CN117291061B - 一种变动水流环境下的堤防安全稳定分析及预警方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种变动水流环境下的堤防安全稳定分析及预警方法，属于水利水电工程技术领域，本发明是通过最不利典型断面在不同水位骤降落差工况下的抗滑稳定计算结果，拟合堤防临水坡抗滑稳定系数K与堤前洪水位消落幅度△h关系曲线及相关关系式，通过相关关系式求解得到堤防失稳破坏临界骤降水位落差△h临，并结合水文预报或水位观测成果进行堤防稳定安全实时预警，指导堤防运管及河道上游闸坝等水工程运行调度。
Description
技术领域
本发明涉及一种变动水流环境下的堤防安全稳定分析及预警方法，属于水利水电工程技术领域。
背景技术
堤防工程安全稳定是堤防工程设计和运行管理必须重点关注的核心问题之一，《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）第9.2章节明确规定：堤防工程设计应根据不同堤段的防洪任务、工程级别、地形地质条件，结合堤身的结构形式、高度和填筑材料等因素，选择有代表性的断面进行抗滑稳定计算；堤防抗滑稳定计算可分为正常运用条件和非常运用条件，计算内容包括设计洪水位下的背水侧堤坡抗滑稳定、设计洪水位骤降期的临水侧堤坡抗滑稳定以及施工期和遭遇地震期的抗滑稳定。
通常，设计单位是基于开展设计工作当时的地形地质条件以及当时的河道情况推算的设计洪水水文过程进行堤防设计和抗滑稳定计算分析，对于复杂演变河道，设计之初往往无法精准预判工程所在河段未来河道演变和河势变化，因此，也就无法在设计阶段即充分考虑并预判变化水流条件对堤防安全稳定的影响，堤防工程初始设计如此，堤防除险加固工程设计亦是如此，从而导致河道演变剧烈、河势变动频繁河段堤防工程失稳破坏现象时有发生。
现有堤防工程设计是基于开展设计工作当时的地形地质条件以及当时的河道情况推算的设计洪水水文过程进行堤防设计和抗滑稳定计算分析，对于复杂演变河道，设计之初往往无法精准预判工程所在河段未来河道演变和河势变化，继而无法考虑未来水流条件变化情况下的堤防抗滑稳定问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种变动水流环境下的堤防安全稳定分析及预警方法，包括以下步骤：
（1）典型堤防工程及堤防稳定计算分析断面选取；
（2）堤防抗滑稳定分析计算断面模型建模与参数确定；
（3）变动水流环境下堤防抗滑稳定分析计算水力边界条件分析预测；
（4）变动水力条件下堤防抗滑稳定计算分析；
（5）堤防抗滑稳定系数K与堤前洪水位消落幅度△h相关关系拟合；
（6）堤防失稳破坏临界骤降水位落差△h临的确定；
（7）堤防抗滑稳定安全预警及处置。
优选地，所述步骤（1）中典型堤防工程及堤防稳定计算分析断面选取具体包括：基于多个不同年份实测地形、地质、堤防工程所在河段水流条件、堤防工程运行情况，选取河床演变较为剧烈、水流条件复杂多变、堤基地质条件较差、深泓线逼近堤岸、堤岸受水流顶冲、且历史上曾多次出险的堤防工程作为分析对象；并选取堤前岸滩侵蚀最为显著、堤前流速较大、流态较差的典型断面作为堤防抗滑稳定分析计算断面。
优选地，所述步骤（2）中堤防抗滑稳定分析计算断面模型建模与参数确定具体包括：采用Autobank软件建立堤防抗滑稳定计算断面模型，模型分区、堤基地质分层及各分区分层计算参数依据堤防工程相关勘察设计资料、规程规范并结合工程经验综合确定。
