闸孔型式有哪几种？各自优缺点及适用条件是什么？4.为什么水闸通常采用底流水跃消能？怎样选择消力池的形式？5.水闸有哪些辅助消能工？它们各自的形式和作用是什么？6.什么叫波状水跃？产生波状水跃的原因是什么？怎样防止波状水跃带来的危害？7.海漫的作用是什么？对它有什么要求？如何选择材料和确定其尺寸？8.闸基渗流有哪些危害性？9.什么叫地下轮廓线和闸基防渗长度？如何确定闸基防渗长度？10.闸基渗流的计算目的是什么？有哪些计算方法？各自精度和适用条件如何？11.改进阻力系数法认为任一流段的水头损失为，此式怎样推导来的？12.闸室是水闸的主体，它由哪几部分组成？各部分的主要作用是什么？13.试根据不同分类方法说明闸底板有哪些类型？14.胸墙有哪些形式？如何选择？15.对水闸闸室必须进行哪些情况下的稳定验算？各计算情况应包括哪些荷载？16.抗滑稳定安全系数若不满足《规范》的要求，有哪些改善稳定的措施？17.整体式平底板应力计算有倒置梁和弹性地基梁法，试述其适用情况。

18.整体式底板不平衡剪力是怎样产生的？19.水闸连接建筑物的作用是什么？20.水闸两岸连接建筑物有哪些布置形式？各自特点是什么？21.上下游翼墙有哪些结构形式？综合测试1.水闸是（A）挡水建筑物；（B）泄水建筑物；（C）即能挡水，又能泄水的水工建筑物；（D）输水建筑物。

2.节制闸（拦河闸）：（A）一般在洪水期，抬高上游水位，枯水期，下泄流量；（B）一般在洪水期，下泄流量，枯水期，抬高上游水位；（C）在洪水期和枯水期，都需要抬高上游水位；（D）在洪水期和枯水期，都下泄流量。

3.排水闸的作用：（A）排除内涝积水，抵挡外河洪水；（B）抵挡内涝积水，排除外河洪水；（C）排除内涝积水和外河洪水；（D）抵挡内涝积水和外河洪水。

4.带胸墙水闸（A）适于挡水位低于引水水位或排水水位的情况；（B）适于引水位高于挡水水位或排水水位的情况；（C）适于引水位高于引水水位或挡水水位的情况；（D）适于挡水位高于引水水位或排水水位的情况。

改进阻力系数法的基本原理引言：阻力是物体在流体中运动时所受到的阻碍力，是影响物体运动的重要因素。

在工程设计和科学研究中，我们常常需要对物体在流体中的阻力进行计算和分析。

阻力系数法是一种常用的计算阻力的方法，但其精确性和适用性存在一定的局限性。

为了提高计算结果的准确性和适用性，人们对阻力系数法进行了改进，本文将介绍改进阻力系数法的基本原理。

一、阻力系数法的基本原理阻力系数法是通过引入阻力系数来计算物体在流体中所受到的阻力。

阻力系数是根据实验数据得出的，通过实验测量物体在不同流速下所受到的阻力，然后将阻力与流速的平方成正比关系进行拟合，得到阻力系数。

在计算阻力时，只需要知道物体的形状和阻力系数，就可以根据流速的平方计算出阻力的大小。

二、阻力系数法的局限性尽管阻力系数法在工程设计中得到了广泛应用，但其精确性和适用性存在一定的局限性。

首先，阻力系数是通过实验得出的，对于复杂的物体形状和流动条件，很难得到准确的实验数据。

其次，阻力系数法只能适用于属于同一流动类型的物体，对于不同流动类型的物体，阻力系数往往会有较大的误差。

此外，阻力系数法还忽略了流动的非线性和不稳定性，导致计算结果不够准确。

三、改进阻力系数法的基本原理为了提高阻力系数法的准确性和适用性，人们对其进行了改进。

改进阻力系数法主要是通过引入修正系数和修正函数来修正计算结果。

修正系数是根据实验数据得出的，通过实验测量物体在不同流速下所受到的阻力，并将修正系数与流速的平方成正比关系进行拟合，得到修正系数。

在计算阻力时，不仅需要考虑物体的形状和阻力系数，还需要考虑修正系数，根据修正系数和流速的平方计算出修正后的阻力。

四、改进阻力系数法的优点改进阻力系数法相对于传统的阻力系数法具有以下优点：首先，引入了修正系数和修正函数，可以修正计算结果，提高计算准确性。

其次，改进阻力系数法考虑了物体的形状、阻力系数和修正系数，适用性更广。

此外，改进阻力系数法还可以考虑流动的非线性和不稳定性，提高计算结果的准确性。

改进阻力系数法与Autobank有限元分析在水闸渗流计算中的应用随着水利工程建设的不断推进，水文水资源工作也在不断发展，为了更好地保护水资源和有效利用水资源，人们对水文水资源的测算、分析和预测的需求也不断增加。

