CN105808859A - 一种洪水作用下车辆稳定程度的判别方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种洪水作用下车辆稳定程度的判别方法，包括以下步骤：（1）洪水中车辆失稳的受力分析及公式推导；（2）模型小车滑移失稳的概化水槽试验及公式参数率定；（3）计算洪水作用下原型车辆起动流速；（4）判断洪水作用下原型车辆稳定程度。本发明方法假定来流沿水深呈幂函数分布，更接近于实际洪水中的流速分布规律，通过测定不同水深下模型小车的排水体积计算其浮力，基于泥沙起动理论的车辆稳定程度分析建立洪水作用下车辆滑移失稳的起动流速公式；依据车辆稳定程度的计算结果，通过等级划分体系，确定洪水作用下车辆的危险程度，为估算车辆损失、指导受淹车辆中人员逃生、城市洪水风险分析及管理提供科学依据。

Description

一种洪水作用下车辆稳定程度的判别方法

技术领域

本发明涉及水利工程技术领域，具体地说是一种洪水作用下车辆稳定程度的判别方法。

背景技术

近年来全球气候变化导致暴雨洪涝灾害频繁发生，而城市化进程不断加快使得车辆数量迅速增加，因此城市洪水中车辆滑移失稳后引起的灾害十分严重，直接或间接危害洪泛区内人民群众的生命财产安全。例如：洪水作用下车辆滑移后直接威胁乘客和行人的生命安全；冲撞桥墩、电线杆等建筑物；堵塞桥洞、涵洞，影响过流能力；冲入河道、海港，增加溃堤风险等。由此可见，洪水中车辆的失稳是城市洪水风险管理的关键问题之一，因此非常有必要提出洪水作用下车辆稳定程度的判断方法。

目前对洪水中车辆稳定性的研究方法，主要包括理论分析、模型试验及将二者相结合等方法。此类研究提出的大部分结果是洪水中车辆失稳简单的经验标准，即根据洪水的淹没水深或经验公式判断车辆的稳定性，在一定程度上可以判断洪水作用下车辆的稳定程度。但这些经验标准没有考虑洪水中车辆失稳的力学平衡条件，不能适用于复杂的来流情况。另外早期研究中的车辆与现有车辆相比，在外形、密封性、底盘高度以及重量等方面已经发生了根本性的改变，并且研究对象多以国外常见车型为主。因此对于国内现有的常见车型，已有经验标准不能用于准确判断洪水作用下车俩的稳定程度。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种洪水作用下车辆稳定程度的判别方法，将为估算车辆损失、指导受淹车辆中人员逃生、城市洪水风险等级划定及防洪评价等提供科学依据。

本发明的原理为：洪水作用下车辆失稳是因水平方向上受力不平衡造成的，即洪水对车辆的拖曳力大于地面提供的摩擦力。因此本发明从洪水作用下车辆的受力条件出发，假定来流流速沿水深呈幂函数分布，考虑洪水作用下车辆受到的浮力，提出车辆滑移失稳起动流速的计算公式。通过来流流速与车辆失稳流速的对比，判断不同来流条件下车辆的稳定程度。因此，本发明通过分析洪水作用下车辆受力条件、推导车辆失稳流速公式、开展模型小车失稳的水槽试验及率定并验证公式参数，确定原型车辆滑移失稳流速的计算公式；同时结合二维水动力学模型计算洪泛区水流要素的时空分布，提出一种洪水作用下车辆稳定程度的判别方法。

