CN113111489A - 一种堰塞坝洪水漫顶溃坝过程仿真方法及仿真系统 - Google Patents

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Abstract

发明提供一种堰塞坝洪水漫顶溃坝过程仿真方法及仿真系统。该方法包括获取堰塞坝及堰塞湖信息数据、循环计算堰塞湖库水水位、循环计算堰塞坝溃口流量、循环计算堰塞坝溃口尺寸、建立堰塞坝及堰塞湖三维时空数据模型和进行堰塞坝漫顶溃坝过程三维动态显示等步骤。该仿真系统包括用于接收堰塞坝及堰塞湖信息数据的客户终端。所述客户终端包括堰塞湖库水计算模块、堰塞坝溃口流量计算模块、堰塞坝溃口尺寸计算模块和三维动态可视化模块。该方法充分考虑堰塞坝的强非均质特性及溃口的水土耦合作用机制，提升堰塞坝洪水漫顶溃坝过程仿真结果的准确性。

Description

一种堰塞坝洪水漫顶溃坝过程仿真方法及仿真系统
技术领域
本发明涉及水利、地质工程灾害预测、评价与防控技术领域，特别涉及一种堰塞坝洪水漫顶溃坝过程仿真方法及仿真系统。
背景技术
堰塞坝作为一种特殊的土石坝在国内外分布广泛且致灾后果严重，堰塞坝一旦发生溃坝，巨大的洪水会给下游地区带来毁灭性的灾难。据统计，87％的堰塞坝在1年之内即发生溃决，再加上堰塞坝坝体内部往往存在明显的架空带和天然滑动面，坝体结构松散，胶结较弱，在余震、降雨及上游水位作用下，坝体容易发生局部失稳或集中渗漏从而出现溃坝险情。基于以上原因，堰塞坝的溃坝风险远远高于人工土石坝。
然而，目前堰塞坝漫顶溃坝过程计算，大多套用均质土坝溃坝仿真方法，或在均质土坝溃坝仿真方法的基础上稍作修改后运用，计算过程未很好地考虑堰塞坝坝体材料强非均质的特点以及堰塞坝溃口水土耦合作用机制，仿真结果难以真实再现堰塞坝洪水漫顶溃坝过程。
因此，针对堰塞坝自身特点，建立适用于堰塞坝洪水漫顶溃坝过程的仿真方法，提高堰塞坝漫顶溃坝过程计算准确性，对于合理指导下游群众疏散撤离，科学制定应急抢险预案具有重要地实际意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种堰塞坝洪水漫顶溃坝过程仿真方法及仿真系统，以解决现有技术中存在的问题。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种堰塞坝洪水漫顶溃坝过程仿真方法，包括以下步骤：
1)获取堰塞坝及堰塞湖信息数据。其中，所述信息数据包括堰塞坝及堰塞湖的地理空间信息数据、堰塞湖的库水信息数据、堰塞坝坝体材料参数空间分布数据和计算时间变化率。
2)循环计算堰塞湖库水水位，得到基于时间序列的堰塞湖库面高程数据。
3)循环计算堰塞坝溃口流量，得到基于时间序列的堰塞坝溃口流量数据。
4)循环计算堰塞坝溃口尺寸，得到基于时间序列的堰塞坝溃口尺寸数据。其中，所述堰塞坝溃口尺寸数据包括溃口位置、溃口顶部宽度、溃口底部宽度、溃口两侧边壁坡比和溃口底部高程。
5)对步骤2)、3)和4)所获得的计算结果进行输出。
6)对步骤5)输出的数据结果进行解译。
7)读取堰塞坝及堰塞湖初始地理空间信息数据，结合步骤6)解译的堰塞湖库水水位、堰塞坝溃口流量和堰塞坝溃口尺寸，建立堰塞坝及堰塞湖三维时空数据模型。
8)基于步骤7)所得堰塞坝及堰塞湖三维时空数据模型，建立堰塞坝及堰塞湖三维时空实体模型，进行堰塞坝漫顶溃坝过程三维动态显示。
进一步，所述堰塞坝及堰塞湖的地理空间信息数据包括堰塞坝库区及坝区的地形资料、堰塞坝库区及坝区的航测影像资料、数字高程资料和堰塞坝坝体外形尺寸。所述堰塞坝坝体外形尺寸包括坝高、顶宽、上下游边坡坡比、坝轴线长度和大坝顺河向长度。
