考虑坝前淤积体侵蚀的淤地坝溃坝过程计算方法技术

本发明专利技术公开了考虑坝前淤积体侵蚀的淤地坝溃坝过程计算方法。首先，通过入库洪水总量和淤地坝剩余库容来判断淤地坝的起溃时刻t

【技术实现步骤摘要】
考虑坝前淤积体侵蚀的淤地坝溃坝过程计算方法


[0001]本专利技术属于淤地坝溃坝过程模拟方法
，具体涉及考虑坝前淤积体侵蚀的淤地坝溃坝过程计算方法。

技术介绍

[0002]淤地坝是黄土高原特有的水土流失治理措施，在减少入黄泥沙，提高水土资源利用效率以及延缓沟岸扩张、稳固沟床等方面发挥着重要作用。淤地坝在发挥效益的同时，由于施工质量、运行管理、极端暴雨等原因，发生水损水毁的情况屡见不鲜。
[0003]淤地坝溃坝不仅直接威胁着流域下游人民群众的生命财产安全，而且存在较大的生态环境风险，甚至有人认为大暴雨事件会造成淤地坝已淤积耕地大面积损坏和垮塌而出现泥沙“零存整取”现象。目前关于淤地坝溃坝过程的模拟计算大多采用土石坝溃坝模型，缺少针对淤地坝溃决过程的计算方法。淤地坝与一般土石坝最重要的区别在于淤地坝的坝前通常被大量泥沙淤积，当坝体溃口扩展到淤积面时坝前淤积体也会受到溃坝洪水的侵蚀，此时淤积体的存在势必限制坝体溃口的发育过程。现有的溃坝模型一般简化认为可侵蚀的坝体只有淤积面以上的剩余坝体，溃坝模拟只需要考虑淤积面以上坝体溃口的扩展，这样的简化就使现有的溃坝模型不能完整的描述淤地坝溃决过程，因此建立考虑坝前淤积体侵蚀的淤地坝溃坝过程计算方法十分必要。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供考虑坝前淤积体侵蚀的淤地坝溃坝过程计算方法，解决了现有的溃坝模型不能完整的描述淤地坝溃决过程的问题。
[0005]本专利技术所采用的技术方案为：考虑坝前淤积体侵蚀的淤地坝溃坝过程计算方法，首先，通过入库洪水总量和淤地坝剩余库容来判断淤地坝的起溃时刻t
’
；然后，计算淤积面以上溃口发展过程，包括溃口横截面的扩展过程及溃口的溯源侵蚀过程；最后，当侵蚀至淤积面之后，结合溯源侵蚀距离与淤积面以上淤地坝坝坡水平投影距离的关系判断溃口发展的位置，利用溯源侵蚀速率得到溃口宽度的发展过程，进而估算溃坝所造成的坝前淤积体泥沙损失量。
[0006]本专利技术所采用的技术方案的特点还在于：
[0007]考虑坝前淤积体侵蚀的淤地坝溃坝过程计算方法，具体按以下步骤实施：
[0008]步骤1、获取基础数据并设置初始溃口参数，基础数据包括筑坝材料力学参数、入库水文资料和坝体参数；
[0009]步骤2、根据步骤1获取的基础数据判断淤地坝的起溃时刻t
’
，当入库洪水总量大于淤地坝剩余库容时的时间点为起溃时刻t
’
；输入t
’
之后的入库洪水流量q
in
()；
[0010]步骤3、利用步骤1和2输入的参数计算淤积面以上溃口发展过程，得到溃口断面流量、溃口底高程及溃口宽度的变化过程；
[0011]步骤4、利用步骤3得到的溃口断面流量、溃口底高程及溃口宽度进行溯源侵蚀速
率计算，得到溃口的溯源侵蚀过程；
[0012]步骤5、计算侵蚀至淤积面之后的溃口发展过程，根据不同的溃口发展阶段采用相应的公式进行计算，得到溯源侵蚀距离及溃口平面宽度的发展过程；
[0013]步骤6、坝前淤积体的泥沙损失量估算，依据终溃口的溯源侵蚀距离及平面宽度，估算坝前淤积体的泥沙损失体积。
