CN105040627B - 一种预测黄河河道冲刷的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水利工程汛期险情预测方法，特别涉及一种洪水期间对黄河河道是否发生冲刷进行预测，为防汛抢险提供预警手段的方法，其IPC国际专利分类号E02B 1/00，属于水利领域。本发明提供的预测黄河河道冲刷的方法，在建立数学模型时，引入了代表沉积块本身物理特性的参数，并结合待预测河段的试验及实测数据计算河道沉积块起动临界流速，能够更真实地反映沉积块起动时的受力情况，准确预测每次洪水时河道是否会发生冲刷，并做好相应当抢险准备。

Description

一种预测黄河河道冲刷的方法

技术领域：

本发明涉及一种水利工程汛期险情预测方法，特别涉及一种洪水期间对黄河河道是否发生冲刷进行预测，为防汛抢险提供预警手段的方法，其IPC国际专利分类号E02B 1/00，属于水利领域。

背景技术：

黄河洪水含沙量大，而且洪水的流速越大，挟沙力也越大，对河床的冲刷力更强，往往会造成黄河主河道的冲刷下切。黄河下游的险工工程靠近主河道，河道的冲刷下切可能会导致险工的坝基被主流严重淘刷，导致根石流失、坝体墩蛰入水的重大险情。除了每年的小浪底调水调沙外，黄河没有发生过较大洪水，险工坝前的河道缺少被冲刷的机会，细颗粒沉积增加，河道表面逐步形成块状的固结沉积物，在河床上构成了一层沉积块保护层。但是，实际观测及室内试验证明，这层保护层并不是不可冲刷的，在某些来水条件下这层沉积块会被揭掉冲走，进而导致河床被冲刷下切。研究沉积块被揭起冲刷的影响因素，并确定沉积块揭起的临界条件，在各级洪水时发生险情的可能性进行预测，具有重要的现实意义。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种能够确定影响沉积块揭起的影响因素的数学模型，并并结合实测数据，预测黄河河道冲刷的方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

一种预测黄河河道冲刷的方法，包括以下步骤：

(一)建立水流作用下河道沉积块起动流速的数学模型：

F_max+F_f-G-F_s＝0 (1)

$F_f=\frac{1}{4}{\mathrm{\π\γ}}_m{d}^{2}h---\left(4\right)$

$G=\frac{1}{4}{\mathrm{\π\γ}}_s{d}^{2}h---\left(5\right)$

$F_{\max }=\frac{1}{4}\mathrm{\πKJ}{\mathrm{\γ}}_m{d}^2{v_S}^2/g---\left(6\right)$

$F_s=\frac{\mathrm{\πch}{d}^2}{d-4h\tan \mathrm{\φ}}---\left(12\right)$

式中：F_max为水流作用下沉积块起动时的最大脉动上举力；F_f为沉积块受到的浮力；F_s为沉积块受到的剪断力；G为沉积块重力；γ_m为浑水容重；d、h分别为沉积块的直径与高；γ_s为沉积块的湿容重；J为河道比降；K为河道沉积块起动临界系数；v_S为沉积块起动时的水流速度；g为重力加速度；c为沉积块土体粘聚力；φ为沉积块土体内摩擦角。

(二)选取需要预测的险工工程所在河段作为试验河段，在当年的黄河调水调沙前，在试验河段的河道布置视频监控设备和流速测定仪；

(三)通过试验或现场实测获得如下参数：河道沉积块的形状参数、沉积块的湿容重γ_s、沉积块的强度参数、浑水容重γ_m和河道比降J；方法如下：

1.河道沉积块的形状参数：沉积块的高度h和直径d

根据河道沉积块的高度和面积，将每个河段的沉积块分为多个类别，选取其中数量最多的一类沉积块作为试验沉积块；测量从现场获得的试验沉积块，得到所有块体的高度，采用取平均值或中值的方法确定试验沉积块的高度h；测量每个试验沉积块的周长L，并采用等效周长法确定每个沉积块的直径，然后采用取平均值或中值的方法确定试验沉积块直径d；