所述堰塞湖的库水信息数据包括堰塞湖初始水面高程、堰塞湖任一水位及其所对应的库容数据、堰塞湖入库流量、堰塞坝溃口流量数据和堰塞湖库容信息。
所述堰塞坝坝体材料参数空间分布数据包括堰塞坝坝体材料不同空间位置的级配、曼宁系数、孔隙率、比重、黏聚力、内摩擦角、坝料起动系数和无因次启动剪应力。
进一步，步骤2)具体包括以下步骤：
2.1)基于堰塞坝及堰塞湖信息数据，调取堰塞湖水面高程、堰塞湖入库流量和堰塞坝溃口流量数据。
2.2)读入初始堰塞湖库面高程、基于时间序列的堰塞湖入库流量数据和基于时间序列堰塞坝溃口流量数据。
2.3)根据入库、出库水量平衡，计算堰塞湖库水水量。所述堰塞湖入流信息为堰塞湖关于时间的入库流量数据。所述堰塞湖出流信息为堰塞湖关于时间的溃口流量数据。
2.4)读入堰塞湖库水高程-库面面积数据。
2.5)生成堰塞湖库容关系曲线。
2.6)基于堰塞湖库水水量计算结果，根据堰塞湖库容关系曲线，计算得出堰塞湖库面高程。
2.7)判断是否满足堰塞湖库面高程≤堰塞坝溃口底部高程。若是，则输出基于时间序列的堰塞湖库面高程数据。若否，则使用计算所得堰塞湖库面高程数据，对堰塞湖水面高程数据进行更新存储。读入计算时间变化率，根据当前堰塞湖库面高程计算时刻，更新计算时间，重复步骤2.3)～2.6)，循环计算堰塞湖库面高程。
进一步，步骤3)具体包括以下数据：
3.1)调取堰塞坝溃口信息和基于时间序列的堰塞湖库面高程数据。所述堰塞坝溃口信息包括堰塞坝溃口位置、溃口顶部宽度、溃口底部宽度、溃口两侧边壁坡比、溃口底部高程和基于时间序列的堰塞坝溃口流量。所述基于时间序列的堰塞湖库面高程数据为循环计算堰塞湖库面高程过程中得出的关于时间的堰塞湖库面高程。
3.2)读入初始堰塞湖高程、基于时间序列的堰塞湖入库流量数据和基于时间序列的堰塞坝溃口流量数据。
3.3)采用宽顶堰堰流公式计算堰塞坝溃口流量。
3.4)判断是否满足堰塞坝溃口流量≤0。若是，则输出基于时间序列的堰塞坝溃口流量数据。若否，则使用计算所得堰塞坝溃口流量数据，对堰塞坝溃口流量数据进行更新存储。读入计算时间变化率，根据当前堰塞坝溃口流量计算时刻，更新计算时间，重复步骤3.3)，循环计算堰塞坝溃口流量。
进一步，步骤4)具体包括以下步骤：
4.1)调取堰塞坝坝料空间信息数据和堰塞坝溃口信息。
4.2)读入堰塞坝溃口流量数据和堰塞坝溃口尺寸数据。
4.3)基于堰塞坝坝料空间信息数据，生成堰塞坝坝料抗冲性能空间分布关系。其中，堰塞坝坝料抗冲性能空间分布关系为采用二次插值得到的堰塞坝坝料抗冲性能参数关于堰塞坝坝体空间位置连续的三元函数。所述堰塞坝坝料坝料抗冲性能参数包括坝料起动系数和无因次启动剪应力。
4.4)计算堰塞坝溃口坝料冲刷量。
4.5)计算堰塞坝溃口横向展宽增量和堰塞坝溃口纵向下切增量。其中，所述堰塞坝溃口横向展宽增量包括堰塞坝溃口顶部展宽增量和堰塞坝溃口底部展宽增量。
4.6)计算堰塞坝溃口尺寸。
4.7)判断是否满足堰塞湖库面高程≤堰塞坝溃口底部高程。若是，则输出基于时间序列的堰塞坝溃口尺寸数据。若否，则使用计算所得堰塞坝溃口尺寸，对堰塞坝溃口信息进行更新存储。读入计算时间变化率，根据当前堰塞坝溃口尺寸计算时刻，更新计算时间，重复步骤4.2)～4.6)，循环计算堰塞坝溃口尺寸。
本发明还公开一种计算机可读存储介质，存储有用于实现上述任意一种堰塞坝洪水漫顶溃坝过程仿真方法的计算机程序。
