【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于水利工程溃坝计算，尤其是一种模拟心墙坝漫顶溃坝流量及溃口演化过程的计算方法。
技术介绍
1、心墙坝是一种常用的土石坝坝型，因其使用透水性较好的砂石料作为坝壳，以防渗性较好的土作为防渗心墙而受到广泛的建设。心墙坝的溃坝机理尚不清晰，对于心墙坝溃坝过程认识不足，这对于心墙坝溃坝应急抢险救灾提供了较大的阻碍。
2、对于认识心墙坝溃坝机理，模型试验受场地及缩尺相似比的限制，无法完全复原心墙坝的溃坝过程，其所得结果与实际情况不一致。采用数学模型计算可以较好的还原心墙坝的溃坝过程，且可以完全复原心墙坝的受力及破坏情况，对研究心墙坝溃坝机理提供了一种低成本、高成效的研究手段，如现有文献：钟启明等. [j].中国科学，2017，47(9):992-100.考虑心墙不同破坏模式的黏土心墙坝漫顶溃坝过程数学模型，考虑了心墙在漫顶水流的作用下，心墙的倾倒破坏与剪切破坏，但是该文献中没有考虑心墙折断前溃口的发展过程，没有考虑心墙的裸露长度及破坏次数，这与实际溃坝过程是不相符的。不考虑心墙折断前的裸露长度及破坏次数会导致溃口流量与溃口顶、底宽的发展过程及趋势与实际情况不一致，无法很好的表明实际溃坝过程，无法准确计算溃坝流量及溃坝发展过程。
技术实现思路
1、本专利技术针对现有技术不考虑心墙折断前的裸露长度及破坏次数、无法很好的表明实际溃坝过程、无法准确计算溃坝流量及溃坝发展过程的问题，提出一种考虑心墙实时受力状态的溃坝计算方法，该模型采用时间步长迭代的数值计算方法。
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3、一种模拟心墙坝漫顶溃坝流量及溃口演化过程的计算方法，该计算方法主要包括三部分：溃口流量计算、坝体溃坝特征的计算、心墙受力分析，具体包括如下步骤：
4、步骤1、确定计算参数，包括心墙坝坝体特性参数、心墙特性参数、上游水位-库面面积关系曲线、时间-来流曲线和时间-泄流曲线。
5、坝体特性参数包括：坝体高度、坝体顶宽、坝轴线长度、上游坝坡坡比、下游坝坡坡比和坝壳料特性参数，坝壳料特性参数包括坝壳料黏聚力、坝壳料内摩擦角和坝壳料冲蚀系数等。心墙特性参数包括：心墙料黏聚力、心墙高度、心墙顶部宽度、上游坡比、下游坡比及坝轴线与心墙相对距离。
6、步骤2、设置时间步长，计算各个时间步的溃口流量，时间步长可根据需要调整，可以是1s，也可以是2s，具体包括：
7、步骤2.1、根据初始形态的设计数据对坝体主要特征点进行赋值，同时读取时间-来流数组、上游水位-库面面积、时间-泄流数组等设计数据。
8、坝体主要特征点包括：水库库水位、高度、上游坝趾位置、坝肩上游位置、坝肩下游位置、下游坝趾位置、心墙上游坝趾位置、心墙坝肩上游位置、心墙坝肩下游位置及心墙下游坝趾位置。
9、步骤2.2、根据时间-来流数组计算上游水库库水位的高程变化，考虑入库流量、溃口流量、溢洪道下泄流量：
10、式中， as为水库库面面积； zs为水库库水位； t为时间； qin为入库流量，为时间-来流数组，每一时刻对应的来流 qin，是设计规定好的； qb为溃口流量； qspill为溢洪道下泄流量，为时间-泄流数组中每一时刻对应的泄流值。
11、步骤2.3、如果上游水库库水位小于等于溃口底部高程，则跳过之后计算，进行下一时间步上游来流及水库库水位高程计算；如果上游水库库水位高于溃口底部高程且高于下游水位，采用宽顶堰流公式计算溃口流量：
12、
13、式中， b为溃口底宽，通过公式（19）计算得到； h为溃口处水深， h= zs- zb，每一时刻都计算获得，其中 zb为溃口底部高程， zs为水库库水位； m为溃口边坡坡比（水平/垂直），为拟定的数值； c1、 c2为修正系数，选取 c1=1.7m0.5/s， c2=1.1m0.5/s； ksm为尾水淹没修正系数，可由下式计算：
