CN116861679A - 考虑坝前淤积体侵蚀的淤地坝溃坝过程计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了考虑坝前淤积体侵蚀的淤地坝溃坝过程计算方法。首先，通过入库洪水总量和淤地坝剩余库容来判断淤地坝的起溃时刻t’；然后，计算淤积面以上溃口发展过程，包括溃口横截面的扩展过程及溃口的溯源侵蚀过程；最后，当侵蚀至淤积面之后，结合溯源侵蚀距离与淤积面以上淤地坝坝坡水平投影距离的关系判断溃口发展的位置，利用溯源侵蚀速率得到溃口宽度的发展过程，进而估算溃坝所造成的坝前淤积体泥沙损失量。本发明考虑坝前淤积体侵蚀的淤地坝溃坝过程计算方法解决了现有的溃坝模型只考虑淤积面以上坝体溃口的扩展，不能完整的描述淤地坝溃决过程的问题。
Description
技术领域
本发明属于淤地坝溃坝过程模拟方法技术领域，具体涉及考虑坝前淤积体侵蚀的淤地坝溃坝过程计算方法。
背景技术
淤地坝是黄土高原特有的水土流失治理措施，在减少入黄泥沙，提高水土资源利用效率以及延缓沟岸扩张、稳固沟床等方面发挥着重要作用。淤地坝在发挥效益的同时，由于施工质量、运行管理、极端暴雨等原因，发生水损水毁的情况屡见不鲜。
淤地坝溃坝不仅直接威胁着流域下游人民群众的生命财产安全，而且存在较大的生态环境风险，甚至有人认为大暴雨事件会造成淤地坝已淤积耕地大面积损坏和垮塌而出现泥沙“零存整取”现象。目前关于淤地坝溃坝过程的模拟计算大多采用土石坝溃坝模型，缺少针对淤地坝溃决过程的计算方法。淤地坝与一般土石坝最重要的区别在于淤地坝的坝前通常被大量泥沙淤积，当坝体溃口扩展到淤积面时坝前淤积体也会受到溃坝洪水的侵蚀，此时淤积体的存在势必限制坝体溃口的发育过程。现有的溃坝模型一般简化认为可侵蚀的坝体只有淤积面以上的剩余坝体，溃坝模拟只需要考虑淤积面以上坝体溃口的扩展，这样的简化就使现有的溃坝模型不能完整的描述淤地坝溃决过程，因此建立考虑坝前淤积体侵蚀的淤地坝溃坝过程计算方法十分必要。
发明内容
本发明的目的是提供考虑坝前淤积体侵蚀的淤地坝溃坝过程计算方法，解决了现有的溃坝模型不能完整的描述淤地坝溃决过程的问题。
本发明所采用的技术方案为：考虑坝前淤积体侵蚀的淤地坝溃坝过程计算方法，首先，通过入库洪水总量和淤地坝剩余库容来判断淤地坝的起溃时刻t’；然后，计算淤积面以上溃口发展过程，包括溃口横截面的扩展过程及溃口的溯源侵蚀过程；最后，当侵蚀至淤积面之后，结合溯源侵蚀距离与淤积面以上淤地坝坝坡水平投影距离的关系判断溃口发展的位置，利用溯源侵蚀速率得到溃口宽度的发展过程，进而估算溃坝所造成的坝前淤积体泥沙损失量。
本发明所采用的技术方案的特点还在于：
考虑坝前淤积体侵蚀的淤地坝溃坝过程计算方法，具体按以下步骤实施：
步骤1、获取基础数据并设置初始溃口参数，基础数据包括筑坝材料力学参数、入库水文资料和坝体参数；
步骤2、根据步骤1获取的基础数据判断淤地坝的起溃时刻t’，当入库洪水总量大于淤地坝剩余库容时的时间点为起溃时刻t’；输入t’之后的入库洪水流量qin()；
步骤3、利用步骤1和2输入的参数计算淤积面以上溃口发展过程，得到溃口断面流量、溃口底高程及溃口宽度的变化过程；
步骤4、利用步骤3得到的溃口断面流量、溃口底高程及溃口宽度进行溯源侵蚀速率计算，得到溃口的溯源侵蚀过程；
步骤5、计算侵蚀至淤积面之后的溃口发展过程，根据不同的溃口发展阶段采用相应的公式进行计算，得到溯源侵蚀距离及溃口平面宽度的发展过程；
步骤6、坝前淤积体的泥沙损失量估算，依据终溃口的溯源侵蚀距离及平面宽度，估算坝前淤积体的泥沙损失体积。
步骤1中筑坝材料力学参数包括容重、粘聚力、内摩擦角、临界剪应力；入库水文资料包括随时间变化的入库洪水流量；坝体参数包括坝高、坝顶宽度、坝坡坡度、水位库容曲线、已淤库容、剩余库容。
步骤3具体按以下步骤实施：
步骤3.1、溃口断面流量计算
将溃口的横截面简化为梯形，模型中坝体溃口的断面流量采用公式(1)和(2)进行计算：
Q＝CB(H-z)3/2 (1)
式中：Q为溃口断面流量，C为综合流量系数，理论值为1.2m1/2/s，B为溃口宽度，H为坝内水深，z为溃口底部距坝底的高差，mb为侧收缩系数，mq为宽顶堰流量系数，g为重力加速度；
由水量平衡原理计算溃口断面流量Q，计算方法如式(3)所示：
式中：W为土坝库容，t为时间，qin为入库洪水流量；
步骤3.2、溃口底高程计算
溃口底高程下切深度Δz由公式(4)～(6)进行计算：
τn＝k(τ-τc) (5)
式中：为溃口垂向侵蚀速率，τn为扣除临界剪应力后的剪应力，当τn无限大时/>趋近于/>a、b为经验参数，其取值与土壤可蚀性有关，τ为水流剪应力，τc为临界剪切力，k为在τ范围内允许/>接近/>的单位变换因子，n为河道糙率，γ为水的重度，R为水力半径；