优选地，所述步骤（3）中变动水流环境下堤防抗滑稳定分析计算水力边界条件分析预测具体包括：建立堤防工程所在河道河口二维水动力数学模型，河口二维水动力数学模型范围自闸坝水工程至入海口，并进行堤防工程设计防洪标准洪水过程匹配不同潮位过程工况以及不同河床下切工况下堤前水位过程计算分析预测，确定不同洪潮组合过程及未来演变环境下堤防抗滑稳定分析计算水力边界条件。
优选地，所述步骤（4）中变动水力条件下堤防抗滑稳定计算分析具体包括：利用堤防抗滑稳定计算断面模型，进行不同堤前洪水位消落过程下的堤防临水坡抗滑稳定计算分析。
优选地，所述步骤（5）中堤防抗滑稳定系数K与堤前洪水位消落幅度△h相关关系拟合具体包括：作堤防临水坡抗滑稳定系数K与堤前洪水位消落幅度 △h的变化关系曲线图，分析二者的关联特征，引入一元多次方程式，拟合形成K与△h之间的相关关系式，即K=a1△hn+ a2△hn-1+……+an△h+b。
优选地，所述步骤（6）中堤防失稳破坏临界骤降水位落差△h临的确定具体包括：查阅《堤防工程设计规范》（GB50286-2013），根据堤防工程等级，确定满足堤防抗滑稳定安全要求的相应抗滑稳定系数K值，将该抗滑稳定系数K值代入步骤（5）中的关系式，求解对应的水位骤降落差△h临，即得到变动水流环境下的堤防失稳破坏临界水力边界条件。
优选地，所述步骤（7）中堤防抗滑稳定安全预警及处置具体包括：在所述堤段堤前设立水尺进行水位变动观测，或者利用邻近水文测站进行水位观测，或根据所在河道水文预报成果，进行堤防安全预警和水工程科学运管调度；当观测水位骤降落差或者预测水位骤降落差接近△h临（相差在1m以内）则发出堤防安全黄色预警，提醒堤防运管部门提高警惕、加强防范、禁止游人进入堤防临水堤坡范围，当观测水位骤降落差或者预测水位骤降落差达到或超过△h临则发出堤防安全红色预警，提醒堤防运管部门堤防抗滑失稳风险较大，做好险情抢护准备；根据河道水文预测预报结果，优化河道上游水库、水闸水工程调度方案，避免堤前水位骤涨骤落、且骤降落差达到或超过△h临，以保障堤防工程安全。
本发明提供了一种变动水流环境下的堤防安全稳定分析及预警方法，对河道演变剧烈、河势变动频繁、容易经常出现险情的河口区堤防工程随水流条件变化情况下的抗滑安全稳定问题进行分析预判，评价堤防工程安全性，预测预警变动水流环境下的堤防抗滑稳定安全，为堤防工程设计和运行管理维护提供技术支撑。与现有技术相比具有如下优点：通过最不利典型断面在不同水位骤降落差工况下的抗滑稳定计算结果，拟合堤防临水坡抗滑稳定系数K与堤前洪水位消落幅度△h关系曲线及相关关系式，通过相关关系式求解得到堤防失稳破坏临界骤降水位落差△h临，并结合水文预报或水位观测成果进行堤防稳定安全实时预警，指导堤防运管及河道上游闸坝等水工程运行调度。
附图说明
图1为某堤防工程堤前水位由7.18m骤降到2.48m时抗滑稳定计算结果图；
图2为某堤防工程堤前水位由7.18m骤降到1.68m时抗滑稳定计算结果图；
图3为某堤防工程堤前水位由7.18m骤降到0.88m时抗滑稳定计算结果图；
图4为某堤防工程堤前水位由7.18m骤降到0.08m时抗滑稳定计算结果图；
图5为某堤防工程堤前水位由7.18m骤降到-0.32m时抗滑稳定计算结果图；
图6为某堤防工程堤前水位由7.18m骤降到-0.35m时抗滑稳定计算结果图；
图7为某堤防工程堤前水位由7.18m骤降到-0.36m时抗滑稳定计算结果图；
图8为某堤防工程堤前水位由7.18m骤降到-0.37m时抗滑稳定计算结果图；
图9为某堤防工程堤前水位由7.18m骤降到-0.38m时抗滑稳定计算结果图；