本发明还公开一种计算机程序，存储于计算机可读存储介质中。被处理器执行时实现上述任意一种堰塞坝洪水漫顶溃坝过程仿真方法。
本发明还公开一种堰塞坝洪水漫顶溃坝过程仿真系统，包括用于接收堰塞坝及堰塞湖信息数据的客户终端。所述客户终端包括堰塞湖库水计算模块、堰塞坝溃口流量计算模块、堰塞坝溃口尺寸计算模块和三维动态可视化模块。所述堰塞湖库水计算模块根据堰塞湖入流信息及堰塞湖出流信息，对堰塞湖库面高程进行循环计算。所述堰塞坝溃口流量计算模块根据堰塞坝溃口空间尺寸及堰塞湖库水信息，对堰塞坝溃口流量进行循环计算。所述堰塞坝溃口尺寸计算模块，根据堰塞坝溃口流量计算结果，对堰塞坝溃口冲刷量进行计算，并进一步计算堰塞坝溃口尺寸。所述三维动态可视化模块对堰塞坝及堰塞湖三维时空数据进行解译和调度，通过建立堰塞坝及堰塞湖三维时空实体模型，进行堰塞坝漫顶溃坝过程三维动态可视化显示。
本发明的技术效果是毋庸置疑的：考虑堰塞坝坝体材料的强非均质特性，将材料参数作为关于坝体空间位置的变量进行输入并参与计算，分别针对溃坝过程中坝前(库水)、坝体(溃口位置的土、水)发展过程单独计算，计算过程能够体现堰塞坝漫顶溃坝过程中的水土耦合作用，进而提升堰塞坝洪水漫顶溃坝过程仿真结果的准确性，计算结果可为科学评价堰塞坝溃坝风险，合理制定溃坝应急预案提供参考。
附图说明
图1为堰塞坝洪水漫顶溃坝过程仿真方法流程图；
图2为堰塞坝坝前库水循环计算流程图；
图3为堰塞坝溃口流量循环计算流程图；
图4为堰塞坝溃口尺寸循环计算流程图；
图5为堰塞坝洪水漫顶溃坝过程三维动态可视化的流程图；
图6为堰塞坝洪水漫顶溃坝过程仿真系统的结构框图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
参见图1，本实施例公开一种堰塞坝洪水漫顶溃坝过程仿真方法，包括以下步骤：
1)获取堰塞坝及堰塞湖信息数据。其中，所述信息数据包括堰塞坝及堰塞湖的地理空间信息数据、堰塞湖的库水信息数据、堰塞坝坝体材料参数空间分布数据和计算时间变化率。
所述堰塞坝及堰塞湖的地理空间信息数据包括堰塞坝库区及坝区的完整的满足精度要求的地形资料、堰塞坝库区及坝区的航测影像资料、数字高程资料和堰塞坝坝体外形尺寸。所述堰塞坝坝体外形尺寸包括坝高、顶宽、上下游边坡坡比、坝轴线长度和大坝顺河向长度。
所述堰塞湖的库水信息数据包括堰塞湖初始水面高程、堰塞湖任一水位及其所对应的库容数据、堰塞湖入库流量、堰塞坝溃口流量数据和堰塞湖库容信息。
所述堰塞坝坝体材料参数空间分布数据包括堰塞坝坝体材料不同空间位置的级配、曼宁系数、孔隙率、比重、黏聚力、内摩擦角、坝料起动系数和无因次启动剪应力。
2)参见图2，循环计算堰塞湖库水水位，得到基于时间序列的堰塞湖库面高程数据。
2.1)基于堰塞坝及堰塞湖信息数据，调取堰塞湖水面高程、堰塞湖入库流量和堰塞坝溃口流量数据。
2.2)读入初始堰塞湖库面高程、基于时间序列的堰塞湖入库流量数据和基于时间序列堰塞坝溃口流量数据。
2.3)根据水量平衡公式计算堰塞湖库水水量。其中，所述堰塞湖入流信息为堰塞湖关于时间的入库流量数据。所述堰塞湖出流信息为堰塞湖关于时间的溃口流量数据。
Figure BDA0002972099040000061
式中，V为上游库水体积，t为时间，Qin为上游河道入流量，Q为溃口水流。
2.4)读入堰塞湖库水高程-库面面积数据。
2.5)生成堰塞湖库容关系曲线。
2.6)基于堰塞湖库水水量计算结果，根据堰塞湖库容关系曲线，计算得出堰塞湖库面高程。