水闸渗流计算是水利工程建设和管理中的一个重要环节，合理准确的渗流计算结果对于水闸的设计与管理具有关键性的作用。

传统的水闸渗流计算方法采用阻力系数法，该方法基于经验公式，计算简便，但由于忽略了细部结构的影响以及对潜水、厚地层的处理不够合理，导致了计算结果的精度较低。

为了克服传统阻力系数法的不足，有限元分析技术被引入水闸渗流计算中，其精度和可靠性得到了大幅提升，从而为水闸渗流计算提供了新的思路与方法。

改进阻力系数法是传统阻力系数法的一种改进版本，它考虑了土体细部结构的影响，并根据地层的不同特性给出了不同的阻力系数，因而提高了计算结果的准确性。

而有限元分析则采用数学模型和计算机模拟，能够准确地描述水流的变化情况，同时考虑了土体单元的不均匀性和弹性模量的影响，从而提高了计算结果的精度。

改进阻力系数法与有限元分析技术的结合应用已经在水闸渗流计算中得到了广泛的应用。

以混凝土重力坝为例，传统阻力系数法对于较为简单的坝体结构可以得到满意的结果，但对于细部结构复杂的坝体则无法满足精度要求。

而改进阻力系数法可以通过对不同结构和不同区域的阻力系数进行合理设定，得到更加准确的渗流计算结果。

有限元分析技术则可以在考虑土体细部结构和非均质性的基础上，通过建立适当的数学模型，对不同条件下的水流进行详细模拟，从而提高了计算结果的精度。

在实际工程中，对于水闸渗流计算管理人员必须根据实际情况合理选用改进阻力系数法或有限元分析技术进行渗流计算。

对于较为简单的水闸渗流计算问题，改进阻力系数法可以提供较为准确的计算结果，计算简便，符合实际的需要。

而对于较为复杂的水闸渗流计算问题，有限元分析技术可以提供更加精确的计算结果，但计算步骤相对较为复杂和繁琐，需要具备一定的专业知识和计算机模拟能力。

C.2 改进阻力系数法C.2.1土基上水闸的地基有效深度可按公式(C.2.1-1)或(C.2.1-2)计算： 当500≥S L 时, 05.0L T e = (C.2.1-1) 当500 S L 时, 26.15000+=S L L T e (C.2.1-2) 式中 T e ---土基上水闸的地基有效深度(m)；L 0 ---地下轮廓的水平投影长度(m)；S 0 ---地下轮廓的垂直投影长度(m).当计算的T e 值大于地基实际深度时,T e 值应按地基实际深度采用.C.2.2 分段阻力系数可按公式(C.2.2-1)~(C.2.2-3)计算：1 进,出口段(见图C.2.2-1)：441.05.1230+⎭⎬⎫⎩⎨⎧=T S ξ (C.2.2-1)式中 a 0 ---进,出口段的阻力系数；S---板桩或齿墙的入土深度(m)；T---地基透水层深度(m).2 内部垂直段(见图C.2.2-2)：(C.2.2-2)式中 a y ---内部垂直段的阻力系数. 图C.2.2-1 图C.2.2-2图C.2.2-33 水平段(见图C.2.2-3)：()TS S L x x 217.0+-=ξ (C.2.2-3) 式中 a x ---水平段的阻力系数；L x ---水平段长度(m)；S 1 ,S 2 ---进,出口段板桩或齿墙的入土深度(m).C.2.3 各分段水头损失值可按公式(C.2.3)计算：∑=∆=n i ii i H h 1ξξ (C.2.3) 式中 h χ ---各分段水头损失值(m)；a i ---各分段的阻力系数；n---总分段数.以直线连接各分段计算点的水头值,即得渗透压力的分布图形.C.2.4 进,出口段水头损失值和渗透压力分布图形可按下列方法进行局部修正： 1 进,出口段修正后的水头损失值可按公式(C.2.4-1)~(C.2.4-3)计算(见图C.2.4-1)：0''0h h β= (C.2.4-1)∑==ni i h h 10 (C.2.4-2)⎭⎬⎫⎩⎨⎧+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+⎭⎬⎫⎩⎨⎧-=059.0212121.1'2''T S T T β (C.2.4-3) 图C.2.4-1式中 h '0 ---进,出口段修正后的水头损失值(m)；h 0 ---进,出口段水头损失值(m)；β'---阻力修正系数,当计算的β′≥1.0时,采用β′＝1.0；S ' ---底板埋深与板桩入土深度之和(m)；T '---板桩另一侧地基透水层深度(m).2 修正后水头损失的减小值,可按公式(C.2.4-4)计算：()0'1h h β-=∆ (C.2.4-4)式中 Δh---修正后水头损失的减小值(m).3 水力坡降呈急变形式的长度可按公式(C.2.4-5)计算：T I HhL N i X ∑=∆∆=ξ1'(C.2.4-5)式中 L'x ---水力坡降呈急变形式的长度(m).4 出口段渗透压力分布图形可按下列方法进行修正如图C.2.4-2所示,图C.2.4-2中的QP ′为原有水力坡降线,根据公式(C.2.4-3)和(C.2.4-4)和公式(C.2.4-5)计算的⑽h 和L'x 值,分别定出P 点和O 点,连接QOP,即为修正后的水力坡降线.图C.2.4-2C.2.5 进,出口段齿墙不规则部位可按下列方法进行修正(见图C.2.5-1和图C.2.5-2)： 图C.2.5-1 图C.2.5-21 当h x ≥Δh 时,可按公式(C.2.5-1)进行修正：h h h x x ∆+=' (C.2.5-1)式中 h x ---水平段的水头损失值(m)；h'x ---修正后的水平段水头损失值(m).2 当h x ＜Δh 时,可按下列两种情况分别进行修正：1)若h x +h y ≥Δh,可按公式(C.2.5-2)和公式(C.2.5-3)进行修正：x x h h 2'= (C.2.5-2)h h h h y y -∆+='(C.2.5-3)式中 h y ---内部垂直段的水头损失失值(m)；h'y ---修正后的内部垂直段水头损失值(m).2)若h x +h y ＜Δh,可按公式(C.2.5-2),公式(C.2.5-4)和公式(C.2.5-5)进行修正：y y h h 2'= (C.2.5-4)()y x cd cd h h h h h +-∆+=' (C.2.5-5)式中 h cd ---图C.2.5-1和图C.2.5-2中CD 段的水头损失值(m)；h'cd ---修正后的C Ρ段水头损失值(m).以直线连接修正后的各分段计算点的水头值,即得修正后的渗透压力分布图形.C.2.6 出口段渗流坡降值可按公式(C.2.6)计算：''0Sh J = (C.2.6) 式中 J---出口段渗流坡降值.。

