一種預(yù)測(cè)黃河河道沖刷的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明涉及一種水利工程汛期險(xiǎn)情預(yù)測(cè)方法，特別涉及一種洪水期間對(duì)黃河河 道是否發(fā)生沖刷進(jìn)行預(yù)測(cè)，為防汛搶險(xiǎn)提供預(yù)警手段的方法，其IPC國(guó)際專利分類號(hào)E02B 1/00,屬于水利領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】：
[0002] 黃河洪水含沙量大，而且洪水的流速越大，挾沙力也越大，對(duì)河床的沖刷力更強(qiáng)， 往往會(huì)造成黃河主河道的沖刷下切。黃河下游的險(xiǎn)工工程靠近主河道，河道的沖刷下切可 能會(huì)導(dǎo)致險(xiǎn)工的壩基被主流嚴(yán)重淘刷，導(dǎo)致根石流失、壩體墩蟄入水的重大險(xiǎn)情。除了每年 的小浪底調(diào)水調(diào)沙外，黃河沒(méi)有發(fā)生過(guò)較大洪水，險(xiǎn)工壩前的河道缺少被沖刷的機(jī)會(huì)，細(xì)顆 粒沉積增加，河道表面逐步形成塊狀的固結(jié)沉積物，在河床上構(gòu)成了一層沉積塊保護(hù)層。但 是，實(shí)際觀測(cè)及室內(nèi)試驗(yàn)證明，這層保護(hù)層并不是不可沖刷的，在某些來(lái)水條件下這層沉積 塊會(huì)被揭掉沖走，進(jìn)而導(dǎo)致河床被沖刷下切。研究沉積塊被揭起沖刷的影響因素，并確定沉 積塊揭起的臨界條件，在各級(jí)洪水時(shí)發(fā)生險(xiǎn)情的可能性進(jìn)行預(yù)測(cè)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種能夠確定影響沉積塊揭起的影響因素的數(shù)學(xué)模型，并 并結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)黃河河道沖刷的方法。
[0004] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案。
[0005] -種預(yù)測(cè)黃河河道沖刷的方法，包括以下步驟：
[0006] (一）建立水流作用下河道沉積塊起動(dòng)流速的數(shù)學(xué)模型：
[0007] F_+Ff-G-Fs= 0 (1)
[0012] 式中：F_為水流作用下沉積塊起動(dòng)時(shí)的最大脈動(dòng)上舉力；Ff為沉積塊受到的浮 力；Fs為沉積塊受到的剪斷力；G為沉積塊重力；Y"為渾水容重；d、h分別為沉積塊的直徑 與高；ys為沉積塊的濕容重；J為河道比降；K為河道沉積塊起動(dòng)臨界系數(shù)；vs為沉積塊起 動(dòng)時(shí)的水流速度；g為重力加速度；C為沉積塊土體粘聚力；巾為沉積塊土體內(nèi)摩擦角。
[0013] (二）選取需要預(yù)測(cè)的險(xiǎn)工工程所在河段作為試驗(yàn)河段，在當(dāng)年的黃河調(diào)水調(diào)沙 前，在試驗(yàn)河段的河道布置視頻監(jiān)控設(shè)備和流速測(cè)定儀；
[0014] (三）通過(guò)試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)獲得如下參數(shù)：河道沉積塊的形狀參數(shù)、沉積塊的濕容 重ys、沉積塊的強(qiáng)度參數(shù)、渾水容重^和河道比降J;方法如下：
[0015] 1.河道沉積塊的形狀參數(shù)：沉積塊的高度h和直徑d
[0016] 根據(jù)河道沉積塊的高度和面積，將每個(gè)河段的沉積塊分為多個(gè)類別，選取其中數(shù) 量最多的一類沉積塊作為試驗(yàn)沉積塊；測(cè)量從現(xiàn)場(chǎng)獲得的試驗(yàn)沉積塊，得到所有塊體的高 度，采用取平均值或中值的方法確定試驗(yàn)沉積塊的高度h;測(cè)量每個(gè)試驗(yàn)沉積塊的周長(zhǎng)L， 并采用等效周長(zhǎng)法確定每個(gè)沉積塊的直徑，然后采用取平均值或中值的方法確定試驗(yàn)沉積 塊直徑d;
[0017] 2.進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)確定沉積塊的濕容重Ys;