步骤3.3、溃口宽度计算
在侧向崩塌过程中坝体溃口的单侧横向展宽与溃口的下切量相等，溃口宽度B取溃口水面宽度，计算方法如式(7)所示：
式中：β为溃口边坡坡脚，h为水深，B0为初始溃口底宽，Bend为终溃口底宽，z0为溃口初始底高程，对于漫顶溃坝，可以设置z0为坝顶高程，zend为溃口发展的最低底高程，可以根据具体工况进行指定。
步骤4具体按以下步骤实施：
溃口的溯源侵蚀速率计算
从时刻t’开始，在计算溃口横截面形态变化的同时，进行溃口溯源侵蚀过程的计算，溯源过程中跌坎均由沟头顶点经垂直壁面直达沟床，跌坎沿逆水流方向移动的距离为溯源侵蚀距离Drt，溯源侵蚀速率计算方法如式(8)所示：
式中：Drt为溯源侵蚀距离，Ct为与土体材料特性相关的系数，q为单宽流量，Hhc为水流通过跌坎前后能级线的变化量，ΔDrt/Δt为溯源侵蚀速率。
步骤5具体按以下步骤实施：
步骤5.1，侵蚀至淤积面之后的溃口发展过程；
当z等于淤积面高程，结合溃口的实际形态，将溃口简化为水平投影为梯形的规则形态，简化为定值，取大于0的极小值，溃口的下游展宽Δb/Δt由公式(9)计算：
式中：Δb为溃口平面宽度的变化量，αc为与土体材料有关的比例系数；nloc表征溃口位置，即当溃口在坝体中间时nloc取2，当溃口在坝肩附近时nloc取1；
步骤5.2、当溯源距离Drt小于淤积面以上淤地坝坝坡的水平投影距离时，此时溃口宽度B取溃口水面宽度，计算方法如式(10)所示：
式中：Bh为溃口前缘宽度，取溃口底部与淤积面平齐时的溃口底宽，h为水深，β为溃口边坡坡脚；
步骤5.3、当Drt大于淤积面以上淤地坝坝坡的水平投影距离时，溃口的溯源侵蚀发展至坝地，此时溃口过水断面与折线堰及环形堰类似，为简化计算，溃口断面流量仍由公式(2)计算，溃口宽度B取坝地溃口过水断面周长，计算方法如式(11)所示：
B＝Bh+2Drtbtanθ (11)
式中：Drtb为坝地的溯源距离，θ为坝地内溯源溃口的侧边线与坝轴线法线的夹角。
步骤6具体按以下步骤实施：
淤积体泥沙损失量的计算由淤积面与坝体交线以下泥沙损失体积V1减去坝体泥沙损失体积V2得到，其中V1计算方法如式(12)所示：
式中：Bt为淤积面与坝体交线处的溃口宽度；
当坝地的溯源距离Drtb小于淤积面以下淤地坝坝坡的水平投影距离时，V2计算方法如式(13)和(14)所示：
Hb＝Drtb*tanα (14)
式中：Hb为沟头处坝坡以上的淤积深度，α为淤地坝上游坝坡坡脚；
当Drtb大于淤积面以下淤地坝坝坡的水平投影距离时，V2计算方法如式(15)～(17)所示：
Bpt＝Bh+2(Drtb-Dpt)tanθ (17)
式中：Dpt为淤积面以下淤地坝坝坡的水平投影距离，Bpt为淤地坝上游坡脚处的溃口宽度。
本发明的有益效果是：
本发明考虑坝前淤积体侵蚀的淤地坝溃坝过程计算方法，能够计算淤积面以上和侵蚀至淤积面之后的淤地坝坝体及坝前淤积体联合溃口发展过程，解决了现有的溃坝模型只考虑淤积面以上坝体溃口的扩展，不能完整的描述淤地坝溃决过程的问题。本发明方法考虑了在溃坝过程中坝体及坝前淤积体联合溃口横截面的扩展过程及溯源侵蚀过程，该方法能够反映不同洪水情景下，发生漫顶溃坝时，不同淤积深度的淤地坝，其坝体及坝前淤积体联合溃口的发展过程及由此产生的泥沙损失。本发明方法能够实现暴雨洪水情境下淤地坝漫顶溃决导致的泥沙损失量的预测，量化不同淤积条件下淤地坝漫顶溃决对溃坝洪水泥沙过程的影响，对于科学认识淤地坝溃决的致灾机理具有重要意义。
附图说明
图1是本发明考虑坝前淤积体侵蚀的淤地坝溃坝过程计算方法的实施流程图；
图2是本发明考虑坝前淤积体侵蚀的淤地坝溃坝过程计算方法的计算流程图；
图3是溃口平面示意图；
图4是坝体溃口侵蚀到淤积面高程但未到坝地溃口发展的剖面示意图；
图5是溃口侵蚀到坝地的剖面示意图；
图6是100年一遇暴雨洪水条件下，坝前泥沙淤积至90％坝高工况的康河沟3#淤地坝的溃坝洪水流量、坝体溃口、坝地侵蚀距离及坝地泥沙损失量随时间的变化过程。
图7是100年一遇暴雨洪水条件下，坝前泥沙淤积至80％坝高工况的康河沟3#淤地坝的溃坝洪水流量、坝体溃口、坝地侵蚀距离及坝地泥沙损失量随时间的变化过程。
图8是50年一遇暴雨洪水条件下，坝前泥沙淤积至70％坝高工况的康河沟3#淤地坝的溃坝洪水流量、坝体溃口、坝地侵蚀距离及坝地泥沙损失量随时间的变化过程。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明考虑坝前淤积体侵蚀的淤地坝溃坝过程计算方法，首先，通过入库洪水总量和淤地坝剩余库容来判断淤地坝的起溃时刻t’；然后，计算淤积面以上溃口发展过程，包括溃口横截面的扩展过程及溃口的溯源侵蚀过程；最后，当侵蚀至淤积面之后，结合溯源侵蚀距离与淤积面以上淤地坝坝坡水平投影距离的关系判断溃口发展的位置，利用溯源侵蚀速率得到溃口宽度的发展过程，进而估算溃坝所造成的坝前淤积体泥沙损失量。