暖通系统管道阻力计算暖通系统管道阻力是指流体在管道中运动时所遇到的阻碍，该阻碍取决于管道的几何形状、内壁粗糙度以及流体的流动速度等因素。

管道阻力计算是设计和优化暖通系统的重要一环，合理估计管道阻力可以帮助确定合适的管道尺寸和泵的功率，以保证系统运行稳定且能耗低。

管道阻力的计算通常有两种方法：经验公式法和修正阻力系数法。

1.经验公式法：经验公式法是通过已有的实验数据和理论研究得出的不同管道类型的阻力计算公式。

这些公式通常是经过大量试验和比较验证得出的，适用于一定范围内的具体情况。

常见的经验公式有：Darcy-Weisbach公式、Chézy公式、Manning公式等。

以Darcy-Weisbach公式为例，其计算公式为：Hf=f*(L/D)*(V^2/2g),其中，Hf为管道阻力（Pa），f为阻力系数，L为管道长度（m），D 为管道直径（m），V为流速（m/s），g为重力加速度（m/s^2）。

2.修正阻力系数法：修正阻力系数法通常通过实验和计算得到，相对于经验公式法，其精度更高。

该方法将管道阻力计算分为局部阻力和整体阻力两部分。

局部阻力主要是指管道弯头、三通、放大收缩、扩大变径等构件引起的阻力，通常使用修正阻力系数进行计算；整体阻力主要是指管道直线段的阻力，通常使用经验公式法进行计算。

在计算管道阻力时，还需要考虑何种流体流动，是属于层流或者湍流。

层流流动是指流速低、流体粘性大、流线无交叉的流动状态；湍流流动是指流速高、流体粘性小、流线交叉的流动状态。

不同流动状态下，管道阻力计算公式也不同，一般通过雷诺数（Re）判断。

当Re<2000时，流动属于层流状态，可使用层流管道阻力计算公式；当2000<Re<4000时，流动处于过渡状态，可使用过渡区阻力计算公式；当Re>4000时，流动属于湍流状态，可使用湍流管道阻力计算公式。

综上所述，暖通系统管道阻力计算需要考虑管道的几何形状、内壁粗糙度、流体流动状态等因素，并结合经验公式法和修正阻力系数法进行计算。

4.2.3.2 闸基渗流计算1、渗流计算的目的和计算方法计算闸底板各点渗透压力，验算地基土在初步拟定的底下轮廓线下的渗透稳定性。

计算方法有直线的比例法、流网法和改进阻力系数法，由于改进阻力系数法计算结果精确，因此采用此法进行渗流计算。

1）用改进阻力系数法计算闸基渗流 （1）地基有效深度的计算根据S L 与5比较得出，0L 为地下轮廓线水平投影的长度，为33m ；0S 为地下轮廓线垂直投影的长度，为7m 。

则571.473300<==S L ，所以地基有效深度m S L L T e 29.1726.150=+=。

（2）分段阻力系数的计算为了计算的简便，特将地下轮廓线进行简化处理，通过底下轮廓线的各角点和尖端将渗流区域分成8个典型段，如图4.2.3.2-1所示。

其中Ⅰ、Ⅷ段为进口段和出口段，用公式441.0)(5.1230+=T Sζ计算阻力系数，Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ段为内部垂直段，用公式)1(4ln 2TSctgy -=ππζ计算阻力系数，Ⅲ、Ⅵ段为水平段，用公式TS S L x )(7.021+-=ζ计算阻力系数。

其中21,,S S S 为板桩的入土深度，各典型段的水头损失按公式∑=∆=ni iii Hh 1ξξ计算，对于进出口段的阻力系数修正，按公式0''0h h β=，式中)059.0(2)(12121.1'2''+⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-=T S T T β，0')1(h h β-=∆计算，其中'0h 为进出口段修正后的水头损失值，0h 为进出口段损失值，'β为阻力修正系数，当0.1'≥β时，取0.1'=β，'S 为底板埋深与板桩入图深度之和，'T 为板桩另一侧地基透水层深度。