2.7)判断是否满足堰塞湖库面高程≤堰塞坝溃口底部高程。若是，则输出基于时间序列的堰塞湖库面高程数据。若否，则使用计算所得堰塞湖库面高程数据，对堰塞湖水面高程数据进行更新存储。读入计算时间变化率，根据当前堰塞湖库面高程计算时刻，更新计算时间，重复步骤2.3)～2.6)，循环计算堰塞湖库面高程。
3)参见图3，循环计算堰塞坝溃口流量，得到基于时间序列的堰塞坝溃口流量数据。
3.1)调取堰塞坝溃口信息和基于时间序列的堰塞湖库面高程数据。所述堰塞坝溃口信息包括堰塞坝溃口位置、溃口顶部宽度、溃口底部宽度、溃口两侧边壁坡比、溃口底部高程和基于时间序列的堰塞坝溃口流量。所述基于时间序列的堰塞湖库面高程数据为循环计算堰塞湖库面高程过程中得出的关于时间的堰塞湖库面高程。
3.2)读入初始堰塞湖高程、基于时间序列的堰塞湖入库流量数据和基于时间序列的堰塞坝溃口流量数据。
3.3)采用宽顶堰堰流公式计算堰塞坝溃口流量。
Q＝ks(c1bh1.5+c2mh2.5) (2)
式中，ks为淹没系数，b为溃口底宽，h为上游水位与溃口底部高程差，m为溃口两侧边坡系数，c1为修正系数，c2为修正系数。
3.4)判断是否满足堰塞坝溃口流量≤0。若是，则输出基于时间序列的堰塞坝溃口流量数据。若否，则使用计算所得堰塞坝溃口流量数据，对堰塞坝溃口流量数据进行更新存储。读入计算时间变化率，根据当前堰塞坝溃口流量计算时刻，更新计算时间，重复步骤3.3)，循环计算堰塞坝溃口流量。
4)参见图4，循环计算堰塞坝溃口尺寸，得到基于时间序列的堰塞坝溃口尺寸数据。其中，所述堰塞坝溃口尺寸数据包括溃口位置、溃口顶部宽度、溃口底部宽度、溃口两侧边壁坡比和溃口底部高程。
4.1)调取堰塞坝坝料空间信息数据和堰塞坝溃口信息。
4.2)读入堰塞坝溃口流量数据和堰塞坝溃口尺寸数据。
4.3)基于堰塞坝坝料空间信息数据，生成堰塞坝坝料抗冲性能空间分布关系如式(3)所示。堰塞坝坝料抗冲性能空间分布关系为采用二次插值得到的堰塞坝坝料抗冲性能参数关于堰塞坝坝体空间位置连续的三元函数。其中，所述堰塞坝坝料坝料抗冲性能参数包括坝料起动系数和无因次启动剪应力。
Figure BDA0002972099040000071
式中，K为坝料起动系数，Θc为无因次启动剪应力，F为坝料起动系数与堰塞坝坝体空间位置之间的函数关系，G为无因次启动剪应力与堰塞坝坝体空间位置直剪的函数关系，x、y、z为笛卡尔直角坐标系下堰塞坝坝体空间位置参数。
4.4)计算堰塞坝溃口坝料冲刷量。
4.5)计算堰塞坝溃口横向展宽增量和堰塞坝溃口纵向下切增量。其中，所述堰塞坝溃口横向展宽增量包括堰塞坝溃口顶部展宽增量和堰塞坝溃口底部展宽增量。
4.6)计算堰塞坝溃口尺寸。
4.7)判断是否满足堰塞湖库面高程≤堰塞坝溃口底部高程。若是，则输出基于时间序列的堰塞坝溃口尺寸数据。若否，则使用计算所得堰塞坝溃口尺寸，对堰塞坝溃口信息进行更新存储。读入计算时间变化率，根据当前堰塞坝溃口尺寸计算时刻，更新计算时间，重复步骤4.2)～4.6)，循环计算堰塞坝溃口尺寸。
5)对步骤2)、3)和4)所获得的计算结果进行输出。
6)对步骤5)输出的数据结果进行解译。
7)参见图5，读取堰塞坝及堰塞湖初始地理空间信息数据，结合步骤6)解译的堰塞湖库水水位、堰塞坝溃口流量和堰塞坝溃口尺寸，建立堰塞坝及堰塞湖三维时空数据模型。
8)基于步骤7)所得堰塞坝及堰塞湖三维时空数据模型，建立堰塞坝及堰塞湖三维时空实体模型，进行堰塞坝漫顶溃坝过程三维动态显示。
本实施例充分考虑了堰塞坝的强非均质特性及溃口的水土耦合作用机制，提升了堰塞坝洪水漫顶溃坝过程仿真结果的准确性。
实施例2：