如图1和图2所示，具体按以下步骤实施：
步骤1、获取基础数据并设置初始溃口参数；基础数据包括筑坝材料力学参数：容重、粘聚力、内摩擦角、临界剪应力；入库水文资料：随时间变化的入库洪水流量；坝体参数：坝高、坝顶宽度、坝坡坡度、水位库容曲线、已淤库容、剩余库容；
步骤2、判断淤地坝的起溃时刻t’；当入库洪水总量大于淤地坝剩余库容时的时间点为起溃时刻t’；输入t’之后的入库洪水流量qin(t)；
步骤3、利用步骤1和2输入的参数计算淤积面以上溃口发展过程，得到溃口断面流量、溃口底高程及溃口宽度的变化过程；
步骤3.1、溃口断面流量计算
将溃口的横截面简化为梯形，模型中坝体溃口的断面流量采用公式(1)和(2)进行计算：
Q＝CB(H-z)3/2 (1)
式中：Q为溃口断面流量，C为综合流量系数，理论值为1.2m1/2/s，B为溃口宽度，H为坝内水深，z为溃口底部距坝底的高差，mb为侧收缩系数，mq为宽顶堰流量系数，g为重力加速度；
由水量平衡原理计算溃口断面流量Q，计算方法如式(3)所示：
式中：W为土坝库容，t为时间，qin为入库洪水流量；
步骤3.2、溃口底高程计算
溃口底高程下切深度Δz由公式(4)和(5)进行计算：
τn＝k(τ-τc) (5)
式中：为溃口垂向侵蚀速率，τn为扣除临界剪应力后的剪应力，当τn无限大时/>趋近于/> a、b为经验参数，其取值与土壤可蚀性有关，τ为水流剪应力，τc为临界剪切力，k为在τ范围内允许/>接近/>的单位变换因子，n为河道糙率，γ为水的重度，R为水力半径；
步骤3.3、溃口宽度计算
在侧向崩塌过程中坝体溃口的单侧横向展宽与溃口的下切量相等，溃口宽度B取溃口水面宽度，计算方法如式(7)所示：
式中：β为溃口边坡坡脚，h为水深，B0为初始溃口底宽，Bend为终溃口底宽，z0为溃口初始底高程，对于漫顶溃坝，可以设置z0为坝顶高程，zend为溃口发展的最低底高程，可以根据具体工况进行指定；
步骤4、利用步骤3得到的溃口断面流量、溃口底高程及溃口宽度进行溯源侵蚀速率计算，得到溃口的溯源侵蚀过程；
具体按以下步骤实施：
从时刻t’开始，在计算溃口横截面形态变化的同时，进行溃口溯源侵蚀过程的计算，溯源过程中跌坎均由沟头顶点经垂直壁面直达沟床，跌坎沿逆水流方向移动的距离为溯源侵蚀距离Drt，溯源侵蚀速率(ΔDrt/Δt)计算方法如式(8)所示：
式中：Drt为溯源侵蚀距离，Ct为与土体材料特性相关的系数，q为单宽流量，Hhc为水流通过跌坎前后能级线的变化量；
步骤5、计算侵蚀至淤积面之后的溃口发展过程，根据不同的溃口发展阶段采用相应的公式进行计算，得到溯源侵蚀距离及溃口平面宽度的发展过程；
步骤5.1、侵蚀至淤积面之后的溃口发展过程；当z等于淤积面高程，结合溃口的实际形态，将溃口简化为水平投影为梯形的规则形态，如图3所示，简化为定值，取大于0的极小值，溃口的下游展宽Δb/Δt由公式(9)计算：
式中：Δb为溃口平面宽度的变化量，αc为与土体材料有关的比例系数；nloc表征溃口位置，即当溃口在坝体中间时nloc取2，当溃口在坝肩附近时nloc取1；
步骤5.2、当溯源距离Drt小于淤积面以上淤地坝坝坡的水平投影距离时，如图4所示，图中虚线表示已侵蚀部分，点划线表示被淤积体掩埋的坝体，此时溃口宽度B取溃口水面宽度，计算方法如式(10)所示：
式中：Bh为溃口前缘宽度，取溃口底部与淤积面平齐时的溃口底宽，h为水深，β为溃口边坡坡脚；
步骤5.3，当Drt大于淤积面以上淤地坝坝坡的水平投影距离时，溃口的溯源侵蚀发展至坝地，如图5所示，图中虚线表示已侵蚀部分，点划线表示被淤积体掩埋的坝体，此时溃口过水断面与折线堰及环形堰类似，如图2中折线ABCD所示，为简化计算，溃口断面流量仍由公式(2)计算，溃口宽度B取坝地溃口过水断面周长，即折线ABCD总长，计算方法如式(11)所示：
B＝Bh+2Drtbtanθ (11)
式中：Drtb为坝地的溯源距离，θ为坝地内溯源溃口的侧边线与坝轴线法线的夹角。
步骤6，坝前淤积体的泥沙损失量估算，依据终溃口的溯源侵蚀距离及平面宽度，估算坝前淤积体的泥沙损失体积；淤积体泥沙损失量的计算由淤积面与坝体交线以下泥沙损失体积V1减去坝体泥沙损失体积V2得到。具体按以下步骤实施：
淤积体泥沙损失量的计算由淤积面与坝体交线以下泥沙损失体积V1减去坝体泥沙损失体积V2得到，其中V1计算方法如式(12)所示：
