跨河桥一般冲刷实时预报数值方法技术

本发明专利技术涉及跨河桥一般冲刷实时预报数值方法，属于计算机技术领域。本发明专利技术特别针对河床冲刷与洪水过程的动态关系，采用洪水流量过程中桥渡河段河床实时冲刷演变模拟方程，考虑了压缩河段特点，并通过计算机实现数值模拟和桥下冲刷状态实时预报。本发明专利技术可用于公路桥和铁路桥防洪安全管理中，实现随洪水过程实时掌握河床冲刷状况，避免大桥遭遇冲刷而导致的灾害。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，属于计算机
本专利技术特 别针对河床冲刷与洪水过程的动态关系，采用洪水流量过程中河床实时冲刷演变模拟方 程，考虑了压缩河段特点，并通过计算机实现数值模拟和实时预报。本专利技术可用于公路桥和 铁路桥防洪安全管理中，实现随洪水过程实时掌握河床冲刷状况，避免大桥遭遇冲刷而导 致的灾害。
技术介绍
跨河大桥多有压缩过流断面的情况，由此可能造成大洪水时桥址断面河床普遍冲 刷，并有引起桥墩基础稳定性丧失的隐患。这种冲刷称为一般冲刷，在大桥工程防洪管理中 需要随时预知一般冲刷的变化，以便预防灾害发生。目前，跨河桥梁一般冲刷计算主要依据铁路或公路规范规定的半经验半理论公 式，使用和计算过程中对一些经验系数或变量经验取值还需要查表、手算，花费较多的时间 及人工投入，计算结果也与个人的经验有关，而且不能及时取得追踪洪水变化的冲刷结果， 难以作出大桥防洪的实时预报。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术的上述不足，提供跨河桥一般冲刷实时预报数 值方法。使大桥防洪管理人员使用便捷，实时掌握随洪水过程的一般冲刷发展态势。本专利技术涉及，包括以下步骤；步骤1 ；采用一维总流水沙运动偏微分方程，即水流连续方程、水流运动方程、泥 沙运动方程和河床变形，组成计算跨河桥一般冲刷计算的基本方程组；计算中主要考虑悬 移质泥沙，并采用泥沙运动力学中的其他辅助公式以组成封闭方程组；根据桥址上、下游附近区域流态进行有效过流断面处理，以提高桥址处水动力计 算和冲刷计算结果的精度；步骤2 ；桥址附近加密计算网格，并对计算范围内的不规则过流断面采用插值处 理，使计算的断面面积与实际断面非常接近；插值处理的水文要素关系包括断面面积_水位关系、水面宽_水位关系、平均水 深_水位关系以及河底平均高程_水位关系；插值采用分段线性方法对于n+1个观测序 列，若求Oii, Ti)和Qw Ti+1)之间任一点(h，Τ)，则线性插值公式如下T = Ti+ H(Ji-Pii)(5)Kx'h式中，i为观测序列号，O^Ti)即为该观测序列对应的自变量和函数值；(hi+1，Ti+1) 即为第i+l观测序列对应的自变量和函数值；h为已知自变量，其值在比和hi+1之间，T为 待求函数值；步骤3 ；采用冲刷随时间变化的方程，并在桥址附近网格加密区引入时间子步，实现冲刷过程实时数据输出，提供冲刷态势的实时预报；采用冲刷随时间变化的方程，即方程⑷和计算时引入洪水流量随时间变化的过 程，并引入时间子步，即在桥址附近加密计算网格区域，减小时间步长而增加时间循环次 数，以保证计算稳定性；步骤4 ；采用数值计算方法实现计算机自动模拟预报；采用数值计算方法实现计算机自动模拟预报，即将上述偏微分方程在计算区域内 按空间网格步长和时间步长进行数值离散，得到差分方程，并编制计算程序，实现大桥河段 一般冲刷的数值计算和数据实时输出。本专利技术的优点为本专利技术避免了以往公式法的多经验性，尽量遵循冲刷现象的物 理本质和理论模式，并能实现输入大量洪水过程和相应冲刷过程的快速计算和数据输出， 深刻地揭示水、沙条件变化情况下一般冲刷随时间的发展过程。附图说明当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本专利技术以 及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解， 构成本专利技术的一部分，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本发 明的不当限定，其中图1是实现一般冲刷实时预报的数值计算流程图；图2是本专利技术的某桥河段断面插值计算结果实例图；图3是实施例某大桥桥址河床一般冲刷随洪水过程的数值预报实施例图。具体实施例方式参照图1至图3对本专利技术的实施例进行说明。实施例1 显然，本领域技术人员基于本专利技术的宗旨所做的许多修改和变化属于本专利技术的保 护范围。，包括以下步骤；步骤1 ；采用以下数学偏微分方程组；即水流连续方程和运动方程权利要求1.