高含水洪水揭河底冲刷临界条件综合判别方法

摘要

本发明涉及一种水文预报方法，特别涉及一种高含水洪水揭河底冲刷临界水流条件综合判别方法，IPC国际专利分类号为E02B1/00。该方法利用胶泥块抗折强度试验及抗剪强度试验数据，构建了四种胶泥块可能揭掀的力学分析模型，并考虑胶泥块揭掀综合影响因素及最不利荷载组合条件，分别计算胶泥块揭掀时的临界水流流速,最后取计算结果的最小值作为“揭河底”现象发生时的临界水流条件。本发明的判别方法，修正了以前的预报方法采用的公式（17）的参数取值，计算更为准确，能够较准确预报某次洪水是否能导致“揭河底”现象发生，为防汛抢险的调度、准备工作提供了决策依据，同时，也为“揭河底”现象发时的实时数据采集提供了可能。

主权项

1.一种高含水洪水“揭河底”冲刷临界条件综合判别技术，包括以下步骤：（一）“揭河底”冲刷易发河段胶泥块抗折强度试验：试验土样为取自“揭河底”冲刷易发河段的胶泥块，首先对试验土样进行重塑，具体方法是：将从“揭河底”冲刷易发河段原型河床取回的胶泥块碾碎，放入容器中加水搅拌，使泥沙絮凝沉积，通过风干形成胶泥块试样，并利用风干时间不同控制胶泥块试样的含水率；对不同组次的胶泥块试样，利用抗折试验机测定抗折强度；试验方法如下：将胶泥块试样横放在抗折试验机的两根支撑圆柱上，试样长轴垂直于抗折试验机支撑圆柱，以50N/s±lON/s的速率通过抗折试验机的加荷圆柱将垂直荷载均匀地加在棱柱体的水平面上，直至胶泥块试样折断；利用式（1）计算出胶泥块的抗折强度M，$M=\frac{{1.5F}_{f}L}{B^3}---\left(1\right)$式中，F_f—试件折断时垂直加在其顶部平面中部的荷载，单位为N；L—支撑圆柱之间的距离，单位为mm；B—棱柱体正方形截面的边长，单位为mm；以一组三个胶泥块试样抗折强度的平均值作为试验结果，利用实验结果建立胶泥块抗折强度与含水率的关系方程，由该关系方程计算出“揭河底”冲刷易发河段的胶泥块饱和含水率下的抗折强度M_s；(二)“揭河底”冲刷易发河段胶泥块抗剪强度试验：采用与步骤（一）相同的胶泥块试样，对试样进行密封浸泡，使胶泥块试样达到饱和含水率，利用应变控制式直剪仪进行饱和快剪试验，得到胶泥块的抗剪强度τ'；试验方法：胶泥块试样分别在100kPa、200kPa、300kPa和400kPa四级垂直压力下，以0.8mm/min的剪切速率快速施加水平剪力使试样剪切破坏，试样加载时间为3～5min，当测力计读数不再增加或开始倒退时，记下破坏值；（三）构建“揭河底”冲刷时胶泥块因力矩作用折断揭掀的受力数学模型：F_D水流正面推力：$F_D=\frac{{\gamma }_m{C}_D}{2}{V}_{b1}^2\mathrm{bcg}---\left(3\right)$式中，V_bi为胶泥块底部水流流速，i=1，2，3，4，C_D为阻力系数，γ_m为浑水容重，b为胶泥块宽度，c为胶泥块厚度,F'_D为折断面上F_D的反作用力：$F_D^{\prime }=-\frac{{\gamma }_m{C}_D}{2}{V}_{b1}^2\mathrm{bcg}---\left(4\right)$τ为胶泥块上表面的水流拖曳力：$\tau =\frac{{\gamma }_m{C}_D}{2}{V}_{b1}^2\mathrm{lbg}---\left(5\right)$G_s胶泥块重量为：G_s＝γ_slbcg      （6）式中，γ_s为胶泥块的容重，l为冲蚀悬臂长度，g为重力加速度，P₁为胶泥块所受水压力：P₁＝γ_mlbhg      （7）式中，h为胶泥块表面处水深，P₂为胶泥块的浮力：P₂＝γ_mlb(h+c)g      （8）最大水流脉动上举力：$F_{d\max }={\mathrm{K\gamma }}_m{\mathrm{JV}}_{b1}^2\mathrm{lb}---\left(9\right)$式中，K为线性系数，单位kg·m·s，取值范围：3～4.2，J为水面坡降，构建力矩平衡平衡方程：$F_{d\max }l+P_2\frac{l}{2}+\mathrm{\tau c}-G_s\frac{l}{2}-P_1\frac{l}{2}=M_s\mathrm{bc}---\left(10\right)$将式（3）—（10）联立求解，得到式（11）：$V_{b1}^2=\frac{{2M}_{s}c+l^2\mathrm{cg}({\gamma }_s-{\gamma }_m)}{{2\mathrm{KJl}}^2{\gamma }_m+{\mathrm{lcg\gamma }}_m}---\left(11\right)$胶泥块在Δt时间段内被淘刷的冲蚀悬臂长度l采用公式（17）计算：$l=C_1\mathrm{\Delta t}[{0.16D}^2{\rho }_m{V}_{b1}^2+\mathrm{AD}({\gamma }_c-{\gamma }_m)(1+\xi )]---\left(17\right)$式中，C₁为河床冲刷系数，γ_c为河床淤积物的容重，D为胶泥块周围可动淤积物的平均粒径，ρ_m为高含沙洪水的密度，A为综合影响系数，其取值为0.044，系数ξ的取值为1.35，将式（11）和（17）联立求解，即可求出V_b1；（四）构建“揭河底”冲刷时作用在胶泥块水深方向的受力数学模型：作用在胶泥块水深方向的力平衡方程：F_dmax+P₂-P₁-G_s＝τ'bc      （21）式中，τ'为胶泥块的抗剪强度，由步骤（二）的抗剪强度试验给出，将式（6）—（9）代入式（21），得到式（23）：$V_{b2}^2=\frac{{\tau }^{\prime }c+\mathrm{lcg}({\gamma }_s-{\gamma }_m)}{{\mathrm{KJl\gamma }}_m}---\left(23\right)$联立式（23）和式（17），并将式（17）的水流流速用式（23）替换，即可求出V_b2；（五）构建“揭河底”冲刷时因力矩作用胶泥整片揭掀受力数学模型：胶泥块瞬时揭掀力矩方程：$K\frac{{\mathrm{JV}}_{b3}^2}{\mathrm{gc}}=g\frac{a^2}{l^2}(\frac{{\gamma }_s}{{\gamma }_m}-1)+{\mathrm{\pi q}}_0{\gamma }_m^{-1}\frac{{\delta }_0^3}{{\delta }_1^2}{(\frac{a}{l}-1)}^2\frac{D_1}{{(D_1+2t)}^2}[\frac{{\delta }_1^2}{t^2}-1]\left(\frac{b+2\mathrm{fc}}{2\mathrm{bc}}\right)---\left(36\right)$${\gamma }_s^{\prime }=[0.698-0.175{\left(\frac{1}{{\delta }_1}\right)}^{\frac{1}{3}(1-\frac{t}{{\delta }_1})}]{\left(\frac{D_1}{D_1+2t}\right)}^3{\gamma }_s---\left(37\right)$式中，a为胶泥块长度，γ'_s为胶泥块干容重，δ₀＝3×10^-10m，为一个水分子厚；q₀＝1.3×10⁹kg/m²，δ₁为薄膜水的厚度，取4×10^-7m，D₁为胶泥块平均粒径，t为相邻两泥沙颗粒之间距离的一半，f为摩擦系数，取值为0.4，联立式（36）、（37）和式（17）求解，将式（17）中的用替换，即可求得V_b3；（六）构建“揭河底”冲刷时作用在胶泥块水深方向上作用力与胶泥块边界粘着力平衡方程：$V_{b4}^2=\frac{\mathrm{acg}}{\mathrm{KJl}}(\frac{{\gamma }_s}{{\gamma }_m}-1)+\frac{{\mathrm{\pi q}}_0{D}_1{\delta }_0^3}{{\mathrm{KJl\gamma }}_m{(D_1+2t)}^2{\delta }_1^2}[\frac{(a-l)b}{2}+f(a-l)c+\frac{\mathrm{fbc}}{2}]---\left(41\right)$联立式（17）和式（41）求解，将式（17）中用替换，即可以求出V_b4：（七）根据步骤（二）—（六）得出的胶泥块底部水流流速V_bi（i=1，2，3，4），取其中的最小值作为发生“揭河底”冲刷时的临界流速V_b，即V_b＝min{V_bi},i＝1,2,3,4（八）判断某次洪水是否产生“揭河底”冲刷现象：当“揭河底”冲刷易发河段上游发生高含沙洪水时，根据该河段上游水文观测站对洪水水流流速和含沙量观测数据，计算出本次洪水到达该河段时的实际河床流速、含沙量及冲刷时长，然后利用步骤（三）—（七）的方法计算出产生“揭河底“冲刷的临界流速V_b，当该实际河床流速大于该临界流速V_b时，则会发生“揭河底”冲刷现象，否则，则不会发生“揭河底”冲刷现象。