式中：Bt为淤积面与坝体交线处的溃口宽度，Drtb为坝地的溯源距离，Hhc为水流通过跌坎前后能级线的变化量；
当坝地的溯源距离Drtb小于淤积面以下淤地坝坝坡的水平投影距离时，V2计算方法如式(13)和(14)所示：
Hb＝Drtb*tanα (14)
式中：Hb为沟头处坝坡以上的淤积深度，α为淤地坝上游坝坡坡脚；
当Drtb大于淤积面以下淤地坝坝坡的水平投影距离时，V2计算方法如式(15)～(17)所示：
Bpt＝Bh+2(Drtb-Dpt)tanθ (17)
式中：Dpt为淤积面以下淤地坝坝坡的水平投影距离，Bpt为淤地坝上游坡脚处的溃口宽度。
实施例1
以坝前泥沙淤积至90％坝高工况的王茂沟流域康河沟3#坝，在100年一遇设计暴雨条件下的溃决过程计算为例，技术流程图如图1所示，具体按照以下步骤实施：
步骤1，获取基础数据并设置初始溃口参数：获取康河沟3#坝筑坝材料的容重、粘聚力、内摩擦角、临界剪应力等力学参数；100年一遇设计暴雨洪水条件下随时间变化的入库洪水流量，如图6中a部分所示；康河沟3#坝的坝高、坝顶宽度、坝坡坡度、水位库容曲线等坝体参数，坝前泥沙淤积高程设为坝高的90％，由水位库容曲线可得到已淤库容和剩余库容；
步骤2、根据步骤1获取的基础数据判断康河沟3#淤地坝的起溃时刻t’；输入t’之后的入库洪水流量qin(t)；
步骤3、利用步骤1和2输入的参数计算康和沟3#坝淤积面以上溃口发展过程，具体实施如下；
步骤3.1、溃口断面流量计算
将康和沟3#坝溃口的横截面简化为梯形，模型中坝体溃口的断面流量采用公式(1)和(2)进行计算：
Q＝CB(H-z)3/2 (1)
式中：Q为溃口断面流量，C为综合流量系数，B为溃口宽度，H为坝内水深，z为溃口底部距坝底的高差，mb为侧收缩系数，mq为宽顶堰流量系数，g为重力加速度；
由水量平衡原理计算溃口断面流量Q，计算方法如式(3)所示：
式中：W为康和沟3#坝的库容，t为时间，qin为入库洪水流量；
步骤3.2、溃口底高程计算
溃口底高程下切深度Δz由公式(4)～(6)进行计算：
τn＝k(τ-τc) (5)
式中：为溃口垂向侵蚀速率，τn为扣除临界剪应力后的剪应力，a、b为经验参数，其取值与土壤可蚀性有关，a取0.2，b取0.0003，τ为水流剪应力，τc为临界剪切力，将式(6)中流速V替换为临界起动流速Vc即可求得，其中Vc由试验确定，取0.01m/s，k为单位变换因子，取值100，n为河道糙率，取0.025，γ为水的重度，R为水力半径；
步骤3.3、溃口宽度计算
在侧向崩塌过程中坝体溃口的单侧横向展宽与溃口的下切量相等，溃口宽度B取溃口水面宽度，计算方法如式(7)所示：
式中：β为溃口边坡坡脚，h为水深，B0为初始溃口底宽，取2.7m，Bend为终溃口底宽，z0为溃口初始底高程，康河沟3#坝为漫顶溃坝，设置z0为坝顶高程，即15.5m，zend为溃口发展的最低底高程，设为坝前淤积高程，即14.6m。
步骤4、具体实施如下：
从时刻t’开始，在计算溃口横截面形态变化的同时，进行溃口溯源侵蚀过程的计算，溯源过程中跌坎均由沟头顶点经垂直壁面直达沟床，跌坎沿逆水流方向移动的距离为溯源侵蚀距离Drt，溯源侵蚀速率(ΔDrt/Δt)计算方法如式(8)所示：
式中：Drt为溯源侵蚀距离，Ct为与土体材料特性相关的系数，取0.00086，q为单宽流量，Hhc为水流通过跌坎前后能级线的变化量。
步骤5、具体实施如下：
步骤5.1，侵蚀至淤积面之后的溃口发展过程；
当z等于淤积面高程，结合溃口的实际形态，将溃口简化为水平投影为梯形的规则形态，简化为定值1*10-7，溃口的下游展宽Δb/Δt由公式(9)计算：
式中：Δb为溃口平面宽度的变化量，αc为与土体材料有关的比例系数，取0.029，nloc表征溃口位置，取2；
步骤5.2、当溯源距离Drt小于淤积面以上淤地坝坝坡的水平投影距离时，此时溃口宽度B取溃口水面宽度，计算方法如式(10)所示：
式中：Bh为溃口前缘宽度，取溃口底部与淤积面平齐时的溃口底宽，h为水深，β为溃口边坡坡脚；
步骤5.3、当Drt大于淤积面以上淤地坝坝坡的水平投影距离时，溃口的溯源侵蚀发展至坝地，此时溃口过水断面与折线堰及环形堰类似，为简化计算，溃口断面流量仍由公式(2)计算，溃口宽度B取坝地溃口过水断面周长，计算方法如式(11)所示：
B＝Bh+2Drtbtanθ (11)
式中：Drtb为坝地的溯源距离，θ为坝地内溯源溃口的侧边线与坝轴线法线的夹角。
步骤6、具体实施如下：
淤积体泥沙损失量的计算由淤积面与坝体交线以下泥沙损失体积V1减去坝体泥沙损失体积V2得到，其中V1计算方法如式(12)所示：
式中：Bt为淤积面与坝体交线处的溃口宽度；
当坝地的溯源距离Drtb小于淤积面以下淤地坝坝坡的水平投影距离时，V2计算方法如式(13)和(14)所示：