本实施例公开一种计算机可读存储介质，存储有用于实现实施例1所述堰塞坝洪水漫顶溃坝过程仿真方法的计算机程序。
实施例3：
本实施例公开一种计算机程序，存储于计算机可读存储介质中。被处理器执行时实现实施例1所述堰塞坝洪水漫顶溃坝过程仿真方法。
实施例4：
参见图6，本实施例公开一种堰塞坝洪水漫顶溃坝过程仿真系统，包括用于接收堰塞坝及堰塞湖信息数据的客户终端。所述客户终端包括堰塞湖库水计算模块、堰塞坝溃口流量计算模块、堰塞坝溃口尺寸计算模块和三维动态可视化模块。
所述堰塞湖库水计算模块读取堰塞湖入流信息和堰塞湖出流信息。根据水量平衡公式，循环计算堰塞湖库面高程，并输出堰塞湖库面高程计算结果。所述堰塞湖入流信息为堰塞湖关于时间的入库流量数据。所述堰塞湖出流信息为堰塞湖关于时间的溃口流量数据。
所述堰塞坝溃口流量计算模块调取堰塞坝溃口底部高程数据和堰塞湖库水计算模块输出的堰塞湖库面高程计算结果，按照宽顶堰堰流，循环计算堰塞坝溃口流量，输出堰塞坝溃口流量计算结果，并将输出结果对堰塞湖库水计算模块中的堰塞湖出流信息进行数据更新存储。
所述堰塞坝溃口尺寸计算模块调取堰塞坝溃口流量计算模块中的堰塞坝溃口流量计算结果数据，采用冲蚀公式计算堰塞坝溃口冲刷量。进一步计算堰塞坝溃口尺寸，输出堰塞坝溃口尺寸计算结果，并将输出结果对堰塞坝溃口流量计算模块中的堰塞坝溃口底部高程进行数据更新存储。
Figure BDA0002972099040000091
式中，
Figure BDA0002972099040000092
为溃口底床冲蚀率，kd为冲蚀系数，τb为水流剪应力，τc为坝料临界剪应力。
所述三维动态可视化模块对堰塞坝及堰塞湖地理空间动态数据进行调度。所述堰塞坝及堰塞湖地理空间动态数据，包括基于时间序列的堰塞湖库面高程计算结果、堰塞坝溃口流量计算结果、堰塞坝溃口尺寸计算结果，建立堰塞坝及堰塞湖三维时空数据模型，进一步建立堰塞坝及堰塞湖三维时空实体模型，并进行堰塞坝及堰塞湖三维动态可视化，最终在客户终端进行堰塞坝洪水漫顶溃坝过程三维动态显示。
实施例5：
本实施例公开一种采用堰塞坝洪水漫顶溃坝过程仿真系统的堰塞坝洪水漫顶溃坝过程仿真方法。
采用堰塞坝洪水漫顶溃坝过程仿真系统包括用于接收堰塞坝及堰塞湖信息数据的客户终端。所述客户终端包括堰塞湖库水计算模块、堰塞坝溃口流量计算模块、堰塞坝溃口尺寸计算模块和三维动态可视化模块。
所述堰塞湖库水计算模块读取堰塞湖入流信息和堰塞湖出流信息。根据水量平衡，循环计算堰塞湖库面高程，并输出堰塞湖库面高程计算结果。所述堰塞湖入流信息为堰塞湖关于时间的入库流量数据。所述堰塞湖出流信息为堰塞湖关于时间的溃口流量数据。
所述堰塞坝溃口流量计算模块调取堰塞坝溃口底部高程数据和堰塞湖库水计算模块输出的堰塞湖库面高程计算结果，按照宽顶堰堰流，循环计算堰塞坝溃口流量，输出堰塞坝溃口流量计算结果，并将输出结果对堰塞湖库水计算模块中的堰塞湖出流信息进行数据更新存储。
所述堰塞坝溃口尺寸计算模块调取堰塞坝溃口流量计算模块中的堰塞坝溃口流量计算结果数据，采用冲蚀公式，计算堰塞坝溃口冲刷量，进一步计算堰塞坝溃口尺寸，输出堰塞坝溃口尺寸计算结果，并将输出结果对堰塞坝溃口流量计算模块中的堰塞坝溃口底部高程进行数据更新存储。
所述三维动态可视化模块对堰塞坝及堰塞湖地理空间动态数据进行调度。所述堰塞坝及堰塞湖地理空间动态数据，包括基于时间序列的堰塞湖库面高程计算结果、堰塞坝溃口流量计算结果、堰塞坝溃口尺寸计算结果，建立堰塞坝及堰塞湖三维时空数据模型，进一步建立堰塞坝及堰塞湖三维时空实体模型，并进行堰塞坝及堰塞湖三维动态可视化，最终在客户终端进行堰塞坝洪水漫顶溃坝过程三维动态显示。