图10为基于某堤防工程不同水位骤降落差工况抗滑稳定计算结果拟合的K与△h相关关系曲线图，式中K=0.0048△h2-0.164△h+2.265。。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作详细描述。
实施例1
如图1~10所示，本发明所述的一种变动水流环境下的堤防安全稳定分析及预警方法，包括以下步骤：
1、典型堤防工程及堤防稳定计算分析断面选取。基于多个不同年份实测地形、地质、堤防工程所在河段水流条件、堤防工程运行情况等，选取河床演变较为剧烈、水流条件复杂多变、堤基地质条件较差、深泓线逼近堤岸、堤岸受水流顶冲、且历史上曾多次出险的堤防工程作为分析对象；并选取堤前岸滩侵蚀最为显著、堤前流速较大、流态较差的典型断面作为堤防抗滑稳定分析计算断面。
2、堤防抗滑稳定分析计算断面模型建模与参数确定。采用Autobank软件建立堤防抗滑稳定计算断面模型，模型分区、堤基地质分层及各分区分层计算参数依据堤防工程相关勘察设计资料、规程规范并结合工程经验等综合确定。
3、变动水流环境下堤防抗滑稳定分析计算水力边界条件分析预测。建立堤防工程所在河道河口二维水动力数学模型，河口二维水动力数学模型范围自闸坝等水工程至入海口，并进行堤防工程设计防洪标准洪水过程匹配不同潮位过程工况以及不同河床下切工况下堤前水位过程计算分析预测，确定不同洪潮组合过程及未来演变环境下堤防抗滑稳定分析计算水力边界条件。
4、变动水力条件下堤防抗滑稳定计算分析。利用堤防抗滑稳定计算断面模型，进行不同堤前洪水位消落过程下的堤防临水坡抗滑稳定计算分析。某堤防工程典型断面不同水位骤降落差条件下抗滑稳定计算结果见图1~图9。
5、堤防抗滑稳定系数K与堤前洪水位消落幅度△h相关关系拟合。作堤防临水坡抗滑稳定系数K与堤前洪水位消落幅度△h的变化关系曲线图，分析二者的关联特征，引入一元多次方程式，拟合形成K与△h之间的相关关系式，即K=a1△hn+ a2△hn-1+……+an△h+b。实施例K与△h相关曲线及拟合相关关系式见图10，式中K=0.0048△h2-0.164△h+2.265。
6、堤防失稳破坏临界骤降水位落差△h临的确定。查阅《堤防工程设计规范》（GB50286-2013），根据堤防工程等级，确定满足堤防抗滑稳定安全要求的相应抗滑稳定系数K值，将该抗滑稳定系数K值代入步骤5中的关系式，求解对应的水位骤降落差△h临，即得到变动水流环境下的堤防失稳破坏临界水力边界条件。例如，实施例中的堤防等级为3级，采用简化毕肖普法计算堤防抗滑稳定安全系数时，要求抗滑稳定系数不得小于1.3，代入步骤5拟合得到的K与△h之间的相关关系式，求得该堤段堤防失稳破坏临界骤降水位落差△h临为7.55m。
7、堤防抗滑稳定安全预警及处置。在所述堤段堤前设立水尺进行水位变动观测，或者利用邻近水文测站进行水位观测，或根据所在河道水文预报成果，进行堤防安全预警和水工程科学运管调度。一方面，当观测水位骤降落差或者预测水位骤降落差接近△h临（相差在1m以内）则发出堤防安全黄色预警，提醒堤防运管部门提高警惕、加强防范、禁止游人进入堤防临水堤坡范围，当观测水位骤降落差或者预测水位骤降落差达到或超过△h临则发出堤防安全红色预警，提醒堤防运管部门堤防抗滑失稳风险较大，做好险情抢护准备。另一方面，根据河道水文预测预报结果，优化河道上游水库、水闸等水工程调度方案，避免堤前水位骤涨骤落、且骤降落差达到或超过△h临，以保障堤防工程安全。
需要指出的是本发明所述的变动水力环境下的堤防抗滑稳定分析方法对于库水位变动环境下的水库库岸和大坝坝坡或类似变动水力环境下的边坡工程的抗滑稳定安全分析判别同样适用。