其计算见表2.3.2-1：图4.2.3.2-1 渗流区域分段图 （单位：m ）表4.3.2.2-1 各段渗透压力水头损失 单位：（m ）表4.3.2.2-2 进出口段的阻力系数修正表 单位：（m ）Ⅷ（3）计算各角点的渗透压力值用上表所计算的水头损失进行计算，总的水头差分别为4.0m 和4.5m ，各段后角点渗压水头=该段前点渗压水头—此段的水头损失，结果列入表4.3.2.2-3：表4.3.2.2-3 闸基各角点渗透压力值 单位：（m ）（4）算渗流逸出坡降①出口段的逸出坡降分别为14.02.6859.0''===S h J 和16.02.6966.0''===Sh J ，由《水闸设计规范》可查得[]5.0=J ，则都小于地基土出口段允许渗流坡降值[]5.0=J ，满足要求，不会发生渗透变形。

改进阻力系数法与Autobank有限元分析在水闸渗流计算中的应用【摘要】本文研究了改进阻力系数法与Autobank有限元分析在水闸渗流计算中的应用，并结合两种方法进行了案例分析及结果讨论。

研究发现，改进阻力系数法在水闸渗流计算中具有较高的准确性和可靠性，Autobank有限元分析则可以更全面地考虑水流的复杂性。

结合两者可提高水闸渗流计算的精度和效率。

未来的研究应该进一步探讨两种方法的优势及在不同情境下的适用性，为水利工程设计和管理提供更多参考依据。

本文总结了改进阻力系数法与Autobank有限元分析的结合优势，展望了未来的研究方向，并对本研究的意义和贡献做了总结。

【关键词】水闸、渗流计算、改进阻力系数法、Autobank有限元分析、结合应用、案例分析、结果讨论、结合优势、未来研究、总结。

1. 引言1.1 研究背景水闸是用于调节水位和流量的重要设施，对于水资源管理和防洪工程具有重要意义。

在水闸的设计和运行过程中，需要对其渗流进行准确的计算和分析。

传统的计算方法往往存在一定的局限性，因此需要引入新的方法来提高计算的精准度和效率。

改进阻力系数法是一种基于水力学原理的计算方法，通过考虑水流的阻力特性来计算水闸的渗流。

该方法能够较好地模拟水流在水闸结构中的流动情况，对于提高计算准确度具有一定的优势。

Autobank有限元分析是一种计算机辅助的数值分析方法，能够对复杂的水流场进行精确的模拟和分析。

通过将水闸结构建模并进行数值计算，可以得到更加准确的渗流结果。

综合考虑改进阻力系数法和Autobank有限元分析的优势，结合两种方法来进行水闸渗流计算将能够提高计算的精准度和效率，为水资源管理和防洪工程提供更为可靠的技1.2 研究目的研究的目的是通过对改进阻力系数法与Autobank有限元分析在水闸渗流计算中的应用进行深入研究，探索其在水文工程领域的优势和潜力。

具体包括通过比较两种方法在水闸渗流计算中的精度、效率和适用范围，评估其在实际工程中的应用价值，为水闸渗流计算提供更加准确、快速和可靠的方法与工具。

改进阻力系数法与Autobank有限元分析在水闸渗流计算中的应用水闸是一种常见的水利工程设施，用于控制水流量和水位，以确保水利工程的正常运行和安全。

在水闸工程设计和运行过程中，对水闸渗流进行准确的计算和分析是至关重要的。

目前在水闸渗流计算中，常用的方法包括阻力系数法和有限元分析，它们分别具有一定的优势和局限性。

为了提高水闸渗流计算的精度和效率，本文将探讨改进阻力系数法与Autobank有限元分析在水闸渗流计算中的应用，以期为水闸工程的设计和运行提供更科学、更有效的方法。

一、阻力系数法在水闸渗流计算中的应用阻力系数法是一种简单、经济、实用的水流计算方法，适用于各种类型的水流情况，包括水闸渗流。

该方法通过测定水流与固定物体表面的阻力关系来计算水流速度和流量，通常采用阿奇森公式等相关公式进行计算。

阻力系数法在水闸渗流计算中的应用主要包括以下几个步骤：1. 确定水闸渗流的边界条件，包括输入流量、出口水位、水闸结构的几何形状和材料特性等。

2. 通过实验或经验确定水流与水闸表面的阻力关系，包括渗透系数、摩擦系数等。

3. 根据所得的阻力关系和水流边界条件，利用相关公式计算水闸渗流的速度和流量。

阻力系数法的优点在于简单易行，对水流边界条件的要求较低，适用于水流速度较低、水流性质较稳定的情况。

阻力系数法也存在一些局限性，主要包括对水流非线性、流动边界复杂等情况的处理能力较弱。

Autobank有限元分析是一种基于有限元理论的数值计算方法，适用于复杂流动情况和复杂边界条件下的水闸渗流计算。

该方法将水流场分割为有限个小单元，通过离散化和数值求解得到水流场的速度、压力等相关参数。

Autobank有限元分析在水闸渗流计算中的应用主要包括以下几个步骤：2. 将水流场离散化为有限个单元，建立有限元网格。

3. 通过数值求解方法，计算水流场的速度、压力等相关参数。

Autobank有限元分析的优点在于能够适应复杂流动情况和复杂边界条件，计算精度高，结果可靠。

改进阻力系数法与Autobank有限元分析在水闸渗流计算中的应用阻力系数法与Autobank有限元分析是目前水闸渗流计算中常用的两种方法，它们在水工领域中有着广泛的应用。

