CN113221335A - 弯曲河道中滑坡涌浪衰减后的浪高计算方法、装置及其存储介质 - Google Patents

弯曲河道中滑坡涌浪衰减后的浪高计算方法、装置及其存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种弯曲河道中滑坡涌浪衰减后的浪高计算方法、装置及其存储介质，旨在解决现有技术中难以准确计算弯曲河道中涌浪浪高的技术问题。所述方法包括：基于预设的涌浪传播条件，获得滑坡涌浪在弯曲河道中的扩散角和涌浪能量扩散方程；根据扩散角和涌浪能量扩散方程计算涌浪进入弯曲河道后的折减系数；根据折减系数计算涌浪进入弯曲河道后的浪高；所述装置包括涌浪分析模块、涌浪衰减计算模块、浪高计算模块。本发明能够推理出弯曲河道中下游浪高的衰减规律，进而准确计算弯曲河道内沿程的浪高。

Description

弯曲河道中滑坡涌浪衰减后的浪高计算方法、装置及其存储 介质
技术领域
本发明涉及一种弯曲河道中滑坡涌浪衰减后的浪高计算方法、装置及其存储介质，属于地质工程、岩土工程及水利水电工程技术领域。
背景技术
近年来我国经济建设飞速发展，随着对能源需求、交通及水利水电工程发展需求的增加，一大批重要基础设施需要建设完善，尤其是水利水电工程，与其相对应的水电站水库库区的岸坡安全稳定性问题也日益突出。尤其在山区水库库区发生滑坡时，产生的涌浪将威胁到库岸沿线设施甚至是大坝的安全，因此对滑坡涌浪的分析预测是十分必要的。
目前针对滑坡引起的涌浪都是考虑平直岸段下传播的影响进行计算，但是在多数山区河谷内岸坡多呈弯曲状，现有的计算方法无法较为准确的计算出弯曲河道中涌浪浪高的传播衰减，因而无法实现准确的滑坡涌浪的分析。
发明内容
为了解决现有技术中难以准确计算弯曲河道中涌浪浪高的技术问题，本发明提出了一种弯曲河道中滑坡涌浪衰减后的浪高计算方法、装置及其存储介质，通过波的能量扩散原理推理得到弯曲河道中下游浪高的衰减规律，进而准确计算弯曲河道内沿程的浪高。
为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术手段：
第一方面，本发明提出了一种弯曲河道中滑坡涌浪衰减后的浪高计算方法，包括如下步骤：
基于预设的涌浪传播条件，获得滑坡涌浪在弯曲河道中的扩散角和涌浪能量扩散方程；
根据扩散角和涌浪能量扩散方程计算涌浪进入弯曲河道后的折减系数；
根据折减系数计算涌浪进入弯曲河道后的浪高。
结合第一方面，进一步的，所述预设的涌浪传播条件为：
设水库蓄水时库内水的流速为0，水库发生滑坡涌浪时，涌浪均匀地向上下游和对岸扩散传播。
结合第一方面，进一步的，获得滑坡涌浪在弯曲河道中的扩散角和涌浪能量扩散方程的具体操作如下：
以主涌浪传播到弯曲河道的河口处的走向为轴线，分别测量主涌浪的传播方向与下游河流流向的夹角α、与上游河流流向的夹角β，获得滑坡涌浪在弯曲河道中的扩散角α和β；
基于能量守恒定律，获得涌浪能量扩散方程：
E总＝E+E' (1)
其中，E总表示主涌浪的能量，E表示涌浪进入弯曲河道后向下游传播的能量，E'表示涌浪进入弯曲河道后向上游和对岸传播的能量，E/E'＝α/β。
结合第一方面，进一步的，根据涌浪能量扩散方程计算涌浪进入弯曲河道后的折减系数的具体操作如下：
将E和E'进一步划分为动能和势能，根据涌浪能量扩散方程、动能和势能的计算公式，获得涌浪进入弯曲河道后的浪高与扩散角的关系：
Figure BDA0003031589850000031
其中，h表示涌浪进入弯曲河道后涌向下游的波浪的浪高，h'表示涌浪进入弯曲河道后涌向上游和对岸的波浪的浪高；
根据浪高与扩散角的关系，计算涌浪进入弯曲河道后的折减系数：