Hb＝Drtb*tanα (14)
式中：Hb为沟头处坝坡以上的淤积深度，α为康河沟3#坝上游坝坡坡脚，约33.7°；
当Drtb大于淤积面以下淤地坝坝坡的水平投影距离时，V2计算方法如式(15)～(17)所示：
Bpt＝Bh+2(Drtb-Dpt)tanθ (17)
式中：Dpt为淤积面以下淤地坝坝坡的水平投影距离，Bpt为淤地坝上游坡脚处的溃口宽度。
溃口流量过程、溃口宽度变化、坝地侵蚀距离变化及泥沙损失量变化，如图6所示。
实施例2
以坝前泥沙淤积至80％坝高工况的王茂沟流域康河沟3#坝，在100年一遇设计暴雨条件下的溃决过程计算为例，技术流程图如图1所示，具体按照以下步骤实施：
步骤1，获取基础数据并设置初始溃口参数：获取康河沟3#坝筑坝材料的容重、粘聚力、内摩擦角、临界剪应力等力学参数；100年一遇设计暴雨洪水条件下随时间变化的入库洪水流量，如图7中a部分所示；康河沟3#坝的坝高、坝顶宽度、坝坡坡度、水位库容曲线等坝体参数，坝前泥沙淤积高程设为坝高的80％，由水位库容曲线可得到已淤库容和剩余库容；
步骤2、根据步骤1获取的基础数据判断康河沟3#淤地坝的起溃时刻t’；输入t’之后的入库洪水流量qin(t)；
步骤3、利用步骤1和2输入的参数计算康和沟3#坝淤积面以上溃口发展过程，具体实施如下；
步骤3.1、溃口断面流量计算
将康和沟3#坝溃口的横截面简化为梯形，模型中坝体溃口的断面流量采用公式(1)和(2)进行计算：
Q＝CB(H-z)3/2 (1)
式中：Q为溃口断面流量，C为综合流量系数，B为溃口宽度，H为坝内水深，z为溃口底部距坝底的高差，mb为侧收缩系数，mq为宽顶堰流量系数，g为重力加速度；
由水量平衡原理计算溃口断面流量Q，计算方法如式(3)所示：
式中：W为康和沟3#坝的库容，t为时间，qin为入库洪水流量；
步骤3.2、溃口底高程计算
溃口底高程下切深度Δz由公式(4)～(6)进行计算：
τn＝k(τ-τc) (5)
式中：为溃口垂向侵蚀速率，τn为扣除临界剪应力后的剪应力，a、b为经验参数，其取值与土壤可蚀性有关，a取0.2，b取0.0003，τ为水流剪应力，τc为临界剪切力，将式(6)中流速V替换为临界起动流速Vc即可求得，其中Vc由试验确定，取0.01m/s，k为单位变换因子，取值100，n为河道糙率，取0.025，γ为水的重度，R为水力半径；
步骤3.3、溃口宽度计算
在侧向崩塌过程中坝体溃口的单侧横向展宽与溃口的下切量相等，溃口宽度B取溃口水面宽度，计算方法如式(7)所示：
式中：β为溃口边坡坡脚，h为水深，B0为初始溃口底宽，取2.7m，Bend为终溃口底宽，z0为溃口初始底高程，康河沟3#坝为漫顶溃坝，设置z0为坝顶高程，即15.5m，zend为溃口发展的最低底高程，设为坝前淤积高程，即13.7m。
步骤4、具体实施如下：
从时刻t’开始，在计算溃口横截面形态变化的同时，进行溃口溯源侵蚀过程的计算，溯源过程中跌坎均由沟头顶点经垂直壁面直达沟床，跌坎沿逆水流方向移动的距离为溯源侵蚀距离Drt，溯源侵蚀速率(ΔDrt/Δt)计算方法如式(8)所示：
式中：Drt为溯源侵蚀距离，Ct为与土体材料特性相关的系数，取0.00086，q为单宽流量，Hhc为水流通过跌坎前后能级线的变化量。
步骤5、具体实施如下：
步骤5.1，侵蚀至淤积面之后的溃口发展过程；
当z等于淤积面高程，结合溃口的实际形态，将溃口简化为水平投影为梯形的规则形态，简化为定值1*10-7，溃口的下游展宽Δb/Δt由公式(9)计算：
式中：Δb为溃口平面宽度的变化量，αc为与土体材料有关的比例系数，取0.029，nloc表征溃口位置，取2；
步骤5.2、当溯源距离Drt小于淤积面以上淤地坝坝坡的水平投影距离时，此时溃口宽度B取溃口水面宽度，计算方法如式(10)所示：
式中：Bh为溃口前缘宽度，取溃口底部与淤积面平齐时的溃口底宽，h为水深，β为溃口边坡坡脚；
步骤5.3、当Drt大于淤积面以上淤地坝坝坡的水平投影距离时，溃口的溯源侵蚀发展至坝地，此时溃口过水断面与折线堰及环形堰类似，为简化计算，溃口断面流量仍由公式(2)计算，溃口宽度B取坝地溃口过水断面周长，计算方法如式(11)所示：
B＝Bh+2Drtbtanθ (11)
式中：Drtb为坝地的溯源距离，θ为坝地内溯源溃口的侧边线与坝轴线法线的夹角。
步骤6、具体实施如下：
淤积体泥沙损失量的计算由淤积面与坝体交线以下泥沙损失体积V1减去坝体泥沙损失体积V2得到，其中V1计算方法如式(12)所示：
式中：Bt为淤积面与坝体交线处的溃口宽度；
当坝地的溯源距离Drtb小于淤积面以下淤地坝坝坡的水平投影距离时，V2计算方法如式(13)和(14)所示：