本文将探讨这两种方法在水闸渗流计算中的应用，并对其进行改进，以提高计算的精度和准确性。

一、阻力系数法在水闸渗流计算中的应用阻力系数法是一种常用的水闸渗流计算方法，其基本原理是利用不同类型的水流构件及其对应的流态阻力系数，通过公式计算出流态阻力，并结合流量、水头等参数，进行水流的计算。

该方法适用范围较广，计算简单、直观，因此在水闸渗流计算中有着较为广泛的应用。

阻力系数法在实际应用中存在一些问题，例如在计算过程中需要对水流的流态进行大量的假设和简化，导致计算结果与实际情况存在一定的误差；而且在水流构件类型复杂或者流态变化较大的情况下，阻力系数法的计算精度也会受到较大的限制。

需要对阻力系数法进行改进，以满足水闸渗流计算的精度要求。

Autobank有限元分析是一种利用有限元方法对水力学问题进行数值计算和分析的技术。

相比传统的计算方法，Autobank有限元分析具有更强的适用性和计算精度，能够较好地模拟水流在水闸渗流过程中的复杂流态和水流构件的变形变化，因此在水闸渗流计算中有着较大的潜力。

Autobank有限元分析也存在一些问题，例如在计算过程中需要大量的计算资源，计算时间较长，且对计算模型的建立和参数选择要求较高，对用户的专业水平和技术要求也比较高。

需要对Autobank有限元分析进行改进，以提高其计算效率和便利性，使其能够更好地应用于水闸渗流计算中。

1. 对阻力系数法进行改进，可以尝试引入更加精确的流态阻力系数计算方法，结合实际情况对水流构件类型进行更加详细的分类和计算，以提高计算精度和准确性；2. 对Autobank有限元分析进行改进，可以尝试优化计算算法和计算模型，提高计算效率和准确性，使其能够更好地应用于水闸渗流计算中；3. 在改进过程中，可以结合实际案例进行验证和优化，以确保改进后的方法在水闸渗流计算中能够满足工程实际需求，提高水闸渗流计算的精度和准确性。

第８期２０２０年８月广东水利水电ＧＵＡＮＧＤＯＮＧＷＡＴＥＲＲＥＳＯＵＲＣＥＳＡＮＤＨＹＤＲＯＰＯＷＥＲＮｏ８Ａｕｇ．２０２０改进阻力系数法的适用性分析贾　杰（广东珠荣工程设计有限公司，广东广州　５１０６１０）摘　要：改进阻力系数法是规范推荐的一种土基渗流计算的方法。

该文通过ＧｅｏＳｔｕｄｉｏ有限元分析法和改进阻力系数法的对比分析，提出改进阻力系数法的适用范围，避免该方法被误用而导致设计不合理。

根据分析成果，改进阻力系数法适用于简单地层和上部相对强透水层、下部相对弱透水层的双层地层，不应用于上部相对弱透水层、下部相对强透水层的双层地层和复杂地层。

关键词：改进阻力系数法；渗流计算；ＧｅｏＳｔｕｄｉｏ中图分类号：ＴＶ２２３ ６ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００８－０１１２（２０２０）０８－００７６－０７ 收稿日期：２０２０－０５－０８；修回日期：２０２０－０６－０５作者简介：贾杰（１９８８－），男，本科，工程师，主要从事水利水电工程水工结构设计工作。

１　概况改进阻力系数法是《水闸设计规范》（ＳＬ２６５—２０１６）［１］（下文简称“规范”）推荐的土基水闸基底渗流计算的方法，同时广泛应用于泵站、防洪墙等水工建筑物基底的渗流计算，该方法可方便的计算出建筑物基底各个位置的渗透压力、渗透比降等。

计算闸坝地基渗流常用的方法有柯斯拉的独立变数法、巴甫洛夫斯基的分段法、努麦罗夫的渐近线法以及丘加也夫的阻力系数法，改进阻力系数法是沿用阻力系数概念并各取其优点总结分析提出的一种方法［２］。

本文旨在利用ＧｅｏＳｔｕｄｉｏ有限元分析法（下文简称“有限元法”）验证改进阻力系数法的合理性，通过对比分析两种计算方法在简单地层、双层地层以及复杂地层等条件下的计算成果，提出改进阻力系数法的适用范围，以便在中小型水利工程设计过程中尽量减少对改进阻力系数法的误用。

２　计算方法１）改进阻力系数法根据规范６ ０ ２，土基上水闸基底渗透压力计算可采用改进阻力系数法或流网法；复杂土质地基上的重要水闸，应采用数值计算方法［１］；根据《水工设计手册（第２版）第７卷泄水与过坝建筑物》，闸基渗流计算可求解出渗流区域内的渗透压力、渗透坡降、渗透流速及渗流量，一般用改进阻力系数法进行。