2.进行室内土工试验确定沉积块的湿容重γ_s；

3.进行室内土工试验确定河道沉积块强度参数：土体粘聚力c和土体内摩擦角φ；

4.根据水情预报获得浑水容重γ_m，或者提取发生沉积块起动时的水样，测量水样的浑水容重γ_m；

5.通过现场实测或参考河流地形资料确定河道比降J；

(四)实测河道内试验沉积块的实际起动流速v_s0

利用视频监控设备和流速测定仪，测定所述试验沉积块实际起动流速v_s0，测定3～5次，计算其平均值

(五)确定河道沉积块起动临界系数K

将步骤(三)得到的各项参数和步骤(四)得到的实际起动流速平均值代入步骤(一)的数学模型中，联立求解，得到河道沉积块起动临界系数K；

(六)将步骤(五)得到河道沉积块起动临界系数K代入步骤(一)的数学模型中，联立求解，即得到该试验河段或类似河段的河道沉积块起动临界流速测算公式：

$v_S=\sqrt{\frac{({\mathrm{\γ}}_s\mathrm{hg}-{\mathrm{\γ}}_m\mathrm{hg})(d-4h\tan \mathrm{\φ})+4\mathrm{chg}}{\mathrm{KJ}{\mathrm{\γ}}_m(d-4h\tan \mathrm{\φ})}}---\left(15\right)$

(七)每次洪水来临时，根据水情预报得到洪水的浑水容重γ_m；将步骤(三)获得的沉积块的高度h和直径d、湿容重γ_s、沉积块土体内摩擦角φ及土体粘聚力c和河道比降J代入公式(15)，即可计算得到本次洪水时沉积块起动临界流速v_S；根据水情预报，若本次洪水的预计流速大于该临界流速v_S，则河道会发生冲刷，应当做好相应的抢险准备；若本次洪水的预计流速小于该临界流速v_S，则河道不会发生冲刷。

本发明提供的预测黄河河道冲刷的方法，在建立数学模型时，引入了代表沉积块本身物理特性的参数，并结合待预测河段的试验及实测数据计算河道沉积块起动临界流速，能够更真实地反映沉积块起动时的受力情况，准确预测每次洪水时河道是否会发生冲刷，并做好相应当抢险准备。

具体实施方式：

下面对本发明做详细说明。

本发明的预测黄河河道冲刷的方法，包括以下步骤：

(一)首先，建立本发明所采用的数学模型，同时也阐明本发明的原理。黄河河道天然形成的沉积块，多为黏土形成的胶泥块，为了便于理论分析，假设沉积块为一薄圆柱形，根据静力平衡原理可知，河道沉积块起动时的临界受力情况如下式所示：

F_max+F_f-G-F_s＝0 (1)

其中：G为沉积块重力；F_s为沉积块受到的剪断力；F_f为沉积块受到的浮力；F_max为高含沙水流作用下沉积块起动时的上举力。其中：

F_f＝γ_mV (2)

$V=\frac{1}{4}\mathrm{\π}{d}^{2}h---\left(3\right)$

$F_f=\frac{1}{4}{\mathrm{\π\γ}}_m{d}^{2}h---\left(4\right)$

$G={\mathrm{\γ}}_{s}V=\frac{1}{4}{\mathrm{\π\γ}}_s{d}^{2}h---\left(5\right)$

$F_{\max }=\mathrm{KAJ}{\mathrm{\γ}}_m{v_S}^2/g=\frac{1}{4}\mathrm{\πKJ}{\mathrm{\γ}}_m{d}^2{v_S}^2/g---\left(6\right)$

式中：γ_m为浑水容重，与水的含沙量有关；d、h分别为沉积块的直径与高；γ_s为沉积块的湿容重；V为沉积块体积；J为河道比降；A为沉积块表面积，K为河道沉积块起动临界系数，由试验率定；v_S为沉积块起动时的水流速度；g为重力加速度。

发明人根据大量的试验数据和实际观测发现，由于各段河道的沉积块的化学成分、沉积时间、受力历史等不同，导致沉积块的土体粘聚力、土体内摩擦角等物理性质的不同，这些物理性质，也是影响沉积块起动流速的关键因素。因此，本发明建立了公式(7)、(8)：

τA_xz＝σ_nA_xy (7)

τ＝c+σ_ntanφ (8)

式中：τ为抗剪强度；σ_n为沉积块所受正应力；A_xz为沉积块x、z轴向面积，A_xz＝πdh；A_xy为沉积块x、y轴向面积，即表面积，c为沉积块土体粘聚力；φ为沉积块土体内摩擦角。

则

$(c+{\mathrm{\σ}}_n\tan \mathrm{\φ})\·\mathrm{\πdh}={\mathrm{\σ}}_n\·\frac{1}{4}\mathrm{\π}{d}^2---\left(9\right)$

${\mathrm{\σ}}_n=\frac{4\mathrm{ch}}{d-4h\tan \mathrm{\φ}}---\left(10\right)$

$F_s=\frac{1}{4}\mathrm{\π}{d}^2\·{\mathrm{\σ}}_n---\left(11\right)$

$F_s=\frac{\mathrm{\πch}{d}^2}{d-4h\tan \mathrm{\φ}}---\left(12\right)$

则由(1)式可知，

$\frac{1}{4}\mathrm{\πKJ}{\mathrm{\γ}}_m{d}^2{v_S}^2/g+\frac{1}{4}\mathrm{\π}{\mathrm{\γ}}_m{d}^{2}h-\frac{1}{4}\mathrm{\π}{\mathrm{\γ}}_s{d}^{2}h-\frac{\mathrm{\πch}{d}^2}{d-4h\tan \mathrm{\φ}}=0---\left(13\right)$