堰塞坝洪水漫顶溃坝过程仿真方法，包括以下步骤：
1)获取堰塞坝及堰塞湖信息数据。其中，所述信息数据包括堰塞坝及堰塞湖的地理空间信息数据、堰塞湖的库水信息数据、堰塞坝坝体材料参数空间分布数据和计算时间变化率。
所述堰塞坝及堰塞湖的地理空间信息数据包括堰塞坝库区及坝区的完整的满足精度要求的地形资料、堰塞坝库区及坝区的航测影像资料、数字高程资料和堰塞坝坝体外形尺寸。所述堰塞坝坝体外形尺寸包括坝高、顶宽、上下游边坡坡比、坝轴线长度和大坝顺河向长度。
所述堰塞湖的库水信息数据包括堰塞湖初始水面高程、堰塞湖任一水位及其所对应的库容数据、堰塞湖入库流量、堰塞坝溃口流量数据和堰塞湖库容信息。
所述堰塞坝坝体材料参数空间分布数据包括堰塞坝坝体材料不同空间位置的级配、曼宁系数、孔隙率、比重、黏聚力、内摩擦角、坝料起动系数和无因次启动剪应力。
2)参见图2，循环计算堰塞湖库水水位，得到基于时间序列的堰塞湖库面高程数据。
2.1)基于堰塞坝及堰塞湖信息数据，调取堰塞湖水面高程、堰塞湖入库流量和堰塞坝溃口流量数据。
2.2)读入初始堰塞湖库面高程、基于时间序列的堰塞湖入库流量数据和基于时间序列堰塞坝溃口流量数据。
2.3)根据入库、出库水量平衡，计算堰塞湖库水水量。所述堰塞湖入流信息为堰塞湖关于时间的入库流量数据。所述堰塞湖出流信息为堰塞湖关于时间的溃口流量数据。
2.4)读入堰塞湖库水高程-库面面积数据。
2.5)生成堰塞湖库容关系曲线。
2.6)基于堰塞湖库水水量计算结果，根据堰塞湖库容关系曲线，计算得出堰塞湖库面高程。
2.7)判断是否满足堰塞湖库面高程≤堰塞坝溃口底部高程。若是，则输出基于时间序列的堰塞湖库面高程数据。若否，则使用计算所得堰塞湖库面高程数据，对堰塞湖水面高程数据进行更新存储。读入计算时间变化率，根据当前堰塞湖库面高程计算时刻，更新计算时间，重复步骤2.3)～2.6)，循环计算堰塞湖库面高程。
3)参见图3，循环计算堰塞坝溃口流量，得到基于时间序列的堰塞坝溃口流量数据。
3.1)调取堰塞坝溃口信息和基于时间序列的堰塞湖库面高程数据。所述堰塞坝溃口信息包括堰塞坝溃口位置、溃口顶部宽度、溃口底部宽度、溃口两侧边壁坡比、溃口底部高程和基于时间序列的堰塞坝溃口流量。所述基于时间序列的堰塞湖库面高程数据为循环计算堰塞湖库面高程过程中得出的关于时间的堰塞湖库面高程。
3.2)读入初始堰塞湖高程、基于时间序列的堰塞湖入库流量数据和基于时间序列的堰塞坝溃口流量数据。
3.3)采用宽顶堰堰流公式计算堰塞坝溃口流量。
3.4)判断是否满足堰塞坝溃口流量≤0。若是，则输出基于时间序列的堰塞坝溃口流量数据。若否，则使用计算所得堰塞坝溃口流量数据，对堰塞坝溃口流量数据进行更新存储。读入计算时间变化率，根据当前堰塞坝溃口流量计算时刻，更新计算时间，重复步骤3.3)，循环计算堰塞坝溃口流量。
4)参见图4，循环计算堰塞坝溃口尺寸，得到基于时间序列的堰塞坝溃口尺寸数据。其中，所述堰塞坝溃口尺寸数据包括溃口位置、溃口顶部宽度、溃口底部宽度、溃口两侧边壁坡比和溃口底部高程。
4.1)调取堰塞坝坝料空间信息数据和堰塞坝溃口信息。
4.2)读入堰塞坝溃口流量数据和堰塞坝溃口尺寸数据。
4.3)基于堰塞坝坝料空间信息数据，生成堰塞坝坝料抗冲性能空间分布关系。其中，堰塞坝坝料抗冲性能空间分布关系为采用二次插值得到的堰塞坝坝料抗冲性能参数关于堰塞坝坝体空间位置连续的三元函数。所述堰塞坝坝料坝料抗冲性能参数包括坝料起动系数和无因次启动剪应力。