本发明一种洪水作用下车辆稳定程度的判别方法，包括以下步骤：

步骤(1)，洪水中车辆失稳的受力分析及公式推导，包括如下子步骤：

步骤(1.1)，分析洪水中作用下车辆主要受到的重力、浮力、支持力、拖曳力和摩擦力的作用，并建立各力的表达式；

步骤(1.2)，根据水平方向上的受力平衡，推导出车辆滑移失稳时的起动流速公式；

步骤(2)，模型小车滑移失稳的概化水槽试验及公式参数率定，包括如下子步骤：

步骤(2.1)，通过特制水槽测量不同水深下模型小车的排水体积，计算其浮力；

步骤(2.2)，测定不同水流条件下大小两种比尺的模型小车发生滑移失稳时的来流条件，来流条件为水深与流速；

步骤(2.3)，采用非线性回归分析的方法，利用大比尺模型小车的实验数据率定公式中的相关参数；

步骤(3)，计算洪水作用下原型车辆起动流速，包括如下子步骤：

步骤(3.1)，将小比尺模型小车失稳时的水流条件按照比尺关系换算成原型车失稳的水流条件；

步骤(3.2)，利用步骤(2.3)中的参数率定结果及原型车辆的特征参数(车的质量及形状)，绘制原型车辆在不同水深情况下的起动流速曲线；

步骤(3.3)，将步骤(3.1)中的换算得到的原型数据和步骤(3.2)中的计算曲线进行对比，验证公式的计算精度；

步骤(3.4)，确定不同水深条件下原型车辆滑移失稳时起动流速的计算公式；

步骤(4)，洪水作用下原型车辆稳定程度的计算方法，包括如下子步骤：

步骤(4.1)，根据原型车辆的特征参数及来流条件，利用步骤(2.3)中率定的车辆失稳时起动流速公式计算该水深下的临界流速；

步骤(4.2)，计算来流流速与临界流速的比值，判断洪水作用下车辆的稳定程度；

步骤(4.3)，结合二维水动力学模型模拟洪水演进的计算结果，提供洪泛区内车辆稳定程度的分布情况。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)假定来流沿水深呈幂函数分布，更接近于实际洪水中的流速分布规律，通过测定不同水深下模型小车的排水体积计算其浮力，基于泥沙起动理论的车辆稳定程度分析建立洪水作用下车辆滑移失稳的起动流速公式；

(2)依据车辆稳定程度的计算结果，通过等级划分体系，确定洪水作用下车辆的危险程度，为估算车辆损失、指导受淹车辆中人员逃生、城市洪水风险分析及管理提供科学依据。

附图说明

图1为本发明方法的具体流程图；

图2为洪水作用下车辆的受力情况图；

图3为不同水深下模型小车排水体积曲线；

图4为大比尺模型小车实验数据率定公式(4)计算曲线；

图5为小比尺模型小车试验数据换算成原型结果与率定公式(4)的计算曲线对比曲线；

图6为博斯卡斯尔洪水中HondaAccord最大危险程度分布情况图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

如图1-图6所示，一种洪水作用下车辆稳定程度的判别方法，包括如下步骤：

步骤1，车辆失稳的受力分析及公式推导，包括步骤1.1-1.2。

步骤1.1，洪水作用下的车辆主要受到重力、浮力、支持力、拖曳力和摩擦力，参见图2，建立各力的具体表达式。

垂直方向上有重力G_V、浮力F_B及支持力F_N，再通过测量不同水深下模型小车的排水体积计算其浮力，由此得到地面支持力：

F_N＝G_V-F_B＝m_vg–F_B(1)

式中，m_v是车辆的质量；g是当地重力加速度；

在水平方向主要承受水流拖曳力F_D和地面摩擦力F_R，拖曳力主要与来流条件、迎流面面积及拖曳力系数(Re>2.0×10⁴时，C_d是一个常值)有关；摩擦力主要与地面粗糙程度、轮胎磨损程度等有关。所以水流对车辆的拖曳力及地面提供摩擦力的表达式分别为：

F_D＝C_dA_dγ_f(u_b)²/(2g)(2)

式中，A_d是迎流面面积，γ_f是水的容重，u_b表示近底流速，采用幂函数分布u＝(1+β)U(y/h_f)^β，h_f是来流水深，β是表示流速分布的系数，y是距河床表面的距离,U是来流的平均流速。