Figure BDA0003031589850000032
其中，λ表示涌浪进入弯曲河道后的折减系数。
结合第一方面，进一步的，涌浪进入弯曲河道后的浪高的计算公式如下：
Figure BDA0003031589850000033
其中，ξ表示河口交汇处的涌浪高度。
第二方面，本发明提出了一种弯曲河道中滑坡涌浪衰减后的浪高计算装置，包括：
涌浪分析模块，用于基于预设的涌浪传播条件，获得滑坡涌浪在弯曲河道中的扩散角和涌浪能量扩散方程；
涌浪衰减计算模块，用于根据扩散角和涌浪能量扩散方程计算涌浪进入弯曲河道后的折减系数；
浪高计算模块，用于根据折减系数计算涌浪进入弯曲河道后的浪高。
第三方面，本发明提出了一种弯曲河道中滑坡涌浪衰减后的浪高计算装置，包括处理器及存储介质；
所述存储介质用于存储指令；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行第一方面所述方法的步骤。
第四方面，本发明提出了计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现第一方面所述方法的步骤。
采用以上技术手段后可以获得以下优势：
本发明提出了一种弯曲河道中滑坡涌浪衰减后的浪高计算方法、装置及其存储介质，充分考虑了弯曲河道对涌浪传播量的影响，从波浪的能量角度分析河道弯曲后波浪衰减的规律，能够准确计算出涌浪进入弯曲河道后经过衰减的浪高，计算复杂度低、计算速度快。本发明简化了涌浪在河口分散后的浪高计算问题，在近似分析中具有简明的合理性，得到的浪高计算结果与实际相对一致，在简化计算过程的同时保证了计算结果的准确性，能够满足实际设计计算需求，能够为涌浪高度的计算提供定量评价依据。
附图说明
图1为本发明一种弯曲河道中滑坡涌浪衰减后的浪高计算方法的步骤流程图；
图2为本发明实施例中波源扩散示意图；
图3为本发明实施例中澜沧江在黑河口处的涌浪传播示意图；
图4为本发明一种弯曲河道中滑坡涌浪衰减后的浪高计算装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明：
本发明在潘家铮浪高计算公式的基础上考虑河道弯曲对浪高的影响，提出了一种弯曲河道中滑坡涌浪衰减后的浪高计算方法，如图1所示，具体包括如下步骤：
步骤A、基于预设的涌浪传播条件，获得滑坡涌浪在弯曲河道中的扩散角和涌浪能量扩散方程。
如图2所示，波浪从波源A点发出，以其为中心向着上、下游及对岸方向扩散；从波的能量的角度去考虑的波的传播以及浪高变化，在水库蓄水时水的流速可以接近静止状态，即水速为0，因此在不考虑水的流速对波浪的影响的情况下，本发明认为波的能量是均匀向三个方向扩散的，即水库发生滑坡涌浪时，涌浪均匀地向上下游和对岸扩散传播。
当涌浪传播到河口时，由于涌浪扩散传播，所以其总能量也会发现分散，只有部分能量向着下游方向传播，进行影响下游方向的浪高。以主涌浪传播到弯曲河道的河口处的走向为轴线，分别测量主涌浪的传播方向与下游河流流向的夹角α、与上游河流流向的夹角β，即可获得滑坡涌浪在弯曲河道中的扩散角α和β，以图3中澜沧江在黑河口处的涌浪传播示意图为例，图中箭头所示为涌浪传播的方向。当涌浪由黑河传播到澜沧江中时，涌浪的能量会向澜沧江上游、对岸和下游三个方向发散，以澜沧江在黑河口处的走向为轴线，主涌浪的传播方向与下游河流流向的夹角为α，与上游河流流向的夹角为β，在河口处，上下游的河流流向约为直线，因此，α+β＝π＝180°，α范围内的波浪向下游传播，β范围内的涌浪向着对岸和上游传播。
基于能量守恒定律，获得涌浪能量扩散方程：
E总＝E+E' (5)