4.4)计算堰塞坝溃口坝料冲刷量。
4.5)计算堰塞坝溃口横向展宽增量和堰塞坝溃口纵向下切增量。其中，所述堰塞坝溃口横向展宽增量包括堰塞坝溃口顶部展宽增量和堰塞坝溃口底部展宽增量。
4.6)计算堰塞坝溃口尺寸。
4.7)判断是否满足堰塞湖库面高程≤堰塞坝溃口底部高程。若是，则输出基于时间序列的堰塞坝溃口尺寸数据。若否，则使用计算所得堰塞坝溃口尺寸，对堰塞坝溃口信息进行更新存储。读入计算时间变化率，根据当前堰塞坝溃口尺寸计算时刻，更新计算时间，重复步骤4.2)～4.6)，循环计算堰塞坝溃口尺寸。
5)对步骤2)、3)和4)所获得的计算结果进行输出。
6)对步骤5)输出的数据结果进行解译。
7)参见图5，读取堰塞坝及堰塞湖初始地理空间信息数据，结合步骤6)解译的堰塞湖库水水位、堰塞坝溃口流量和堰塞坝溃口尺寸，建立堰塞坝及堰塞湖三维时空数据模型。
8)基于步骤7)所得堰塞坝及堰塞湖三维时空数据模型，建立堰塞坝及堰塞湖三维时空实体模型，进行堰塞坝漫顶溃坝过程三维动态显示。

Claims (8)

1.一种堰塞坝洪水漫顶溃坝过程仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)获取堰塞坝及堰塞湖信息数据；其中，所述信息数据包括堰塞坝及堰塞湖的地理空间信息数据、堰塞湖的库水信息数据、堰塞坝坝体材料参数空间分布数据和计算时间变化率；
2)循环计算堰塞湖库水水位，得到基于时间序列的堰塞湖库面高程数据；
3)循环计算堰塞坝溃口流量，得到基于时间序列的堰塞坝溃口流量数据；
4)循环计算堰塞坝溃口尺寸，得到基于时间序列的堰塞坝溃口尺寸数据。其中，所述堰塞坝溃口尺寸数据包括溃口位置、溃口顶部宽度、溃口底部宽度、溃口两侧边壁坡比和溃口底部高程；
5)对步骤2)、3)和4)所获得的计算结果进行输出；
6)对步骤5)输出的数据结果进行解译；
7)读取堰塞坝及堰塞湖初始地理空间信息数据，结合步骤6)解译的堰塞湖库水水位、堰塞坝溃口流量和堰塞坝溃口尺寸，建立堰塞坝及堰塞湖三维时空数据模型；
8)基于步骤7)所得堰塞坝及堰塞湖三维时空数据模型，建立堰塞坝及堰塞湖三维时空实体模型，进行堰塞坝漫顶溃坝过程三维动态显示。
2.根据权利要求1所述的一种堰塞坝洪水漫顶溃坝过程仿真方法，其特征在于：所述堰塞坝及堰塞湖的地理空间信息数据包括堰塞坝库区及坝区的地形资料、堰塞坝库区及坝区的航测影像资料、数字高程资料和堰塞坝坝体外形尺寸；所述堰塞坝坝体外形尺寸包括坝高、顶宽、上下游边坡坡比、坝轴线长度和大坝顺河向长度；
所述堰塞湖的库水信息数据包括堰塞湖初始水面高程、堰塞湖任一水位及其所对应的库容数据、堰塞湖入库流量、堰塞坝溃口流量数据和堰塞湖库容信息；
所述堰塞坝坝体材料参数空间分布数据包括堰塞坝坝体材料不同空间位置的级配、曼宁系数、孔隙率、比重、黏聚力、内摩擦角、坝料起动系数和无因次启动剪应力。
3.根据权利要求1或2所述的一种堰塞坝洪水漫顶溃坝过程仿真方法，其特征在于，步骤2)具体包括以下步骤：
2.1)基于堰塞坝及堰塞湖信息数据，调取堰塞湖水面高程、堰塞湖入库流量和堰塞坝溃口流量数据；
2.2)读入初始堰塞湖库面高程、基于时间序列的堰塞湖入库流量数据和基于时间序列堰塞坝溃口流量数据；
2.3)根据入库、出库水量平衡，计算堰塞湖库水水量；
2.4)读入堰塞湖库水高程-库面面积数据；
2.5)生成堰塞湖库容关系曲线；
2.6)基于堰塞湖库水水量计算结果，根据堰塞湖库容关系曲线，计算得出堰塞湖库面高程；