F_R＝μF_N(3)

式中，μ是轮胎与地面之间的摩擦系数。

步骤1.2，由水平方向上的受力平衡条件推导出车辆滑移失稳时的起动流速公式：

$U_c=\mathrm{\α}\·{(h_f/h_v)}^{\mathrm{\β}}\·\sqrt{h_f{b}_v(m_{v}g-F_B)}---\left(4\right)$

式中，U_c是洪水中车辆失稳的起动流速，h_f是来流水深，h_v和b_v是车辆的高度及迎流面宽度，待率定系数α和β取决于车型、摩擦系数和拖曳力系数等参数，其具体值将由水槽试验结果率定。

步骤2，模型小车滑移失稳的概化水槽试验及参数率定，包括步骤2.1-2.3。

步骤2.1，通过水槽测量不同水深下车辆的排水体积，建立洪水中车辆浮力的计算公式；

根据国内常见车型选取HondaAccord(普通轿车)和AudiQ7(运动型多用途车)两种比尺的模型小车，参见图3。其中，大比尺(λ_L＝14)的模型小车用于率定公式中参数α和β，而小比尺(λ_L＝24)模型小车试验数据换算成原型结果后与率定公式的计算曲线进行对比。理想模型是由原型按照比尺计算得到，由表1和表2中理想与实际模型相比，相差不大，可用于试验。

表1HondaAccord原型与模型相关参数

表2AudiQ7原型与模型相关参数

将大比尺模型小车放在略大于汽车尺寸的玻璃水槽中，保证测量精度。逐次向水槽中加入一定量的水(200ml)，测量水槽的水深变化。图3表明，拟合得到HondaAccord和AudiQ7的排水体积与水深的线性关系式如下：

V_BH＝0.300h_f-0.414(R²＝0.980)(5)

V_BA＝0.289h_f-0.167(R²＝0.957)(6)

式中，V_BH表示HondaAccord的排水体积，V_BA表示AudiQ7的排水体积。两个公式的相关系数(R²)均达到0.95以上，根据阿基米德提出的浮力计算方法，即F_B＝γ_fV_B(V_B表示车辆的排水体积)，计算不同水深下模型小车的浮力。小比尺模型小车的浮力可以根据已测大比尺模型小车的实测数据及比尺关系换算得出。

步骤2.2，测量不同水深条件下车辆发生滑移失稳的起动流速；

根据车辆停放位置与水流成0°或180°(车头或车尾面向来流方向)，将实验分为2种工况，但由于两种工况中的迎流面宽度b_v的大小相同，所以二者的计算公式相同。试验过程中，通过缓慢控制闸门开度来调整水深和流速，并注意观察模型小车状态；车辆一旦起动，即记录下的水深和相应流速，每组数据均读三次取其平均值，以减少误差；试验水槽中的水流为恒定非均匀流，在车辆前方的水流条件经常处于变化之中的，所以选择模型小车上游距离为5cm处的特定位置测得水深及流速代表作用于车辆的水流条件。

步骤2.3，利用大比尺模型小车的实验数据，采用非线性回归分析，率定公式(4)中的参数α和β；

利用SPSS率定公式(4)中的参数，即根据模型小车的试验数据率定车辆与水流停放位置成0°或180°的α和β值。利用率定公式计算不同水深下的失稳的起动流速，参见表3、图4。率定结果表明，相关系数均大于0.8，实测值分布在计算曲线附近，因此利用公式计算车辆失稳流速的结果较为可靠。