Hb＝Drtb*tanα (14)
式中：Hb为沟头处坝坡以上的淤积深度，α为康河沟3#坝上游坝坡坡脚，约33.7°；
当Drtb大于淤积面以下淤地坝坝坡的水平投影距离时，V2计算方法如式(15)～(17)所示：
Bpt＝Bh+2(Drtb-Dpt)tanθ (17)
式中：Dpt为淤积面以下淤地坝坝坡的水平投影距离，Bpt为淤地坝上游坡脚处的溃口宽度。
溃口流量过程、溃口宽度变化、坝地侵蚀距离变化及泥沙损失量变化，如图7所示。
实施例3
以坝前泥沙淤积至70％坝高工况的王茂沟流域康河沟3#坝，在50年一遇设计暴雨条件下的溃决过程计算为例，技术流程图如图1所示，具体按照以下步骤实施：
步骤1，获取基础数据并设置初始溃口参数：获取康河沟3#坝筑坝材料的容重、粘聚力、内摩擦角、临界剪应力等力学参数；50年一遇设计暴雨洪水条件下随时间变化的入库洪水流量，如图8中a部分所示；康河沟3#坝的坝高、坝顶宽度、坝坡坡度、水位库容曲线等坝体参数，坝前泥沙淤积高程设为坝高的70％，由水位库容曲线可得到已淤库容和剩余库容；
步骤2、根据步骤1获取的基础数据判断康河沟3#淤地坝的起溃时刻t’；输入t’之后的入库洪水流量qin(t)；
步骤3、利用步骤1和2输入的参数计算康和沟3#坝淤积面以上溃口发展过程，具体实施如下；
步骤3.1、溃口断面流量计算
将康和沟3#坝溃口的横截面简化为梯形，模型中坝体溃口的断面流量采用公式(1)和(2)进行计算：
Q＝CB(H-z)3/2 (1)
式中：Q为溃口断面流量，C为综合流量系数，B为溃口宽度，H为坝内水深，z为溃口底部距坝底的高差，mb为侧收缩系数，mq为宽顶堰流量系数，g为重力加速度；
由水量平衡原理计算溃口断面流量Q，计算方法如式(3)所示：
式中：W为康和沟3#坝的库容，t为时间，qin为入库洪水流量；
步骤3.2、溃口底高程计算
溃口底高程下切深度Δz由公式(4)～(6)进行计算：
τb＝k(τ-τc) (5)
式中：为溃口垂向侵蚀速率，τn为扣除临界剪应力后的剪应力，a、b为经验参数，其取值与土壤可蚀性有关，a取0.2，b取0.0003，τ为水流剪应力，τc为临界剪切力，将式(6)中流速V替换为临界起动流速Vc即可求得，其中Vc由试验确定，取0.01m/s，k为单位变换因子，取值100，n为河道糙率，取0.025，γ为水的重度，R为水力半径；
步骤3.3、溃口宽度计算
在侧向崩塌过程中坝体溃口的单侧横向展宽与溃口的下切量相等，溃口宽度B取溃口水面宽度，计算方法如式(7)所示：
式中：β为溃口边坡坡脚，h为水深，B0为初始溃口底宽，取2.7m，Bend为终溃口底宽，z0为溃口初始底高程，康河沟3#坝为漫顶溃坝，设置z0为坝顶高程，即15.5m，zend为溃口发展的最低底高程，设为坝前淤积高程，即12.6m。
步骤4、具体实施如下：
从时刻t’开始，在计算溃口横截面形态变化的同时，进行溃口溯源侵蚀过程的计算，溯源过程中跌坎均由沟头顶点经垂直壁面直达沟床，跌坎沿逆水流方向移动的距离为溯源侵蚀距离Drt，溯源侵蚀速率(ΔDrt/Δt)计算方法如式(8)所示：
式中：Drt为溯源侵蚀距离，Ct为与土体材料特性相关的系数，取0.00086，q为单宽流量，Hhc为水流通过跌坎前后能级线的变化量。
步骤5、具体实施如下：
步骤5.1，侵蚀至淤积面之后的溃口发展过程；
当z等于淤积面高程，结合溃口的实际形态，将溃口简化为水平投影为梯形的规则形态，简化为定值1*10-7，溃口的下游展宽Δb/Δt由公式(9)计算：
式中：Δb为溃口平面宽度的变化量，αc为与土体材料有关的比例系数，取0.029，nloc表征溃口位置，取2；
步骤5.2、当溯源距离Drt小于淤积面以上淤地坝坝坡的水平投影距离时，此时溃口宽度B取溃口水面宽度，计算方法如式(10)所示：
式中：Bh为溃口前缘宽度，取溃口底部与淤积面平齐时的溃口底宽，h为水深，β为溃口边坡坡脚；
步骤5.3、当Drt大于淤积面以上淤地坝坝坡的水平投影距离时，溃口的溯源侵蚀发展至坝地，此时溃口过水断面与折线堰及环形堰类似，为简化计算，溃口断面流量仍由公式(2)计算，溃口宽度B取坝地溃口过水断面周长，计算方法如式(11)所示：
B＝Bh+2Drtbtanθ (11)
式中：Drtb为坝地的溯源距离，θ为坝地内溯源溃口的侧边线与坝轴线法线的夹角。
步骤6、具体实施如下：
淤积体泥沙损失量的计算由淤积面与坝体交线以下泥沙损失体积V1减去坝体泥沙损失体积V2得到，其中V1计算方法如式(12)所示：
式中：Bt为淤积面与坝体交线处的溃口宽度；
当坝地的溯源距离Drtb小于淤积面以下淤地坝坝坡的水平投影距离时，V2计算方法如式(13)和(14)所示：
