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