表3公式(4)中参数的率定结果

步骤3，计算洪水作用下原型车辆滑移失稳的起动流速，包括步骤3.1-3.3：

步骤3.1，将小比尺模型小车失稳时的水深-流速试验数据按照比尺关系换算成车原型车失稳时的来流条件；

根据几何相似、运动相似准则，将小比尺模型小车的实验数据按照比尺换算到原型车失稳时的水流条件：

式中h_fp、U_cp和h_fm、U_cm分别为原型车辆失稳时的水深与流速。

步骤3.2，利用步骤2.3中率定的参数，绘制原型车不同水深下失稳流速计算曲线；

将原型车的具体尺寸及表3中率定的参数代入公式(4)中，计算不同水深下车辆滑移失稳的起动流速值，参见图6。

步骤3.3，将步骤3.1中的换算数据和步骤3.2中的计算曲线进行对比，确定不同水深条件下车辆滑移失稳时起动流速的计算公式；

经过对比发现，小比尺模型小车试验结果换算后的失稳条件分布在原型车失稳流速计算曲线附近，分布规律与曲线基本吻合。由于起动流速公式中参数α和β是根据大比尺模型小车的试验数据率定的，这说明该公式及其参数也适用于不同比尺的车辆。即表3率定的参数(α和β)可以用于计算原型车滑移失稳的起动流速。

步骤4，洪水作用下原型车辆稳定程度的计算方法，包括步骤4.1-4.2：

步骤4.1，根据车辆外形特征及来流条件，利用确定的失稳时起动流速公式计算该水深下的起动流速；

利用步骤3.2率定的公式，将不同水深及原型车的特征参数代入公式(4)中，可以得到车辆滑移失稳的起动流速。

步骤4.2，计算来流流速与起动流速的比值，并以此判断洪水作用下车辆的稳定程度。

定义洪水中的来流流速与临界流速的比值为HD(HazardDegree)，并根据值的大小划分洪水中人车辆危险等级，如下：

HD(HazardDegree)＝min(1.0,U/U_c)(8)

式中，HD表示洪水中车辆的危险程度。根据HD值将洪水中车辆的稳定程度划分为三个等级，参见表4。

表4

步骤4.3，结合二维水动力学模型模拟洪水演进的计算结果，提供洪泛区内车辆稳定程度的分布情况。

Claims (1)

1.一种洪水作用下车辆稳定程度的判别方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤（1），洪水中车辆失稳的受力分析及公式推导，包括如下子步骤：

步骤（1.1），分析洪水中作用下车辆主要受到的重力、浮力、支持力、拖曳力和摩擦力的作用，并建立各力的表达式；

步骤（1.2），根据水平方向上的受力平衡，推导出车辆滑移失稳时的起动流速公式；

步骤（2），模型小车滑移失稳的概化水槽试验及公式参数率定，包括如下子步骤：

步骤（2.1），通过特制水槽测量不同水深下模型小车的排水体积，计算其浮力；

步骤（2.2），测定不同水流条件下大小两种比尺的模型小车发生滑移失稳时的来流条件，来流条件为水深与流速；

步骤（2.3），采用非线性回归分析的方法，利用大比尺模型小车的实验数据率定公式中的相关参数；

步骤（3），计算洪水作用下原型车辆起动流速，包括如下子步骤：

步骤（3.1），将小比尺模型小车失稳时的水流条件按照比尺关系换算成原型车失稳的水流条件；

步骤（3.2），利用步骤（2.3）中的参数率定结果及原型车辆的特征参数，绘制原型车辆在不同水深情况下的起动流速曲线；

步骤（3.3），将步骤（3.1）中的换算得到的原型数据和步骤（3.2）中的计算曲线进行对比，验证公式的计算精度；

步骤（3.4），确定不同水深条件下原型车辆滑移失稳时起动流速的计算公式；

步骤（4），判断洪水作用下原型车辆稳定程度，包括如下子步骤：

步骤（4.1），根据原型车辆的特征参数及来流条件，利用步骤（2.3）中率定的车辆失稳时起动流速公式计算该水深下的临界流速；

步骤（4.2），计算来流流速与临界流速的比值，判断洪水作用下车辆的稳定程度；

步骤（4.3），结合二维水动力学模型模拟洪水演进的计算结果，提供洪泛区内车辆稳定程度的分布情况。