Hb＝Drtb*tanα (14)
式中：Hb为沟头处坝坡以上的淤积深度，α为康河沟3#坝上游坝坡坡脚，约33.7°；
当Drtb大于淤积面以下淤地坝坝坡的水平投影距离时，V2计算方法如式(15)～(17)所示：
/>
Bpt＝Bh+2(Drtb-Dpt)tanθ (17)
式中：Dpt为淤积面以下淤地坝坝坡的水平投影距离，Bpt为淤地坝上游坡脚处的溃口宽度。
溃口流量过程、溃口宽度变化、坝地侵蚀距离变化及泥沙损失量变化，如图8所示。
本发明考虑坝前淤积体侵蚀的淤地坝溃坝过程计算方法，考虑了在溃坝过程中坝体及坝前淤积体联合溃口横截面的扩展过程及溯源侵蚀过程，反映了不同洪水情景下，发生漫顶溃坝时，不同淤积深度的淤地坝，其坝体及坝前淤积体联合溃口的发展过程及由此产生的泥沙损失。本发明方法能够实现暴雨洪水情境下淤地坝漫顶溃决导致的泥沙损失量的预测，量化不同淤积条件下淤地坝漫顶溃决对溃坝洪水泥沙过程的影响，对于科学认识淤地坝溃决的致灾机理具有重要意义。
Claims (7)
1.考虑坝前淤积体侵蚀的淤地坝溃坝过程计算方法，其特征在于，首先，通过入库洪水总量和淤地坝剩余库容来判断淤地坝的起溃时刻t’；然后，计算淤积面以上溃口发展过程，包括溃口横截面的扩展过程及溃口的溯源侵蚀过程；最后，当侵蚀至淤积面之后，结合溯源侵蚀距离与淤积面以上淤地坝坝坡水平投影距离的关系判断溃口发展的位置，利用溯源侵蚀速率得到溃口宽度的发展过程，进而估算溃坝所造成的坝前淤积体泥沙损失量。
2.根据权利要求1所述的考虑坝前淤积体侵蚀的淤地坝溃坝过程计算方法，其特征在于，具体按以下步骤实施：
步骤1、获取基础数据并设置初始溃口参数，所述基础数据包括筑坝材料力学参数、入库水文资料和坝体参数；
步骤2、根据步骤1获取的基础数据判断淤地坝的起溃时刻t’，当入库洪水总量大于淤地坝剩余库容时的时间点为起溃时刻t’；输入t’之后的入库洪水流量qin()；
步骤3、利用步骤1和2输入的参数计算淤积面以上溃口发展过程，得到溃口断面流量、溃口底高程及溃口宽度的变化过程；
步骤4、利用步骤3得到的溃口断面流量、溃口底高程及溃口宽度进行溯源侵蚀速率计算，得到溃口的溯源侵蚀过程；
步骤5、计算侵蚀至淤积面之后的溃口发展过程，根据不同的溃口发展阶段采用相应的公式进行计算，得到溯源侵蚀距离及溃口平面宽度的发展过程；
步骤6、坝前淤积体的泥沙损失量估算，依据终溃口的溯源侵蚀距离及平面宽度，估算坝前淤积体的泥沙损失体积。
3.根据权利要求2所述的考虑坝前淤积体侵蚀的淤地坝溃坝过程计算方法，其特征在于，步骤1中所述筑坝材料力学参数包括容重、粘聚力、内摩擦角、临界剪应力；入库水文资料包括随时间变化的入库洪水流量；坝体参数包括坝高、坝顶宽度、坝坡坡度、水位库容曲线、已淤库容、剩余库容。
4.根据权利要求2所述的考虑坝前淤积体侵蚀的淤地坝溃坝过程计算方法，其特征在于，所述步骤3具体按以下步骤实施：
步骤3.1、溃口断面流量计算
将溃口的横截面简化为梯形，模型中坝体溃口的断面流量采用公式(1)和(2)进行计算：
Q＝CB(H-z)3/2 (1)
式中：Q为溃口断面流量，C为综合流量系数，理论值为1.2m1/2/s，B为溃口宽度，H为坝内水深，z为溃口底部距坝底的高差，mb为侧收缩系数，mq为宽顶堰流量系数，g为重力加速度；
由水量平衡原理计算溃口断面流量Q，计算方法如式(3)所示：
式中：W为土坝库容，t为时间，qin为入库洪水流量；
步骤3.2、溃口底高程计算
溃口底高程下切深度Δz由公式(4)～(6)进行计算：
τn＝k(τ-τc) (5)
式中：为溃口垂向侵蚀速率，τn为扣除临界剪应力后的剪应力，当τn无限大时/>趋近于 a、b为经验参数，其取值与土壤可蚀性有关，τ为水流剪应力，τc为临界剪切力，k为在τ范围内允许/>接近/>的单位变换因子，n为河道糙率，γ为水的重度，R为水力半径；
步骤3.3、溃口宽度计算
在侧向崩塌过程中坝体溃口的单侧横向展宽与溃口的下切量相等，溃口宽度B取溃口水面宽度，计算方法如式(7)所示：
式中：β为溃口边坡坡脚，h为水深，B0为初始溃口底宽，Bend为终溃口底宽，z0为溃口初始底高程，对于漫顶溃坝，可以设置z0为坝顶高程，zend为溃口发展的最低底高程，可以根据具体工况进行指定。
5.根据权利要求2所述的考虑坝前淤积体侵蚀的淤地坝溃坝过程计算方法，其特征在于，所述步骤4具体按以下步骤实施：
溃口的溯源侵蚀速率计算
从时刻t’开始，在计算溃口横截面形态变化的同时，进行溃口溯源侵蚀过程的计算，溯源过程中跌坎均由沟头顶点经垂直壁面直达沟床，跌坎沿逆水流方向移动的距离为溯源侵蚀距离Drt，溯源侵蚀速率计算方法如式(8)所示：