2.7)判断是否满足堰塞湖库面高程≤堰塞坝溃口底部高程；若是，则输出基于时间序列的堰塞湖库面高程数据；若否，则使用计算所得堰塞湖库面高程数据，对堰塞湖水面高程数据进行更新存储；读入计算时间变化率，根据当前堰塞湖库面高程计算时刻，更新计算时间，重复步骤2.3)～2.6)，循环计算堰塞湖库面高程。
4.根据权利要求1或3所述的一种堰塞坝洪水漫顶溃坝过程仿真方法，其特征在于，步骤3)具体包括以下数据：
3.1)调取堰塞坝溃口信息和基于时间序列的堰塞湖库面高程数据；所述堰塞坝溃口信息包括堰塞坝溃口位置、溃口顶部宽度、溃口底部宽度、溃口两侧边壁坡比、溃口底部高程和基于时间序列的堰塞坝溃口流量；所述基于时间序列的堰塞湖库面高程数据为循环计算堰塞湖库面高程过程中得出的关于时间的堰塞湖库面高程；
3.2)读入初始堰塞湖高程、基于时间序列的堰塞湖入库流量数据和基于时间序列的堰塞坝溃口流量数据；
3.3)采用宽顶堰堰流公式计算堰塞坝溃口流量；
3.4)判断是否满足堰塞坝溃口流量≤0；若是，则输出基于时间序列的堰塞坝溃口流量数据；若否，则使用计算所得堰塞坝溃口流量数据，对堰塞坝溃口流量数据进行更新存储；读入计算时间变化率，根据当前堰塞坝溃口流量计算时刻，更新计算时间，重复步骤3.3)，循环计算堰塞坝溃口流量。
5.根据权利要求1所述的一种堰塞坝洪水漫顶溃坝过程仿真方法，其特征在于，步骤4)具体包括以下步骤：
4.1)调取堰塞坝坝料空间信息数据和堰塞坝溃口信息；
4.2)读入堰塞坝溃口流量数据和堰塞坝溃口尺寸数据；
4.3)基于堰塞坝坝料空间信息数据，生成堰塞坝坝料抗冲性能空间分布关系；其中，堰塞坝坝料抗冲性能空间分布关系为采用二次插值得到的堰塞坝坝料抗冲性能参数关于堰塞坝坝体空间位置连续的三元函数；所述堰塞坝坝料坝料抗冲性能参数包括坝料起动系数和无因次启动剪应力；
4.4)计算堰塞坝溃口坝料冲刷量；
4.5)计算堰塞坝溃口横向展宽增量和堰塞坝溃口纵向下切增量；其中，所述堰塞坝溃口横向展宽增量包括堰塞坝溃口顶部展宽增量和堰塞坝溃口底部展宽增量；
4.6)计算堰塞坝溃口尺寸；
4.7)判断是否满足堰塞湖库面高程≤堰塞坝溃口底部高程；若是，则输出基于时间序列的堰塞坝溃口尺寸数据；若否，则使用计算所得堰塞坝溃口尺寸，对堰塞坝溃口信息进行更新存储；读入计算时间变化率，根据当前堰塞坝溃口尺寸计算时刻，更新计算时间，重复步骤4.2)～4.6)，循环计算堰塞坝溃口尺寸。
6.一种计算机可读存储介质，其特征在于：存储有用于实现权利要求1～5中任意一种堰塞坝洪水漫顶溃坝过程仿真方法的计算机程序。
7.一种计算机程序，其特征在于：存储于计算机可读存储介质中；被处理器执行时实现权利要求1～5中任意一种堰塞坝洪水漫顶溃坝过程仿真方法。
8.一种堰塞坝洪水漫顶溃坝过程仿真系统，其特征在于：包括用于接收堰塞坝及堰塞湖信息数据的客户终端；所述客户终端包括堰塞湖库水计算模块、堰塞坝溃口流量计算模块、堰塞坝溃口尺寸计算模块和三维动态可视化模块；所述堰塞湖库水计算模块根据堰塞湖入流信息及堰塞湖出流信息，对堰塞湖库面高程进行循环计算；所述堰塞坝溃口流量计算模块根据堰塞坝溃口空间尺寸及堰塞湖库水信息，对堰塞坝溃口流量进行循环计算；所述堰塞坝溃口尺寸计算模块，根据堰塞坝溃口流量计算结果，对堰塞坝溃口冲刷量进行计算，并进一步计算堰塞坝溃口尺寸；所述三维动态可视化模块对堰塞坝及堰塞湖三维时空数据进行解译和调度，通过建立堰塞坝及堰塞湖三维时空实体模型，进行堰塞坝漫顶溃坝过程三维动态可视化显示。
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