一种瞬间溃坝坝址流量过程线的快速预测方法与流程

本发明属于溃坝洪峰流量监控技术领域，涉及一种瞬间溃坝坝址流量过程线的快速预测方法。

背景技术：

溃坝问题的核心部分是溃坝坝址的流量和水位变化过程、以及下游洪水的演进，坝址流量过程可作为下游洪水演进的上边界条件，决定下游洪水的演进时间、洪量大小等等。在实际中，如果能快速正确预测溃坝坝址的流量过程，对于进一步预测溃坝洪水、最大限度地减少洪灾损失等具有重要意义。现有溃坝坝址流量过程的预测方法一般采用非恒定流计算，资料要求全、技术要求高，很多根据模型试验总结的简化的经验公式缺乏理论推导，得到的结果误差较大。其他预测方法还有数值模拟方法，需要详细的地形资料和强大的计算机处理能力，较复杂且费时。因此，特别是在缺乏资料的情况下，如何准确快速的预测坝址流量成为一个亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种瞬间溃坝坝址流量过程线的快速预测方法，解决了资料缺乏情况下准确快速预测溃坝坝址流量过程的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种瞬间溃坝坝址流量过程线的快速预测方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，首先计算出坝址最大流量qp，然后计算出矩形库区的平顶历时ts或梯形库区的峰现时间tp，

步骤2，计算初始流量q0，

步骤3，利用步骤1和步骤2计算出的结果，得到库区坝址流量过程线。

本发明的特点还在于，

所述的步骤1具体为：

步骤1.1，计算坝址处最大溃坝出流量，

步骤1.2，计算矩形库区的平顶历时或梯形库区的峰现时间。

所述的步骤1.1具体为，

坝址处最大溃坝出流量，具体的计算公式为：

其中，m与断面形状有关，是河道断面形状指数，如矩形断面时，m＝1、断面为双曲线型时，m＝1.5；断面为三角形时，m＝2；

对于矩形河道则m＝1，分别代入库区的尺寸参数，a0指坝址处的过水断面面积，am指库区上游端过水断面面积，a0/am是库区断面比；k是一个系数，是库区断面比a0/am的函数，取值见表1；系数坝址未溃决之前初始水深h0对应之坝址处过水断面面积δ是河道断面系数，如为矩形断面，δ就等于断面宽度，则

所述的步骤1.2具体为，

对于矩形库区，计算平顶历时ts，具体计算公式为：

对于梯形库区，计算峰现时间tp，具体计算公式为：

所述的步骤2具体为，按照公式(5)计算初始流量q0，

所述的步骤3具体为，利用步骤1和步骤2中计算出的qp和tp，根据不同的时间t选择分段函数计算出相应的坝址流量，得到库区坝址流量过程线，

其中，库区的初始水量

m——河道断面形状指数；n——指数，平底河道n＝m；

δ——河道断面系数；

l0——库区水面长度，m；

h0——坝址处蓄水深，m；

b0——坝址断面过流宽度，m；

q0——溃坝瞬间形成的初始流量，仅针对梯形库区，m³/s；

qp——峰值流量，m³/s；

q——坝址流量，m³/s；

ts——流量过程线平顶历时，s；

tp——峰值流量出现时间，s；

te——库区泄空时间，s；

t——时间，s；

λ——系数；

w0——库区的初始水量，m³；

a0——坝址处的过水断面面积，m²；

am——库区上游端过水断面面积，m²；

k——系数，是库区断面比a0/am的函数；

a——过水断面面积，m²。

本发明的有益效果是，提供了一种针对平底河道、两种库区形状的瞬间全溃坝址流量过程线的新预测方法，具体包括提出坝址最大流量的计算公式及坝址出流过程线的简单快速预测方法。只要知道坝址蓄水深、断面宽度等尺寸参数，通过简单计算，便可以快速地获得梯形或矩形库区坝址处瞬间全溃的最大流量及其流量过程线，比以前的预测公式更精准，并且该计算结果为进一步研究如何预测下游的洪水演进提供了边界条件。经验证表明该方法简便、合理、可靠、应用性较好。

附图说明

图1是本发明中涉及的矩形库区俯视图和正视图；

图2是本发明方法中涉及的梯形库区俯视图和正视图；

图3是利用本发明方法预测后得到的矩形库区坝址流量过程线；

图4利用本发明方法预测后得到的梯形库区坝址流量过程线。

图中，1.坝址，2.库区，3.坝址断面过流宽度b0，4.坝址处蓄水深h0，5.库区水面长度l0，6.梯形库区上游边界宽度bm，7.x轴，8.下游。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的瞬间溃坝坝址流量过程线的快速预测方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，首先计算出坝址最大流量qp，然后计算出矩形库区的平顶历时ts或梯形库区的峰现时间tp，