改进阻力系数法与Autobank有限元分析在水闸渗流计算中的应用随着科技的不断发展，水利工程领域的水闸设计和分析方法也在不断地更新迭代。

阻力系数法和有限元分析是两种常用的计算方法。

在水闸渗流计算中，这两种方法都有其独特的优势和局限性。

本文将探讨改进阻力系数法与Autobank有限元分析在水闸渗流计算中的应用，分析这两种方法对水闸渗流计算的影响和潜在的发展空间。

阻力系数法是一种经验性的计算方法，适用于水闸渗流计算中的水流速度、水位和流量等参数的估算。

该方法通过测量水流速度和水深，再根据一系列的经验公式和系数来计算水流的状态和特性。

在水闸渗流计算中，改进阻力系数法通常包括以下几个步骤：1.测量水深和水流速度。

通过实地测量或者数值模拟等方法，获取水流的深度和速度数据。

2.选择相应的阻力系数。

根据水流的特性和流态选择合适的阻力系数。

3.计算水流速度和流量。

根据所选的阻力系数和水流的深度、速度等参数，计算水流的速度和流量。

改进阻力系数法的优势在于简单易行，不需要复杂的数学模型和计算工具，适用于一般的水闸渗流计算。

该方法也存在一些局限性，如只能进行局部的计算，难以适用于复杂的水流状态和结构体系。

有限元分析是一种数值计算方法，适用于复杂结构和水流状态的计算。

Autobank是一款专业的水利工程有限元分析软件，广泛应用于水文水利领域的工程设计和分析中。

1.建立水流领域模型。

通过Autobank软件，建立水流领域的有限元模型，包括水闸的结构、水流的状态和边界条件等。

2.进行计算分析。

根据建立的有限元模型，进行水流的数值计算，得出水流速度、水位和水压等参数。

3.结果分析和优化设计。

根据计算结果，对水流状态和水闸结构进行分析和优化设计。

改进阻力系数法和Autobank有限元分析是两种不同的水闸渗流计算方法，各有其独特的优势和局限性。

在实际工程应用中，可以根据具体的工程需求和计算条件选择合适的方法。

在一般的水闸渗流计算中，改进阻力系数法是一种简单易行的计算方法，可快速估算水流的横截面流量和流速等参数，适用于一般的工程设计和分析。

【例2】 用改进阻力系数法计算例1中各渗流要素。

某水闸地下轮廓布置及尺寸如图4-28所示。

混凝土铺盖长10.50m ，底板顺水流方向长10.50m ，板桩入土深度4.4m 。

闸前设计洪水位104.75m ，闸底板堰顶高程100.00m 。

闸基土质在高程100.00～90.50m 之间为砂壤土，渗透系数K 砂=2.4×10-4cm/s ，可视为透水层，90.50m 以下为粘壤土不透水层。

试用渗径系数法验算其防渗长度，并用直线比例法计算闸底板底面所受的渗透压力。

（一）阻力系数的计算 （二）1.有效深度的确定 由于)m (5.205.10100=+=L ，)m (0.600.9400.1000=-=S ，故542.30.65.2000<==S L ，按式（4-19）计算e T)m (5.95.9000.100m 72.13242.36.15.20526.15000=-=>=+⨯⨯=+=T S L L T e故按实际透水层深度m 5.9=T 进行计算。

2.简化地下轮廓 将地下轮廓划分成十个段，如图4-29（a ）所示。

3.计算阻力系数[ 图4-29（b ）]（1）进口段：将齿墙简化为短板桩，板桩入土深度为0.5m ，铺盖厚度为0.4m ，故)(9.04.05.0m S =+=，m T 5.9=。

按表（4-3）计算进口段阻力系数01ξ为48.044.05.99.05.144.05.12/32/301=+⎪⎭⎫⎝⎛⨯=+⎪⎭⎫⎝⎛⨯=T S ξ（2）齿墙水平段：021==S S ，m 6.0=L ，m 6.8=T，按表（4-3）计算齿墙水平段阻力系数1x ξ为()07.06.86.07.0211==+-=T S S L x ξ（3）齿墙垂直段：m 5.0=S，m 1.9=T 。