$v_S^2=\frac{({\mathrm{\γ}}_s\mathrm{hg}-{\mathrm{\γ}}_m\mathrm{hg})(d-4h\tan \mathrm{\φ})+4\mathrm{chg}}{\mathrm{KJ}{\mathrm{\γ}}_m(d-4h\tan \mathrm{\φ})}---\left(14\right)$

$v_S=\sqrt{\frac{({\mathrm{\γ}}_s\mathrm{hg}-{\mathrm{\γ}}_m\mathrm{hg})(d-4h\tan \mathrm{\φ})+4\mathrm{chg}}{\mathrm{KJ}{\mathrm{\γ}}_m(d-4h\tan \mathrm{\φ})}}---\left(15\right)$

如通过多次实测得到某段河道沉积块的平均起动流速为则可得到该段河道沉积块起动临界系数K，从而可以率定该段河道沉积块起动临界系数K。

$K=\frac{({\mathrm{\γ}}_s\mathrm{hg}-{\mathrm{\γ}}_m\mathrm{hg})(d-4h\tan \mathrm{\φ})+4\mathrm{chg}}{v_S^{2}J{\mathrm{\γ}}_m(d-4h\tan \mathrm{\φ})}---\left(16\right)$

由此可见，沉积块起动流速v_S，即河道发生冲刷的临界条件，与河道沉积块的形状(高度h和直径d)、湿容重γ_s、沉积块的抗剪强度(内摩擦角φ和粘聚力c)、含沙量(由浑水容重γ_m体现出来)、河道比降J等有关。这些参数与土的力学特性指标及河床形态密切相关，均可根据现场实测和室内试验取得。

利用上述数学模型，本发明进一步采取以下步骤：

(二)自2002年以来，每年的6月份，在黄河水利委员会的同一指挥、调度下，进行一次调水调沙。黄河调水调沙，就是利用小浪底水库，或者对小浪底水库及上游的多个水库进行联合调度，制造人造洪峰，将小浪底水库淤积的泥沙冲走，人造洪峰由于含沙量大，挟沙力也大，在洪峰流量较大时，会对下游河床造成冲刷，将下游河道中淤积的泥沙带入大海。通过调水调沙，可以保证小浪底水库的库容，同时防止黄河下游河道进一步淤积抬高。黄河进行调水调沙，是实测河道冲刷的最好时机。选取需要预测的险工工程所在河段作为试验河段，在黄河调水调沙前，在试验河段的河道布置视频监控设备和流速测定仪，利用支架将所述视频监控设备和流速测定仪固定在河底，全程记录河道冲刷发生和发展过程，实际测试河道冲刷开始时沉积块起动流速v_S。

(三)通过试验或现场实测获得如下参数：河道沉积块的高度h和直径d、沉积块的湿容重γ_s、沉积块土体内摩擦角φ及土体粘聚力c、浑水容重γ_m和河道比降J；方法如下：

1.河道沉积块的形状参数：高度(即厚度)h和直径d

根据河道沉积块的厚度和面积，对沉积块分类，将厚度和面积相近的沉积块作为一类，由于河道沉积块的形状差别较大，每个河段的沉积块可以分为多个类别，选取其中数量最多的一类沉积块作为试验沉积块；根据现场所获得的试验沉积块，测量所有块体厚度，采用取平均值或中值的方法确定试验沉积块高度h。

直径d：所取试验沉积块多为不规则形状，测量其周长L，采用等效周长法确定所有块体的直径，即所等效的圆形的直径然后采用取平均值或中值的方法确定试验沉积块直径d。

2.河道沉积块的湿容重γ_s

河道沉积块的湿容重按照《土工试验规程》(SL237-1999)(第10章节)和《水电水利工程土工试验规程》(DL T5355-2006)(第8.1、8.2章节)相关规范进行室内试验获取。

3.沉积块强度参数：土体粘聚力c和土体内摩擦角φ

河道沉积块土体粘聚力c和土体内摩擦角φ是按照《土工试验规程》(SL237-1999)(第20、21章节)和《水电水利工程土工试验规程》(DLT5355-2006)(第19.4、19.5、19.6章节)相关规范进行室内试验获取。