以上所述的实施例仅表达了对本发明优选实施方式，其描述较为具体和详细，但本发明不仅限于这些实施例，应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说。在未脱离本发明宗旨的前提下，所为的任何改进均落在本发明的保护范围之内。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (3)
1.一种变动水流环境下的堤防安全稳定分析及预警方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）典型堤防工程及堤防稳定计算分析断面选取；
（2）堤防抗滑稳定分析计算断面模型建模与参数确定，采用Autobank软件建立堤防抗滑稳定计算断面模型，模型分区、堤基地质分层及各分区分层计算参数依据堤防工程相关勘察设计资料、规程规范并结合工程经验综合确定；
（3）变动水流环境下堤防抗滑稳定分析计算水力边界条件分析预测，建立堤防工程所在河道河口二维水动力数学模型，河口二维水动力数学模型范围自闸坝水工程至入海口，并进行堤防工程设计防洪标准洪水过程匹配不同潮位过程工况以及不同河床下切工况下堤前水位过程计算分析预测，确定不同洪潮组合过程及未来演变环境下堤防抗滑稳定分析计算水力边界条件；
（4）变动水力条件下堤防抗滑稳定计算分析，利用堤防抗滑稳定计算断面模型，进行不同堤前洪水位消落过程下的堤防临水坡抗滑稳定计算分析；
（5）堤防抗滑稳定系数K与堤前洪水位消落幅度△h相关关系拟合，作堤防临水坡抗滑稳定系数K与堤前洪水位消落幅度△h的变化关系曲线图，分析二者的关联特征，引入一元多次方程式，拟合形成K与△h之间的相关关系式，即K=a1△hn+a2△hn-1+……+an△h+b；
（6）堤防失稳破坏临界骤降水位落差△h临的确定，查阅《堤防工程设计规范》，根据堤防工程等级，确定满足堤防抗滑稳定安全要求的相应抗滑稳定系数K值，将该抗滑稳定系数K值代入步骤（5）中的关系式，求解对应的水位骤降落差△h临，即得到变动水流环境下的堤防失稳破坏临界水力边界条件；
（7）堤防抗滑稳定安全预警及处置。
2.根据权利要求1所述的一种变动水流环境下的堤防安全稳定分析及预警方法，其特征在于，所述步骤（1）中典型堤防工程及堤防稳定计算分析断面选取具体包括：基于多个不同年份实测地形、地质、堤防工程所在河段水流条件、堤防工程运行情况，选取河床演变较为剧烈、水流条件复杂多变、堤基地质条件较差、深泓线逼近堤岸、堤岸受水流顶冲、且历史上曾多次出险的堤防工程作为分析对象；并选取堤前岸滩侵蚀最为显著、堤前流速较大、流态较差的典型断面作为堤防抗滑稳定分析计算断面。
3.根据权利要求2所述的一种变动水流环境下的堤防安全稳定分析及预警方法，其特征在于，所述步骤（7）中堤防抗滑稳定安全预警及处置具体包括：在堤段堤前设立水尺进行水位变动观测，或者利用邻近水文测站进行水位观测，或根据所在河道水文预报成果，进行堤防安全预警和水工程科学运管调度；当观测水位骤降落差或者预测水位骤降落差接近△h临则发出堤防安全黄色预警，提醒堤防运管部门提高警惕、加强防范、禁止游人进入堤防临水堤坡范围，当观测水位骤降落差或者预测水位骤降落差达到或超过△h临则发出堤防安全红色预警，提醒堤防运管部门堤防抗滑失稳风险较大，做好险情抢护准备；根据河道水文预测预报结果，优化河道上游水库、水闸水工程调度方案，避免堤前水位骤涨骤落、且骤降落差达到或超过△h临，以保障堤防工程安全。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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