14、式中： z t 为尾水高度。
15、溃口底部高程通过公式（13）或公式（7）计算每个t时刻溃口底部高程变化量，用既有高程减去单位时刻溃口底部高程变化量即为新时刻溃口底部高程。
16、步骤3、计算各个时间步的坝体溃坝特征，包括计算溃口底部高程；
17、受溃口水流的影响，坝顶和下游坝坡遭受冲蚀。
18、如果坝壳料为黏性土，则初始冲坑处的边坡变陡，下游坝坡坡角由初始坡角 β逐渐变为坝壳料内摩擦角 φ1。
19、对于坝顶坝壳料的冲蚀率可由下式计算：
20、
21、式中， e为冲蚀率； k d为冲蚀系数，常通过试验测量或采用经验公式求取； τ b为水流剪应力； τ c为坝料临界剪应力，可通过希尔兹曲线确定。其中， τ b与 k d计算公式如下：
22、
23、式中， ρ w为水的密度； n为曼宁系数； r为溃口处水力半径； a w为水流面积。溃口处水力半径和水流面积通过现有公式计算获得。
24、
25、式中， ρ d为土体干密度； c%为黏粒含量。
26、则溃口底部高程变化量为单位时间内溃口坝壳料的冲蚀率：
27、
28、当下游坡坡角达到坝壳料内摩擦角 φ1后，在溃坝水流作用下，溯本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种模拟心墙坝漫顶溃坝流量及溃口演化过程的计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种模拟心墙坝漫顶溃坝流量及溃口演化过程的计算方法，其特征在于，步骤1中坝体特性参数包括：坝体高度、坝体长度、坝顶宽度、坝轴线长度、上游坝坡坡比、下游坝坡坡比、坝壳料黏聚力、坝壳料内摩擦角和坝壳料冲蚀系数；心墙特性参数包括：心墙料黏聚力、心墙高度、心墙顶部宽度、上游坡比、下游坡比和坝轴线与心墙相对距离。
3.根据权利要求1所述的一种模拟心墙坝漫顶溃坝流量及溃口演化过程的计算方法，其特征在于，步骤2.1中坝体主要特征点包括：水库库水位、高度、上游坝趾位置、坝肩上游位置、坝肩下游位置、下游坝趾位置、心墙上游坝趾位置、心墙坝肩上游位置、心墙坝肩下游位置及心墙下游坝趾位置。
4.根据权利要求1所述的一种模拟心墙坝漫顶溃坝流量及溃口演化过程的计算方法，其特征在于，步骤3中坝壳料被溃坝水流冲蚀体积Vb计算公式为：
5.根据权利要求1所述的一种模拟心墙坝漫顶溃坝流量及溃口演化过程的计算方法，其特征在于，步骤3中溃口总面积S计算公式为：>...
【技术特征摘要】
1.一种模拟心墙坝漫顶溃坝流量及溃口演化过程的计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种模拟心墙坝漫顶溃坝流量及溃口演化过程的计算方法，其特征在于，步骤1中坝体特性参数包括：坝体高度、坝体长度、坝顶宽度、坝轴线长度、上游坝坡坡比、下游坝坡坡比、坝壳料黏聚力、坝壳料内摩擦角和坝壳料冲蚀系数；心墙特性参数包括：心墙料黏聚力、心墙高度、心墙顶部宽度、上游坡比、下游坡比和坝轴线与心墙相对距离。
3.根据权利要求1所述的一种模拟心墙坝漫顶溃坝流量及溃口...
【专利技术属性】
技术研发人员：钟启明，杨蒙，张露澄，胡亮，单熠博，卢洪宁，李宇，陈灵淳，和洪秋，梅胜尧，吴昊，陈旭东，赵鲲鹏，
申请(专利权)人：水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院，
类型：发明
国别省市：
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