一种高含沙洪水“揭河底”冲刷判别方法

摘要

本发明涉及一种水文预报方法，具体涉及一种高含水洪水产生“揭河底”冲刷的判别方法，属于泥沙动力学技术领域，IPC国际专利分类号为E02B1/00。该方法包含以下步骤：首先对“揭河底”河段胶泥块进行抗折试验；构建”揭河底”冲刷胶泥块折断揭掀模型，分析作用在胶泥块上的各种荷载，确定最不利的荷载组合，建立胶泥块临界折断平衡方程；计算胶泥块上各种作用力，求解方程确定胶泥块折断揭掀临界流速。该方法修正了以前的预报方法采用的公式（14）的参数取值，计算更为准确，为判别某次洪水是否导致“揭河底”现象发生提供了较为准确的预报方法，为防汛抗洪提供决策依据，也为“揭河底”冲刷的实时数据采集提供了可能。

主权项

1.一种高含沙洪水“揭河底”冲刷判别技术，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；然后，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，试件长轴垂直于抗折试验机支撑圆柱，以50N/s±10N/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）计算胶泥块试样的抗折强度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）构建“揭河底”冲刷时胶泥块折断揭掀受力数学模型：F_D为水流正面推力：$F_D=\frac{{\gamma }_m{C}_D}{2}{V}_b^2\mathrm{bcg}---\left(2\right)$式中，V_b为胶泥块底部水流流速，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，为折断面上F_D的反作用力：$F_D^{\prime }=-\frac{{\gamma }_m{C}_D}{2}{V}_b^2\mathrm{bcg}---\left(3\right)$τ为胶泥块上表面的水流拖曳力：$\tau =\frac{{\gamma }_m{C}_D}{2}{V}_b^2\mathrm{lbg}---\left(4\right)$G_s胶泥块重量为：G_s＝γ_slbcg（5）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（6）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（7）最大水流脉动上举力：$F_{d\max }={\mathrm{K\gamma }}_m{\mathrm{JV}}_b^2\mathrm{lb}---\left(8\right)$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；（三）考虑最不利荷载组合条件下，建立各力对y轴的力矩平衡方程：$F_{d\max }l+P_2\frac{l}{2}+\mathrm{\tau c}-G_s\frac{l}{2}-P_1\frac{l}{2}=M_s\mathrm{bc}---\left(9\right)$（四）方程求解，得出临界流速V_b：首先对步骤（二）和（三）中的式（2）—（9）联立求解，得到式（10）：$V_b^2=\frac{2M_{s}c+l^2\mathrm{cg}({\gamma }_s-{\gamma }_m)}{2\mathrm{KJ}{l}^2{\gamma }_m+\mathrm{lcg}{\gamma }_m}---\left(10\right)$胶泥块在Δt时间段内被淘刷的冲蚀悬臂长度l采用经验公式：$l=C_1\mathrm{\Delta t}({\tau }_s-{\tau }_c)e^{-0.013{\tau }_c/{\gamma }_c}---\left(11\right)$式中，C₁为河床冲刷系数，τ_s为胶泥块周围泥沙颗粒所受的拖曳力，τ_c河床淤积物发生冲刷时的临界起动切应力，γ_c为河床淤积物的容重；${\tau }_s=0.16D^2{\rho }_m{V}_b^2---\left(13\right)$$\frac{{\tau }_c}{({\gamma }_c-{\gamma }_m)d_i}=A(1+\xi \frac{d_m}{d_i})---\left(14\right)$式中，ρ_m为高含沙洪水的密度，D为胶泥块周围可动淤积物的平均粒径，A为综合影响系数，其取值为0.044，系数ξ取值为1.35，d_m为冲蚀淤积物的平均粒径，d_i为被冲蚀的泥沙颗粒粒径，联立式（10）、（11）、（13）和（14）进行求解，即可求出V_b，该V_b就是产生“揭河底”冲刷的临界流速；（五）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的观测数据，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（四）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。