式中：Drt为溯源侵蚀距离，Ct为与土体材料特性相关的系数，q为单宽流量，Hhc为水流通过跌坎前后能级线的变化量，ΔDrt/Δt为溯源侵蚀速率。
6.根据权利要求2所述的考虑坝前淤积体侵蚀的淤地坝溃坝过程计算方法，其特征在于，所述步骤5具体按以下步骤实施：
步骤5.1，侵蚀至淤积面之后的溃口发展过程；
当z等于淤积面高程，结合溃口的实际形态，将溃口简化为水平投影为梯形的规则形态，简化为定值，取大于0的极小值，溃口的下游展宽Δb/Δt由公式(9)计算：
式中：Δb为溃口平面宽度的变化量，αc为与土体材料有关的比例系数；nloc表征溃口位置，即当溃口在坝体中间时nloc取2，当溃口在坝肩附近时nloc取1；
步骤5.2、当溯源距离Drt小于淤积面以上淤地坝坝坡的水平投影距离时，此时溃口宽度B取溃口水面宽度，计算方法如式(10)所示：
式中：Bh为溃口前缘宽度，取溃口底部与淤积面平齐时的溃口底宽，h为水深，β为溃口边坡坡脚；
步骤5.3、当Drt大于淤积面以上淤地坝坝坡的水平投影距离时，溃口的溯源侵蚀发展至坝地，此时溃口过水断面与折线堰及环形堰类似，为简化计算，溃口断面流量仍由公式(2)计算，溃口宽度B取坝地溃口过水断面周长，计算方法如式(11)所示：
B＝Bh+2Drtbtanθ (11)
式中：Drtb为坝地的溯源距离，θ为坝地内溯源溃口的侧边线与坝轴线法线的夹角。
7.根据权利要求2所述的考虑坝前淤积体侵蚀的淤地坝溃坝过程计算方法，其特征在于，所述步骤6具体按以下步骤实施：
淤积体泥沙损失量的计算由淤积面与坝体交线以下泥沙损失体积V1减去坝体泥沙损失体积V2得到，其中V1计算方法如式(12)所示：
式中：Bt为淤积面与坝体交线处的溃口宽度；
当坝地的溯源距离Drtb小于淤积面以下淤地坝坝坡的水平投影距离时，V2计算方法如式(13)和(14)所示：
Hb＝Drtb*tanα (14)
式中：Hb为沟头处坝坡以上的淤积深度，α为淤地坝上游坝坡坡脚；
当Drtb大于淤积面以下淤地坝坝坡的水平投影距离时，V2计算方法如式(15)～(17)所示：
Bpt＝Bh+2(Drtb-Dpt)tanθ (17)
式中：Dpt为淤积面以下淤地坝坝坡的水平投影距离，Bpt为淤地坝上游坡脚处的溃口宽度。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN117494478A (zh) * | 2023-12-29 | 2024-02-02 | 水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院 | 一种模拟心墙坝漫顶溃坝流量及溃口演化过程的计算方法 |
| CN117828907A (zh) * | 2024-03-06 | 2024-04-05 | 水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院 | 一种用于均质坝的溃坝数学模型及参数确定方法 |
-
2023
- 2023-07-12 CN CN202310850460.2A patent/CN116861679A/zh active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117494478A (zh) * | 2023-12-29 | 2024-02-02 | 水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院 | 一种模拟心墙坝漫顶溃坝流量及溃口演化过程的计算方法 |
| CN117494478B (zh) * | 2023-12-29 | 2024-03-08 | 水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院 | 一种模拟心墙坝漫顶溃坝流量及溃口演化过程的计算方法 |
| CN117828907A (zh) * | 2024-03-06 | 2024-04-05 | 水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院 | 一种用于均质坝的溃坝数学模型及参数确定方法 |
| CN117828907B (zh) * | 2024-03-06 | 2024-05-14 | 水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院 | 一种用于均质坝的溃坝数学模型及参数确定方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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