按表（4-3）计算齿墙垂直段的阻力系数1y ξ为06.01.95.014ctg ln 214ctg ln 21=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=ππππξT S y（4）铺盖水平段：m 5.01=S ，m 6.52=S ，m 75.10=L ，按表（4-3）计算铺盖水平段阻力系数2x ξ为()()71.01.96.55.07.075.107.0212=+⨯-=+-=T S S L x ξ（5）板桩垂直段：m 6.5=S ，m 1.9=T ，根据表（4-3），板桩垂直段阻力系数2y ξ为74.01.96.514ln 22=⎪⎭⎫⎝⎛-=ππξctgy （6）板桩垂直段：m 9.4=S ，m 4.8=T ，根据表（4-3），板桩垂直段阻力系数3y ξ为69.04.89.414ln 23=⎪⎭⎫⎝⎛-=ππξctgy （7）底板水平段：m 9.41=S ，m 5.02=S ，m 75.8=L ，m 4.8=T ，故底板水平段阻力系数3x ξ为()59.04.85.09.47.075.83=+-=x ξ（8）齿墙垂直段：m 5.0=S ，m 4.8=T ，根据表（4-3），则齿墙垂直段的阻力系数4y ξ为06.04.85.014ln 24=⎪⎭⎫⎝⎛-=ππξctgy （9）齿墙水平段：021==S S ，m 0.1=L ，m 9.7=T ，按表（4-3）计算齿墙水平段阻力系数4x ξ为13.09.70.14==x ξ （10）出口段：出口段中m 55.0=S ，m 45.8=T ，按表（4-3）计算其阻力系数02ξ为46.044.045.855.05.12/302=+⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯=ξ（二）渗透压力计算1.求各分段的渗压水头损失值 根据式（4-18） ∆H ∑=iii h ξξ，其中m 75.4=∆H ，且 99.346.013.006.059.069.074.071.006.007.048.071=+++++++++=∑=i i ξ（1）进口段)m (57.048.019.148.099.375.411=⨯=⨯=∆H ∑=ξξh（2）齿墙水平段 )m (08.007.019.12=⨯=h （3）齿墙垂直段 )m (07.006.019.13=⨯=h （4）铺盖水平段 )m (85.071.019.14=⨯=h（5）板桩垂直段 )m (88.074.019.15=⨯=h （6）板桩垂直段 )m (82.069.019.16=⨯=h（7）底板水平段 )m (70.059.019.17=⨯=h（8）齿墙垂直段 )m (07.006.019.18=⨯=h （9）齿墙水平段 )m (16.013.019.19=⨯=h （10）出口段 )m (55.046.019.110=⨯=h2. 进出口水头损失值的修正（1）进口处按式（4-20）计算修正系数1β'为⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+⎪⎭⎫ ⎝⎛'⨯-='059.0212121.121TS T T β66.0059.05.99.025.96.812121.12=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+⎪⎭⎫⎝⎛⨯-= 0.166.01<='β，应予修正。

C.2 改进阻力系数法C.2.1土基上水闸的地基有效深度可按公式(C.2.1-1)或(C.2.1-2)计算： 当500≥S L 时, 05.0L T e = (C.2.1-1) 当500 S L 时, 26.15000+=S L L T e (C.2.1-2) 式中 T e ---土基上水闸的地基有效深度(m)；L 0 ---地下轮廓的水平投影长度(m)；S 0 ---地下轮廓的垂直投影长度(m).当计算的T e 值大于地基实际深度时,T e 值应按地基实际深度采用.C.2.2 分段阻力系数可按公式(C.2.2-1)~(C.2.2-3)计算：1 进,出口段(见图C.2.2-1)：441.05.1230+⎭⎬⎫⎩⎨⎧=T S ξ (C.2.2-1)式中 a 0 ---进,出口段的阻力系数；S---板桩或齿墙的入土深度(m)；T---地基透水层深度(m).2 内部垂直段(见图C.2.2-2)：(C.2.2-2)式中 a y ---内部垂直段的阻力系数. 图C.2.2-1 图C.2.2-2图C.2.2-33 水平段(见图C.2.2-3)：()TS S L x x 217.0+-=ξ (C.2.2-3) 式中 a x ---水平段的阻力系数；L x ---水平段长度(m)；S 1 ,S 2 ---进,出口段板桩或齿墙的入土深度(m).C.2.3 各分段水头损失值可按公式(C.2.3)计算：∑=∆=n i ii i H h 1ξξ (C.2.3) 式中 h χ ---各分段水头损失值(m)；a i ---各分段的阻力系数；n---总分段数.以直线连接各分段计算点的水头值,即得渗透压力的分布图形.C.2.4 进,出口段水头损失值和渗透压力分布图形可按下列方法进行局部修正： 1 进,出口段修正后的水头损失值可按公式(C.2.4-1)~(C.2.4-3)计算(见图C.2.4-1)：0''0h h β= (C.2.4-1)∑==ni i h h 10 (C.2.4-2)⎭⎬⎫⎩⎨⎧+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+⎭⎬⎫⎩⎨⎧-=059.0212121.1'2''T S T T β (C.2.4-3) 图C.2.4-1式中 h '0 ---进,出口段修正后的水头损失值(m)；h 0 ---进,出口段水头损失值(m)；β'---阻力修正系数,当计算的β′≥1.0时,采用β′＝1.0；S ' ---底板埋深与板桩入土深度之和(m)；T '---板桩另一侧地基透水层深度(m).2 修正后水头损失的减小值,可按公式(C.2.4-4)计算：()0'1h h β-=∆ (C.2.4-4)式中 Δh---修正后水头损失的减小值(m).3 水力坡降呈急变形式的长度可按公式(C.2.4-5)计算：T I HhL N i X ∑=∆∆=ξ1'(C.2.4-5)式中 L'x ---水力坡降呈急变形式的长度(m).4 出口段渗透压力分布图形可按下列方法进行修正如图C.2.4-2所示,图C.2.4-2中的QP ′为原有水力坡降线,根据公式(C.2.4-3)和(C.2.4-4)和公式(C.2.4-5)计算的⑽h 和L'x 值,分别定出P 点和O 点,连接QOP,即为修正后的水力坡降线.图C.2.4-2C.2.5 进,出口段齿墙不规则部位可按下列方法进行修正(见图C.2.5-1和图C.2.5-2)： 图C.2.5-1 图C.2.5-21 当h x ≥Δh 时,可按公式(C.2.5-1)进行修正：h h h x x ∆+=' (C.2.5-1)式中 h x ---水平段的水头损失值(m)；h'x ---修正后的水平段水头损失值(m).2 当h x ＜Δh 时,可按下列两种情况分别进行修正：1)若h x +h y ≥Δh,可按公式(C.2.5-2)和公式(C.2.5-3)进行修正：x x h h 2'= (C.2.5-2)h h h h y y -∆+='(C.2.5-3)式中 h y ---内部垂直段的水头损失失值(m)；h'y ---修正后的内部垂直段水头损失值(m).2)若h x +h y ＜Δh,可按公式(C.2.5-2),公式(C.2.5-4)和公式(C.2.5-5)进行修正：y y h h 2'= (C.2.5-4)()y x cd cd h h h h h +-∆+=' (C.2.5-5)式中 h cd ---图C.2.5-1和图C.2.5-2中CD 段的水头损失值(m)；h'cd ---修正后的C Ρ段水头损失值(m).以直线连接修正后的各分段计算点的水头值,即得修正后的渗透压力分布图形.C.2.6 出口段渗流坡降值可按公式(C.2.6)计算：''0Sh J = (C.2.6) 式中 J---出口段渗流坡降值.。