[0014]步骤1中筑坝材料力学参数包括容重、粘聚力、内摩擦角、临界剪应力；入库水文资料包括随时间变化的入库洪水流量；坝体参数包括坝高、坝顶宽度、坝坡坡度、水位库容曲线、已淤库容、剩余库容。
[0015]步骤3具体按以下步骤实施：
[0016]步骤3.1、溃口断面流量计算
[0017]将溃口的横截面简化为梯形，模型中坝体溃口的断面流量采用公式(1)和(2)进行计算：
[0018]Q＝CB(H
‑
z)
3/2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0019][0020]式中：Q为溃口断面流量，C为综合流量系数，理论值为1.2m
1/2
/s，B为溃口宽度，H为坝内水深，z为溃口底部距坝底的高差，m
b
为侧收缩系数，m
q
为宽顶堰流量系数，g为重力加速度；
[0021]由水量平衡原理计算溃口断面流量Q，计算方法如式(3)所示：
[0022][0023]式中：W为土坝库容，t为时间，q
in
为入库洪水流量；
[0024]步骤3.2、溃口底高程计算
[0025]溃口底高程下切深度Δz由公式(4)～(6)进行计算：
[0026][0027]τ
n
＝k(τ
‑
τ
c
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0028][0029]式中：为溃口垂向侵蚀速率，τ
n
为扣除临界剪应力后的剪应力，当τ
n
无限大时趋近于a、b为经验参数，其取值与土壤可蚀性有关，τ为水流剪应力，τ
c
为临界剪切力，k为在τ范围内允许接近的单位变换因子，n为河道糙率，γ为水的重度，R为水力半径；
[0030]步骤3.3、溃口宽度计算
[0031]在侧向崩塌过程中坝体溃口的单侧横向展宽与溃口的下切量相等，溃口宽度B取溃口水面宽度，计算方法如式(7)所示：
[0032][0033]式中：β为溃口边坡坡脚，h为水深，B0为初始溃口底宽，B
end
为终溃口底宽，z0为溃口初始底高程，对于漫顶溃坝，可以设置z0为坝顶高程，z
end
为溃口发展的最低底高程，可以根据具体工况进行指定。
[0034]步骤4具体按以下步骤实施：
[0035]溃口的溯源侵蚀速率计算
[0036]从时刻t
’
开始，在计算溃口横截面形态变化的同时，进行溃口溯源侵蚀过程的计算，溯源过程中跌坎均由沟头顶点经垂直壁面直达沟床，跌坎沿逆水流方向移动的距离为溯源侵蚀距离D
rt
，溯源侵蚀速率计算方法如式(8)所示：
[0037][0038]式中：D
rt
为溯源侵蚀距离，C
t
为与土体材料特性相关的系数，q为单宽流量，H
hc
为水流通过跌坎前后能级线的变化量，ΔD
rt
/Δt为溯源侵蚀速率。
[0039]步骤5具体按以下步骤实施：
[0040]步骤5.1，侵蚀至淤积面之后的溃口发展过程；
[0041]当z等于淤积面高程，结合溃口的实际形态，将溃口简化为水平投影为梯形的规则形态，简化为定值，取大于0的极小值，溃口的下游展宽Δb/Δt由公式(9)计算：
[0042][0043]式中：Δb为溃口平面宽度的变化量，α
c
为与土体材料有关的比例系数；n
loc
表征溃口位置，即当溃口在坝体中间时n
loc
取2，当溃口在坝肩附近时n
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.考虑坝前淤积体侵蚀的淤地坝溃坝过程计算方法，其特征在于，首先，通过入库洪水总量和淤地坝剩余库容来判断淤地坝的起溃时刻t
’