其中，E总表示主涌浪的能量，E表示涌浪进入弯曲河道后向下游传播的能量，即与扩散角α对应的波浪的能量，E'表示涌浪进入弯曲河道后向上游和对岸传播的能量，即与扩散角β对应的波浪的能量。
根据能量守恒定律还可以知道分散的能量与扩散角成正比，即E/E'＝α/β。
步骤B、根据扩散角和涌浪能量扩散方程计算涌浪进入弯曲河道后的折减系数。
步骤B01涌浪的能量主要由两部分组成：动能和势能。根据涌浪能量扩散方程、动能和势能的计算公式，可以获得涌浪进入弯曲河道后的浪高与扩散角的关系，具体操作如下：
(1)在弯曲河道的河口处，由于范围较小，可以认为波浪向上游和下游传播的速度相等，根据动能的计算公式可知，在速度相等的情况下，涌向下游的动能和涌向对岸及上游的动能分别与这两部分涌浪的质量(涌浪方量)成正比，而这两部分涌浪的流量与扩散角α、β成正比，因此可得：
Figure BDA0003031589850000061
其中，Ek表示涌浪能量分散后涌向下游的动能，Ek'表示涌浪能量分散后涌向对岸及上游的动能，m表示涌向下游的流量，m'表示涌向对岸及上游的流量。
(2)根据涌浪能量扩散方程和涌浪能量的组成可知：
Figure BDA0003031589850000071
其中，Ep表示涌浪能量分散后涌向下游的势能，EP′表示涌浪能量分散后涌向对岸及上游的势能。
对公式(7)进行整理可得：
Figure BDA0003031589850000072
(3)在已知涌向上下游的动能与扩散角α、β成正比的前提下，将公式(6)代入(8)可得：
Figure BDA0003031589850000073
根据势能的计算公式可知，涌浪的势能与涌浪高度成正比，因此，涌浪在河口处分散后涌向上下游的波浪的浪高与扩散角也成正比，即
Figure BDA0003031589850000074
其中，h表示涌浪进入弯曲河道后涌向下游的波浪的浪高，h'表示涌浪进入弯曲河道后涌向上游和对岸的波浪的浪高；
步骤B02、涌浪进入弯曲河道后的浪高主要指涌向下游的波浪的浪高，根据浪高与扩散角的关系，计算涌浪进入弯曲河道后涌向下游的波浪的浪高对应的折减系数：
Figure BDA0003031589850000075
其中，λ表示涌浪进入弯曲河道后的折减系数。
步骤C、根据折减系数计算涌浪进入弯曲河道后的浪高，具体计算公式如下：
Figure BDA0003031589850000076
其中，ξ表示河口交汇处的涌浪高度，可以通过潘家铮的涌浪传播模型计算得到。
本发明还提出了一种弯曲河道中滑坡涌浪衰减后的浪高计算装置，如图4所示，主要包括涌浪分析模块、涌浪衰减计算模块和浪高计算模块。涌浪分析模块主要用于基于预设的涌浪传播条件，获得滑坡涌浪在弯曲河道中的扩散角和涌浪能量扩散方程，预设的涌浪传播条件为：设水库蓄水时库内水的流速为0，水库发生滑坡涌浪时，涌浪均匀地向上下游和对岸扩散传播；获得扩散角和涌浪能量扩散方程的操作如本发明方法步骤A所示。涌浪衰减计算模块主要用于根据扩散角和涌浪能量扩散方程计算涌浪进入弯曲河道后的折减系数，涌浪衰减计算模块的具体操作与本发明方法的步骤B一致。浪高计算模块主要用于根据折减系数计算涌浪进入弯曲河道后的浪高，计算公式如公式(11)所示。
本发明还提出了一种弯曲河道中滑坡涌浪衰减后的浪高计算装置，包括处理器及存储介质；其中，存储介质用于存储指令；处理器用于根据所述指令进行操作以执行本发明浪高计算方法的步骤。
本发明还提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现本发明浪高计算方法的步骤。
