一种堤防溃口发展过程计算方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术可计算溃口溃决发展全过程；本发明专利技术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

【技术实现步骤摘要】
一种堤防溃口发展过程计算方法


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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：
[0006]E＝k
d
Δt(τ
‑
τ
c
)或V
z
＝k
d
(τ
‑
τ
d
)
[0007]其中E为冲刷宽度，k
d
为侵蚀系数，
△
t为时间，τ为水流平均剪切应力，τ
d
为土体起动剪切应力，V
z
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。
[0008]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。
[0009]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

[0010]针对现有技术存在的上述不足，本专利技术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。
[0011]本采用采用如下技术方案实现：
[0012]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：
[0013]步骤一：根据宽顶堰流量公式(1)计算堤防溃口流量：
[0014][0015]μ
‑‑
溃口流量系数，无量纲数；
[0016]Q
‑‑
堤防溃口流量，单位m3/s；
[0017]B
‑‑
溃口处的水面宽度，单位m；
[0018]h为溃口水深，单位m；
[0019]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：
[0020][0021]q
单
‑‑
溃口单宽流量，单位m2/s；
[0022]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，
[0023]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。
[0024]进一步的，步骤三具体包括：
[0025]通过式(3a)计算溃口横向展宽速率：
[0026][0027]通过式(3b)计算溃口垂向下切速率：
[0028][0029]γ
B
‑‑
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；
[0030]γ
H
‑‑
溃口垂向下切速率，单位m/s；
[0031]a
B
，b
B
，a
H
，b
H
‑‑
侵蚀系数，无量纲参数；
[0032]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。
[0033]进一步的，步骤四具体包括：
[0034]通过式(4a)计算溃口横向展宽发展过程：
[0035]B
t+Δt
＝B
t
+γ
B
·
Δt(4a)
[0036]通过式(4b)计算溃口垂向下切发展过程：
[0037]H
t+Δt
＝Z
b0
‑
Z
bt+Δt
(4b)
[0038]B
t+Δt
‑‑
t+Δt时刻溃口横向宽度，单位m；
[0039]B
t
‑‑
t时刻溃口横向宽度，单位m；
[0040]H
t+Δt
‑‑
t+Δt时刻溃口垂向深度，单位m；
[0041]Z
b0
‑‑
初始0时刻溃口底部高程，单位m；
[0042]Z
bt+Δt
‑‑
t+Δt时刻溃口底部高程，单位m；
[0043]Δt
‑‑
溃口溃决时间步长，单位s，
[0044]t+Δt时刻溃口底部高程Z
bt+Δt
的计算公式如下：
[0045][0046]进一步的，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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：步骤一：根据宽顶堰流量公式(1)计算堤防溃口流量：μ
‑‑
溃口流量系数，无量纲数；Q
‑‑
堤防溃口流量，单位m3/s；B
‑‑
溃口处的水面宽度，单位m；h为溃口水深，单位m，当堤外水位低于溃口底部高程，溃口水深为河道水位与溃口底部高程之差，反之，溃口水深为河道水位与堤外水深之差；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：q
单
‑‑
溃口单宽流量，单位m2/s；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，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。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：通过式(3a)计算溃口横向展宽速率：通过式(3b)计算溃口垂向下切速率：γ
B
‑‑
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；γ
H
‑‑
溃口垂向下切速率，单位m/s；a
B
，b
B
，a
H
，b
H
‑‑
侵蚀系数，无量纲参数；q
单c
‑‑

【专利技术属性】
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，
申请(专利权)人：长江水利委员会长江科学院，
类型：发明
国别省市：