；然后，计算淤积面以上溃口发展过程，包括溃口横截面的扩展过程及溃口的溯源侵蚀过程；最后，当侵蚀至淤积面之后，结合溯源侵蚀距离与淤积面以上淤地坝坝坡水平投影距离的关系判断溃口发展的位置，利用溯源侵蚀速率得到溃口宽度的发展过程，进而估算溃坝所造成的坝前淤积体泥沙损失量。2.根据权利要求1所述的考虑坝前淤积体侵蚀的淤地坝溃坝过程计算方法，其特征在于，具体按以下步骤实施：步骤1、获取基础数据并设置初始溃口参数，所述基础数据包括筑坝材料力学参数、入库水文资料和坝体参数；步骤2、根据步骤1获取的基础数据判断淤地坝的起溃时刻t
’
，当入库洪水总量大于淤地坝剩余库容时的时间点为起溃时刻t
’
；输入t
’
之后的入库洪水流量q
in
()；步骤3、利用步骤1和2输入的参数计算淤积面以上溃口发展过程，得到溃口断面流量、溃口底高程及溃口宽度的变化过程；步骤4、利用步骤3得到的溃口断面流量、溃口底高程及溃口宽度进行溯源侵蚀速率计算，得到溃口的溯源侵蚀过程；步骤5、计算侵蚀至淤积面之后的溃口发展过程，根据不同的溃口发展阶段采用相应的公式进行计算，得到溯源侵蚀距离及溃口平面宽度的发展过程；步骤6、坝前淤积体的泥沙损失量估算，依据终溃口的溯源侵蚀距离及平面宽度，估算坝前淤积体的泥沙损失体积。3.根据权利要求2所述的考虑坝前淤积体侵蚀的淤地坝溃坝过程计算方法，其特征在于，步骤1中所述筑坝材料力学参数包括容重、粘聚力、内摩擦角、临界剪应力；入库水文资料包括随时间变化的入库洪水流量；坝体参数包括坝高、坝顶宽度、坝坡坡度、水位库容曲线、已淤库容、剩余库容。4.根据权利要求2所述的考虑坝前淤积体侵蚀的淤地坝溃坝过程计算方法，其特征在于，所述步骤3具体按以下步骤实施：步骤3.1、溃口断面流量计算将溃口的横截面简化为梯形，模型中坝体溃口的断面流量采用公式(1)和(2)进行计算：Q＝CB(H
‑
z)
3/2
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(1)式中：Q为溃口断面流量，C为综合流量系数，理论值为1.2m
1/2
/s，B为溃口宽度，H为坝内水深，z为溃口底部距坝底的高差，m
b
为侧收缩系数，m
q
为宽顶堰流量系数，g为重力加速度；由水量平衡原理计算溃口断面流量Q，计算方法如式(3)所示：式中：W为土坝库容，t为时间，q
in
为入库洪水流量；步骤3.2、溃口底高程计算溃口底高程下切深度Δz由公式(4)～(6)进行计算：
τ
n
＝k(τ
‑
τ
c
)
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(5)式中：为溃口垂向侵蚀速率，τ
n
为扣除临界剪应力后的剪应力，当τ
n
无限大时趋近于趋近于a、b为经验参数，其取值与土壤可蚀性有关，τ为水流剪应力，τ
c
为临界剪切力，k为在τ范围内允许接近的单位变换因子，n为河道糙率，γ为水的重度，R为水力半径；步骤3.3、溃口宽度计算在侧向崩塌过程中坝体溃口的单侧横向展宽与溃口的下切量相等，溃口宽度B取溃口水面宽度，计算方法如式(7)所示：式中：β为溃口边坡坡脚，h为水深，B0为初始溃口底宽，B
end
为终溃口底宽，z0为溃口初始底高程，对于漫顶溃坝，可以设置z0为...

【专利技术属性】
技术研发人员：张泽宇，李占斌，朱记伟，李鹏，高海东，程圣东，肖列，王飞超，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：