，其特征在于包括以下步骤；步骤1 ；采用一维总流水沙运动偏微分方程，即水流连续方程、水流运动方程、泥沙运 动方程和河床变形，组成计算跨河桥一般冲刷计算的基本方程组；计算中主要考虑悬移质 泥沙，并采用泥沙运动力学中的其他辅助公式以组成封闭方程组；根据桥址上、下游附近区域流态进行有效过流断面处理，以提高桥址处水动力计算和 冲刷计算结果的精度；步骤2 ；桥址附近加密计算网格，并对计算范围内的不规则过流断面采用插值处理； 插值处理的水文要素关系包括断面面积-水位关系、水面宽-水位关系、平均水 深-水位关系以及河底平均高程-水位关系；插值采用分段线性方法对于n+1个观测序 列，若求Ov Ti)和Qw Ti+1)之间任一点(h，Τ)，则线性插值公式如下2.根据权利要求1所述的，其特征在于包括以下步骤；第一步选定所研究的桥址河段、计算时段，并对其进行划分，确定空间步长AxiG = 1,2,……，DMS)和时间步长At」(j = 1,2,……，NT)，其中DMS、NT分别为断面数及时段 数；第二步给定计算的初始条件和边界条件，并根据水流条件计算桥址断面有效过流宽度；第三步根据出口断面水位自下而上进行沿程水面线的计算；第四步根据入口来水来沙过程由上至下进行含沙量、河床冲淤高程等的计算；第五步根据冲淤量自上而下修改断面特征；第六步判断计算时步是否等于Nt，是，则输出各时段沿程水位、桥址断面冲淤高程 等；否，则重复执行(3)-(5)，直至计算时步等于NT。3.根据权利要求2所述的，其特征在于包括以下步骤；第一步中，河段进、出口断面应有实测资料，同时对桥址断面附近网格进行加密，以得 到桥址断面河床及附近一般冲刷值；通过时间子步的处理方法，由于加密网格仅位于桥址上下游一定范围，故仅在断面循环至加密网格位置时，将时间步At等间隔划分为若干子步δ t、2 δ t........k δ t( δ t =At/k)，在时间步At的大循环内，首先进行时间子步循环、得到每一时间子步对应的各断 面水位、河床高程(通过时间子步内的断面循环得到)，将第k δ t子步得到的计算结果作为 时间步大循环对应的计算结果，直至循环结束。4.根据权利要求2所述的，其特征在于包括以下步骤；第二步中，初始条件和边界条件系根据实测资料确定；对于初始时刻水面宽、各断面河床高程以及水位_河宽关系、水位_过流面积关系、水 位-湿周关系，根据Excel工具表中单元格可准确定位之特点，采用Excel VBA程序得到以 上工作曲线；具体作法为首先设定一合理的水位范围，在某一水位条件下，通过对水面以下各断面 进行积分，得到过流面积、河宽及湿周；对桥址断面，在断面信息导入时除河床断面数据外，尚需导入墩台边界信息，以考虑墩 台对河道压缩造成的影响，得到考虑压缩效应的过流面积、河宽以及湿周。5.根据权利要求2所述的，其特征在于包括以下步骤；第四步中，将悬移质泥沙分成η个粒径组，假设各组泥沙独立保持各自的平衡关系而 不互相影响，在离散泥沙连续方程时计入非恒定因素的影响；悬沙粒径分布在运动过程中的，各粒径组含沙量和水流挟沙力也随之变化，分组计算 法可计算得到各时刻、各分组的挟沙力和含沙量，将各时刻、各分组含沙量引入河床变形方 程，即可得到各时刻、各分组泥沙的河床冲淤量，对分组冲淤量进行累加即可得到河本文档来自技高网...

【技术保护点】
跨河桥一般冲刷实时预报数值方法，其特征在于包括以下步骤；步骤１；采用一维总流水沙运动偏微分方程，即水流连续方程、水流运动方程、泥沙运动方程和河床变形，组成计算跨河桥一般冲刷计算的基本方程组；计算中主要考虑悬移质泥沙，并采用泥沙运动力学中的其他辅助公式以组成封闭方程组；根据桥址上、下游附近区域流态进行有效过流断面处理，以提高桥址处水动力计算和冲刷计算结果的精度；步骤２；桥址附近加密计算网格，并对计算范围内的不规则过流断面采用插值处理；插值处理的水文要素关系包括：断面面积－水位关系、水面宽－水位关系、平均水深－水位关系以及河底平均高程－水位关系；插值采用分段线性方法：对于ｎ＋１个观测序列，若求（ｈ↓［ｉ］，Ｔ↓［ｉ］）和（ｈ↓［ｉ＋１］，Ｔ↓［ｉ＋１］）之间任一点（ｈ，Ｔ），则线性插值公式如下：Ｔ＝Ｔ↓［ｉ］＋（Ｔ↓［ｉ＋１］－Ｔ↓［ｉ］）／ｈ↓［ｉ＋１］－ｈ↓［ｉ］（ｈ－ｈ↓［ｉ］）（５）式中，ｉ为观测序列号，（ｈ↓［ｉ］，Ｔ↓［ｉ］）即为该观测序列对应的自变量和函数值；（ｈ↓［ｉ＋１］，Ｔ↓［ｉ＋１］）即为第ｉ＋１观测序列对应的自变量和函数值；ｈ为已知自变量，其值在ｈ↓［ｉ］和ｈ↓［ｉ＋１］之间，Ｔ为待求函数值；步骤３；采用冲刷随时间变化的方程，并在桥址附近网格加密区引入时间子步，实现冲刷过程实时数据输出，提供冲刷态势的实时预报；采用冲刷随时间变化的方程，即方程（４）和计算时引入洪水流量随时间变化的过程，并引入时间子步，即在桥址附近加密计算网格区域，减小时间步长而增加时间循环次数，以保证计算稳定性；步骤４；采用数值计算方法实现计算机自动模拟预报；采用数值计算方法实现计算机自动模拟预报，即将上述偏微分方程在计算区域内按空间网格步长和时间步长进行数值离散，得到差分方程，并编制计算程序，实现大桥河段一般冲刷的数值计算和数据实时输出。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：齐梅兰，郭辉，马先华，甘森，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]