4.浑水容重γ_m

可以利用现有的各种公式或下面的公式(17)计算浑水容重γ_m：

γ_m＝γ+(γ_s-γ)S_v (17)

式中，γ为水的容重，是固定值，γ_s为洪水中泥沙的容重，S_v为洪峰含沙量，γ_s和S_v都可以由河段上游或临近的水文站测量并预报出来，根据需要，上游水文站也可以直接提供实测得到的洪水的浑水容重γ_m。也可以在所选定的试验河段内，在发生冲刷过程中取水，通过室内试验完成浑水容重的测定。

5.河道比降J

河道比降J的取值可以参考地区河流地形资料或现场实测。

(四)实测河道内试验沉积块的实际起动流速v_s0

利用视频监控设备和流速测定仪，测定所述试验沉积块实际起动流速v_s0，测定3～5次，计算其平均值

(五)确定河道沉积块起动临界系数K

将步骤(四)得到的河道沉积块的平均值代入式(16)，计算得到河道沉积块起动临界系数K的数值。

(六)将步骤(五)得到河道沉积块起动临界系数K代入公式(15)，即得到该试验河段或类似河段的河道沉积块起动临界流速v_S测算公式。

(七)每次洪水来临时，根据水情预报得到洪水的浑水容重γ_m；将步骤(三)获得的沉积块的高度h和直径d、湿容重γ_s、沉积块土体内摩擦角φ及土体粘聚力c和河道比降J代入公式(15)，即可计算得到本次洪水时沉积块起动临界流速v_S；根据水情预报，若本次洪水的预计流速大于该临界流速v_S，则河道会发生冲刷，防汛部门应当做好相应的抢险准备；若本次洪水的预计流速小于该临界流速v_S，则河道不会发生冲刷。

Claims (1)

1.一种预测黄河河道冲刷的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(一)建立水流作用下河道沉积块起动流速的数学模型：

F_max+F_f-G-F_s＝0 (1)

式中：F_max为水流作用下沉积块起动时的最大脉动上举力；F_f为沉积块受到的浮力；F_s为沉积块受到的剪断力；G为沉积块重力；γ_m为浑水容重；d、h分别为沉积块的直径与高；γ_s为沉积块的湿容重；J为河道比降；K为河道沉积块起动临界系数；v_S为沉积块起动时的水流速度；g为重力加速度；c为沉积块土体粘聚力；φ为沉积块土体内摩擦角；

(二)选取需要预测的险工工程所在河段作为试验河段，在黄河调水调沙前，在试验河段的河道布置视频监控设备和流速测定仪；

(三)通过试验或现场实测获得如下参数：河道沉积块的形状参数、沉积块的湿容重γ_s、沉积块的强度参数、浑水容重γ_m和河道比降J；方法如下：

（1）河道沉积块的形状参数：沉积块的高度h和直径d

根据河道沉积块的高度和面积，将每个河段的沉积块分为多个类别，选取其中数量最多的一类沉积块作为试验沉积块；测量从现场获得的试验沉积块，得到所有块体的高度，采用取平均值或中值的方法确定试验沉积块的高度h；测量每个试验沉积块的周长L，并采用等效周长法确定每个沉积块的直径，然 后采用取平均值或中值的方法确定试验沉积块直径d；

（2）进行室内土工试验确定沉积块的湿容重γ_s；

（3）进行室内土工试验确定河道沉积块强度参数：土体粘聚力c和土体内摩擦角φ；

（4）根据水情预报获得浑水容重γ_m，或者提取发生沉积块起动时的水样，测量水样的浑水容重γ_m；

（5）通过现场实测或参考河流地形资料确定河道比降J；

(四)实测河道内试验沉积块的实际起动流速v_s0

利用视频监控设备和流速测定仪，测定所述试验沉积块实际起动流速v_s0，测定3～5次，计算其平均值

(五)确定河道沉积块起动临界系数K

将步骤(三)得到的各项参数和步骤(四)得到的实际起动流速平均值代入步骤(一)的数学模型中，联立求解，得到河道沉积块起动临界系数K；

(六)将步骤(五)得到河道沉积块起动临界系数K代入步骤(一)的数学模型中，联立求解，即得到该试验河段或类似河段的河道沉积块起动临界流速测算公式：

(七)洪水来临时，根据水情预报得到洪水的预计流速和浑水容重γ_m；将步骤(三)获得的沉积块的高度h和直径d、湿容重γ_s、沉积块土体内摩擦角φ及土体粘聚力c和河道比降J代入公式(15)，计算得到本次洪水时沉积块起动临界流速v_S；若本次洪水的预计流速大于该临界流速v_S，则河道会发生冲刷，若本次洪水的预计流速小于该临界流速v_S，则河道不会发生冲刷。