步骤1.1，计算坝址处最大溃坝出流量，

影响坝址最大流量的因素只有库区过水断面宽度和坝前蓄水深，坝址处最大溃坝出流量：

具体的计算公式为：

其中，m与断面形状有关，是河道断面形状指数，如矩形断面时，m＝1、断面为双曲线型时，m＝1.5；断面为三角形时，m＝2；

对于矩形河道则m＝1，分别代入库区的尺寸参数，a0指坝址处的过水断面面积，am指库区上游端过水断面面积，a0/am是库区断面比；k是一个系数，是库区断面比a0/am的函数，取值见表1；系数坝址未溃决之前初始水深h0对应之坝址处过水断面面积δ是河道断面系数，如为矩形断面，δ就等于断面宽度，则

表1系数k的取值表

步骤1.2，对于矩形库区，计算平顶历时ts，具体计算公式为：

对于梯形库区，计算峰现时间tp，具体计算公式为：

步骤2，按照公式(4)计算初始流量q0：

步骤3，利用步骤1和步骤2计算出的结果，得到库区坝址流量过程线，具体步骤为：

通过公式(1)和(2)计算出qp和tp后，根据不同的时间t选择分段函数计算出相应的坝址流量，便能得到库区坝址流量过程线。

其中，库区的初始水量

m——河道断面形状指数；n——指数，平底河道n＝m；

δ——河道断面系数；

l0——库区水面长度，m；

h0——坝址处蓄水深，m；

b0——坝址断面过流宽度，m；

q0——溃坝瞬间形成的初始流量，仅针对梯形库区，m³/s；

qp——峰值流量，m³/s；

q——坝址流量，m³/s；

ts——流量过程线平顶历时，s；

tp——峰值流量出现时间，s；

te——库区泄空时间，s；

t——时间，s；

λ——系数；

w0——库区的初始水量，m³；

a0——坝址处的过水断面面积，m²；

am——库区上游端过水断面面积，m²；

k——系数，是库区断面比a0/am的函数；

a——过水断面面积，m²。

设置如下库区尺寸：h0＝30m，l0＝100m，b0＝50m，代入公式(5)进行计算，得到的流量过程线的型式如图3所示；设置如下库区尺寸：h0＝30m，l0＝100m，b0＝50m，bm＝66.7m，代入公式(6)进行计算，得到的流量过程线的型式如图4所示。

其中，图3为矩形库区坝址流量过程线，图4为梯形库区坝址流量过程线。

当库区形状如图1所示为矩形时，为水面宽度相等的平底库区，简称矩形库区，库区正视和俯视都是矩形，

在矩形库区情况下，坝前蓄水库区断面宽度相等，也就是说库区没有收缩或扩张，因溃坝发生时迅速且剧烈，故假设在坝址瞬间全部溃决的时刻，坝址流量达到最大值qp，之后会保持这个流量大小一段时间，表现为溃坝流量过程线有一段平顶，这是由于平底库区内的起始水深相同，在洪水波未反射回坝址之前，坝址处水深、流速和流量不变，出现平顶线型，直到t时刻，

s洪水波反射回坝址，所以流量开始逐渐减小，过程线在t>ts之后呈下凹曲线型直到库区水全部泄完。

当断面宽度不相等时，即库区形状为如图2所示的梯形的情况下，过水断面逐渐变小的库区，因水面宽度不等、水面高度相等，使这种库区正视是矩形，俯视是梯形，因此下文简称梯形库区。在溃坝瞬间形成较大的流量，且称为初始流量q0，因库区上游端断面较坝址断面宽，坝址溃决以后，上游向坝址充水量逐渐增加，使坝址处的水位逐渐升高，所以坝址流量会逐渐增大直到在tp时刻达到最大值qp，此时是波流经上游边界反射回坝址的时刻，当时间大于tp以后，坝址处水位逐渐降低，出流过程呈下凹曲线退水直到库区蓄水全部泄完。对于这种断面收缩的库区，不同于平底库区的是坝址流量过程线的第一个阶段是线性增加的斜线，第二阶段和平底库区相同，是一条下凹的曲线。