90.5 不透水层面一、计算阻力系数。

1.有效深度的确定由于L0=20.5m，S0=100.00−94.00=6.0m，则L0/S0=20.5/6.0= 3.42＜5，闸基到相对不透水层厚度T=100.00-90.5=9.5m。

由式子6-8计算T0得：T0=5L01.6L0S0+2=5×20.51.6×3.42+2=13.72m>9.5m因此按实际透水深度T=9.5m进行计算。

2.简化地下轮廓如下图把1，2，3简化为进口段；4为铺盖水平段；5，6为板桩垂直段；7底板水平段；8齿墙垂直段；9齿墙水平段；10为出口段。

3.计算阻力系数(1)进口段：将齿墙简化为短板桩，板桩入土深度0.6m，铺盖厚0.4m。

求得S1=0.6+0.4=1m；T1=9.5m，又S2=0.6m。

T2=9.1m，进口段的阻力系数ζ01为ζ01=[1.5(S1T1)32+0.441]+2πlncot[π4(1−S2T2)]=0.55(2)铺盖水平段：S1=0.6m；又S2=5.6m L1=10.75m，计算水平段的阻力系数ζx1为ζx1=L 1−0.7(S 1+S 2)T=0.67(3)板桩垂直段：左侧S 1=5.6m ；T 1=9.1m ，S 2=4.7m ；T 2=8.2m ，板桩垂直段阻力系数ζy1为ζy1=2πlncot [π4(1−S 1T 1)]+2πlncot [π4(1−S 2T 2)]=1.41 (4)底板水平段：S 1=4.7m ；又S 2=0.8m L 2=8.75m T =8.2m ，计算水平段的阻力系数ζx2为ζx2=L 2−0.7(S 1+S 2)T=0.60(5)齿墙垂直段：左侧S =0.8m ；T =8.2m ，板桩垂直段阻力系数ζy2为 ζy1=2πlncot [π4(1−ST)]=0.10 (6)齿墙水平段：S 1=S 2=0； L 3=1.0m T =7.4m ，计算水平段的阻力系数ζx3为ζx3=L 3−0.7(S 1+S 2)T=0.14(7)出口段：S =0.55m ，T =7.95m ，阻力系数ζ02为ζ02=1.5（S T）3/2+0.441=0.47二、渗透压力的计算1.各个分段渗透压水头损失值由式（6-7）ℎi =ζi ΔH∑ζin 1，其ΔH =4.75m ，∑ζi 71=0.55+0.67+1.41+0.60+0.10+0.14+0.47=3.94。

阻力系数法
阻力系数法是由阿贝克斯·弗罗洛斯（Abel Frhlich）于1884年提出的，针对飞机相对空气的动力学特性进行分析的一种方法，用于描述飞机空气抵抗力。

它的基本原理是，当飞机在空气中移动时，空气会产生一种抵抗力，这种抵抗力会随着飞机速度的增加而增大，而且随着飞机形状的改变而改变。

因此，通过测量飞机在各种不同条件下的空气阻力，可以得出一组数据，这些数据可以用来计算飞机在不同速度下的空气阻力系数。

阻力系数法通常用于分析室内空气动力学，飞机空气动力学，水动力学，机器人动力学等。

在飞机动力学中，阻力系数法可以用来确定飞行特性，如最大速度，大提升率，结构Tau等。

阻力系数法的处理原理是，根据飞机形状，大小，动作及其空气流动的特性，通过测量飞行时在各种不同条件下的空气抵抗力，求出飞行特性的空气抵抗系数。

这个系数可以用来预测飞机在不同条件下的驾驶特性，如最大速度，最大提升率，最大结构Tau等。

总的来说，阻力系数法是一种有效的工程测量方法，用于分析飞机空气抵抗力，精确测量飞行特性，从而更深入地了解飞行的各种动力学特性。

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