一种堤防溃口发展过程计算方法

文档序号:33790371发布日期:2023-04-19 08:35阅读:131来源:国知局
一种堤防溃口发展过程计算方法

本发明涉及洪水灾害防御领域,具体是一种堤防溃口发展过程计算方法。


背景技术:

1、堤防作为防洪工程的重要组成部分,在世界各国内被广泛应用,对社会经济发展起到了重要作用。但在超标准洪水等情境下,堤防溃决洪水会对洪水淹没区人民的生命财产造成严重危害。堤防溃决过程是堤防材料与溃口水流相互作用的过程,量化分析溃口发展速率对于溃决过程模拟、下游洪水发展预测、人员紧急疏散预案的制定具有重要意义。

2、现对溃口发展过程计算已有的技术主要分为两类。一类是基于数据统计的参数模型,对历史溃堤资料运用统计学方法进行回归分析,建立得到一些关键的溃口几何及物理参数如溃口展宽、溃口下切、溃口形状、溃决时间等参数的经验公式,这些公式结构相对简单,可以对溃口发展过程进行快速评估。但是,经验公式的建立通常需要大量的实测数据为基础,由于溃决的危险性和复杂性,收集到的资料极为有限,数据的精度也较差,因此经验公式具有一定的局限性,且此类模型并未涉及到实际的溃决机理,准确度较低,计算结果不稳定。

3、另一类是基于物理机制的数学模型,主要运用水力学和泥沙动力学等方法,采用微分方程描述溃口发展和侵蚀过程,能够较为真实地模拟实际的溃堤过程,但此方法求解复杂且计算中大多含有某些不易现场测量的参数,这些都限制了方程的建立与普遍适用性。

4、例如,在研究堤防溃决溃口发展时,常借鉴土力学的方法,用水流剪切应力、土体起动剪切应力和侵蚀系数表示土体冲刷宽度(速率),建立以剪切应力为变量的溃口发展过程参数表达式:

5、e=kdδt(τ-τc)或vz=kd(τ-τd)

6、其中e为冲刷宽度,kd为侵蚀系数,△t为时间,τ为水流平均剪切应力,τd为土体起动剪切应力,vz为冲刷速率。只有当水流剪切应力大于土体剪切应力时,土体才会被水流冲走。从公式中可以看出土体冲刷速率除了受水流作用力影响外,还与土体的侵蚀系数和起动剪切应力有关,而侵蚀系数和临界剪切应力均与土体本身性质有关,其中侵蚀系数是决定土体冲刷大小的最主要的参数,针对不同土体的临界剪切应力有众多经验公式可以计算,并且两者具有一定的关系。但求解水流剪切应力时受水深影响较大,而由于溃口处高程变化剧烈,其溃口底高程很难测得,因此无法准确求出水深,溃决初始时,水深很小,水沙界面更难以辨别,也为水深的确定增加了困难。

7、除借鉴土力学的方法以外,还有的考虑水动力对于泥沙冲蚀的作用,以溃口流量q为主要变量建立其与溃口下切速率、展宽速率的关系。但溃决过程是堤防材料与溃口水流相互作用的过程,溃口尺寸影响溃口流量的大小,溃口流量并不能真实反映水流对于泥沙冲刷的作用强弱,导致在不同溃决发展阶段,溃口发展速率与溃口流量表达式的形式和参数不同,不同入流流量下溃口发展速率与溃口流量关系的规律也不一样。

8、前人的研究主要集中于溃决机理、影响因素以及溃决过程,尚未提出能够合理描述堤防漫溢溃决时溃口发展的理论计算模型,且仅有的少部分有关研究均是定性分析,并未给出溃口发展的决定因素以及它们之间的量化关系表达式。


技术实现思路

1、针对现有技术存在的上述不足,本发明提供了一种堤防溃口发展过程计算方法,提出以溃口单宽流量q单为变量,建立了其与溃口横向展宽速率、垂向下切速率的计算公式,适用于整个溃决过程且适用于不同入流流量的试验工况。

2、本采用采用如下技术方案实现:

3、一种堤防溃口发展过程计算方法,以溃口单宽流量为主要参数,建立溃口发展过程的参数公式,包括如下步骤:

4、步骤一:根据宽顶堰流量公式(1)计算堤防溃口流量:

5、

6、μ--溃口流量系数,无量纲数;

7、q--堤防溃口流量,单位m3/s;

8、b--溃口处的水面宽度,单位m;

9、h为溃口水深,单位m;

10、步骤二:基于步骤一计算所得堤防溃口流量,由式(2)计算得出溃口的单宽流量:

11、

12、q单--溃口单宽流量,单位m2/s;

13、步骤三:基于步骤二计算所得溃口的单宽流量,建立溃口的单宽流量与溃口横向展宽速率、垂向下切速率的计算公式,

14、步骤四:基于步骤三计算所得溃口横向展宽速率、垂向下切速率,分别计算溃口横向展宽发展过程和溃口垂向下切发展过程。

15、进一步的,步骤三具体包括:

16、通过式(3a)计算溃口横向展宽速率:

17、

18、通过式(3b)计算溃口垂向下切速率:

19、

20、γb--溃口横向展宽速率,物理意义为单位时间内溃口横向扩展宽度,单位m/s;

21、γh--溃口垂向下切速率,单位m/s;

22、ab,bb,ah,bh--侵蚀系数,无量纲参数;

23、q单c--溃口单宽流量临界值,与土体的起动剪切应力和本身性质有关,单位m2/s。

24、进一步的,步骤四具体包括:

25、通过式(4a)计算溃口横向展宽发展过程:

26、bt+δt=bt+γb·δt(4a)

27、通过式(4b)计算溃口垂向下切发展过程:

28、ht+δt=zb0-zbt+δt(4b)

29、bt+δt--t+δt时刻溃口横向宽度,单位m;

30、bt--t时刻溃口横向宽度,单位m;

31、ht+δt--t+δt时刻溃口垂向深度,单位m;

32、zb0--初始0时刻溃口底部高程,单位m;

33、zbt+δt--t+δt时刻溃口底部高程,单位m;

34、δt--溃口溃决时间步长,单位s,

35、t+δt时刻溃口底部高程zbt+δt的计算公式如下:

36、

37、进一步的,t+δt时刻溃口横向宽度bt+δt的计算公式如下:

38、

39、即:

40、

41、进一步的,t+δt时刻溃口垂向深度溃口垂向深度ht+δt计算公式如下:

42、

43、相比于现有技术,本发明具有如下优点:

44、(1)相比于传统的经验公式,本发明弥补了现有技术中溃口发展公式不明确,缺乏物理意义等缺点,本发明中提供的溃口发展过程计算方法具有较强的物理意义。

45、(2)溃口单宽流量从本质上与溃口流量相比较是相一致的,但单宽流量更能清晰地说明水动力对于泥沙冲刷作用的强弱,可避免不同阶段中溃口尺寸对于溃口水动力作用的影响,形式上可以描述堤防在整个溃决过程中溃口的发展过程,建立全过程统一的量化表达式,可对溃口横向展宽、垂向下切发展全过程计算,且适用于不同入流流量试验工况。

46、(3)本发明提供的计算方法所需参数少,计算过程中所涉及的测量值仅有水位值,容易获得,具有较高的可实施性及较好的重复性与科学性,计算过程简洁。



技术特征:

1.一种堤防溃口发展过程计算方法,其特征在于:以溃口单宽流量为主要参数,建立溃口发展过程的参数公式,包括如下步骤:

2.如权利要求1所述的堤防溃口发展过程计算方法,其特征在于:步骤三具体包括:

3.如权利要求2所述的堤防溃口发展过程计算方法,其特征在于:步骤四具体包括:

4.如权利要求3所述的堤防溃口发展过程计算方法,其特征在于:t+δt时刻溃口横向宽度bt+δt的计算公式如下:

5.如权利要求3所述的堤防溃口发展过程计算方法,其特征在于:t+δt时刻溃口垂向深度溃口垂向深度ht+δt计算公式如下:


技术总结
本发明提供了一种堤防溃口发展过程计算方法,涉及洪水灾害防御领域。所述方法考虑了水流作用力对于溃口发展速率的影响,采用溃口单宽流量为主要参数,建立溃口水流要素与发展过程之间的参数表达式,对溃口横向展宽、垂向下切两个主要发展过程进行计算。本发明可计算溃口溃决发展全过程;本发明提供的计算方法所需参数少,作为计算溃口发展过程的主要参数‑‑溃口单宽流量可以由宽顶堰流量公式直接求得,具有较高的可实施性及较好的重复性与科学性,计算过程简洁;溃口单宽流量反映了水流对于溃口泥沙的冲刷作用,从溃决实际发展机理出发,建立的计算公式更符合物理机制。

技术研发人员:黄卫,陈端,段文刚,杨青远,魏思奇,李利,夏沁雪,刘备,倪玉芳
受保护的技术使用者:长江水利委员会长江科学院
技术研发日:
技术公布日:2024/1/13
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