与现有技术相比，本发明充分考虑了弯曲河道对涌浪传播量的影响，从波浪的能量角度分析河道弯曲后波浪衰减的规律，能够准确计算出涌浪进入弯曲河道后经过衰减的浪高，计算复杂度低、计算速度快。本发明简化了涌浪在河口分散后的浪高计算问题，在近似分析中具有简明的合理性，得到的浪高计算结果与实际相对一致，在简化计算过程的同时保证了计算结果的准确性，能够满足实际设计计算需求，能够为涌浪高度的计算提供定量评价依据。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种弯曲河道中滑坡涌浪衰减后的浪高计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
基于预设的涌浪传播条件，获得滑坡涌浪在弯曲河道中的扩散角和涌浪能量扩散方程；
根据扩散角和涌浪能量扩散方程计算涌浪进入弯曲河道后的折减系数；
根据折减系数计算涌浪进入弯曲河道后的浪高。
2.根据权利要求1所述的一种弯曲河道中滑坡涌浪衰减后的浪高计算方法，其特征在于，所述预设的涌浪传播条件为：
设水库蓄水时库内水的流速为0，水库发生滑坡涌浪时，涌浪均匀地向上下游和对岸扩散传播。
3.根据权利要求1所述的一种弯曲河道中滑坡涌浪衰减后的浪高计算方法，其特征在于，获得滑坡涌浪在弯曲河道中的扩散角和涌浪能量扩散方程的具体操作如下：
以主涌浪传播到弯曲河道的河口处的走向为轴线，分别测量主涌浪的传播方向与下游河流流向的夹角α、与上游河流流向的夹角β，获得滑坡涌浪在弯曲河道中的扩散角α和β；
基于能量守恒定律，获得涌浪能量扩散方程：
E总＝E+E'
其中，E总表示主涌浪的能量，E表示涌浪进入弯曲河道后向下游传播的能量，E'表示涌浪进入弯曲河道后向上游和对岸传播的能量，E/E'＝α/β。
4.根据权利要求1或3所述的一种弯曲河道中滑坡涌浪衰减后的浪高计算方法，其特征在于，根据涌浪能量扩散方程计算涌浪进入弯曲河道后的折减系数的具体操作如下：
将E和E'进一步划分为动能和势能，根据涌浪能量扩散方程、动能和势能的计算公式，获得涌浪进入弯曲河道后的浪高与扩散角的关系：
Figure FDA0003031589840000021
其中，h表示涌浪进入弯曲河道后涌向下游的波浪的浪高，h'表示涌浪进入弯曲河道后涌向上游和对岸的波浪的浪高；
根据浪高与扩散角的关系，计算涌浪进入弯曲河道后的折减系数：
Figure FDA0003031589840000022
其中，λ表示涌浪进入弯曲河道后的折减系数。
5.根据权利要求4所述的一种弯曲河道中滑坡涌浪衰减后的浪高计算方法，其特征在于，涌浪进入弯曲河道后的浪高的计算公式如下：
Figure FDA0003031589840000023
其中，ξ表示河口交汇处的涌浪高度。
6.一种弯曲河道中滑坡涌浪衰减后的浪高计算装置，其特征在于，包括：
涌浪分析模块，用于基于预设的涌浪传播条件，获得滑坡涌浪在弯曲河道中的扩散角和涌浪能量扩散方程；
涌浪衰减计算模块，用于根据扩散角和涌浪能量扩散方程计算涌浪进入弯曲河道后的折减系数；
浪高计算模块，用于根据折减系数计算涌浪进入弯曲河道后的浪高。
7.一种弯曲河道中滑坡涌浪衰减后的浪高计算装置，其特征在于，包括处理器及存储介质；
所述存储介质用于存储指令；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据权利要求1～5任一项所述方法的步骤。
8.计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求1～5任一项所述方法的步骤。
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