[0018] 3.進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)確定河道沉積塊強(qiáng)度參數(shù)：土體粘聚力c和土體內(nèi)摩擦角 傘；
[0019] 4.根據(jù)水情預(yù)報(bào)獲得渾水容重Y"，或者提取發(fā)生沉積塊起動(dòng)時(shí)的水樣，測(cè)量水樣 的渾水容重Yn;
[0020] 5.通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)或參考河流地形資料確定河道比降J;
[0021] (四）實(shí)測(cè)河道內(nèi)試驗(yàn)沉積塊的實(shí)際起動(dòng)流速vs。
[0022] 利用視頻監(jiān)控設(shè)備和流速測(cè)定儀，測(cè)定所述試驗(yàn)沉積塊實(shí)際起動(dòng)流速'。，測(cè)定 3~5次，計(jì)算其平均值巧〇 ;
[0023](五）確定河道沉積塊起動(dòng)臨界系數(shù)K
[0024] 將步驟（三）得到的各項(xiàng)參數(shù)和步驟（四）得到的實(shí)際起動(dòng)流速平均值代入 步驟（一）的數(shù)學(xué)模型中，聯(lián)立求解，得到河道沉積塊起動(dòng)臨界系數(shù)K;
[0025] (六）將步驟（五）得到河道沉積塊起動(dòng)臨界系數(shù)K代入步驟（一）的數(shù)學(xué)模型 中，聯(lián)立求解，即得到該試驗(yàn)河段或類似河段的河道沉積塊起動(dòng)臨界流速測(cè)算公式：
[0026]
(15)
[0027] (七）每次洪水來(lái)臨時(shí)，根據(jù)水情預(yù)報(bào)得到洪水的渾水容重y將步驟（三）獲 得的沉積塊的高度h和直徑d、濕容重ys、沉積塊土體內(nèi)摩擦角巾及土體粘聚力c和河道 比降J代入公式（15)，即可計(jì)算得到本次洪水時(shí)沉積塊起動(dòng)臨界流速vs;根據(jù)水情預(yù)報(bào)，若 本次洪水的預(yù)計(jì)流速大于該臨界流速vs，則河道會(huì)發(fā)生沖刷，應(yīng)當(dāng)做好相應(yīng)的搶險(xiǎn)準(zhǔn)備；若 本次洪水的預(yù)計(jì)流速小于該臨界流速VS，則河道不會(huì)發(fā)生沖刷。
[0028] 本發(fā)明提供的預(yù)測(cè)黃河河道沖刷的方法，在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，引入了代表沉積塊 本身物理特性的參數(shù)，并結(jié)合待預(yù)測(cè)河段的試驗(yàn)及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算河道沉積塊起動(dòng)臨界流 速，能夠更真實(shí)地反映沉積塊起動(dòng)時(shí)的受力情況，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)每次洪水時(shí)河道是否會(huì)發(fā)生沖 刷，并做好相應(yīng)當(dāng)搶險(xiǎn)準(zhǔn)備。
【具體實(shí)施方式】：
[0029] 下面對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)說(shuō)明。
[0030] 本發(fā)明的預(yù)測(cè)黃河河道沖刷的方法，包括以下步驟：
[0031]( -）首先，建立本發(fā)明所采用的數(shù)學(xué)模型，同時(shí)也闡明本發(fā)明的原理。黃河河 道天然形成的沉積塊，多為黏土形成的膠泥塊，為了便于理論分析，假設(shè)沉積塊為一薄圓柱 形，根據(jù)靜力平衡原理可知，河道沉積塊起動(dòng)時(shí)的臨界受力情況如下式所示：
[0032]F_+Ff-G-Fs= 0 (1)
[0033] 其中：G為沉積塊重力；FS為沉積塊受到的剪斷力；Ff為沉積塊受到的浮力為 高含沙水流作用下沉積塊起動(dòng)時(shí)的上舉力。其中：
[0034]Ff=ynV (2)
[0039] 式中：yn為渾水容重，與水的含沙量有關(guān)；d、h分別為沉積塊的直徑與高；Y3為 沉積塊的濕容重；v為沉積塊體積；j為河道比降；a為沉積塊表面積，;K為河道 沉積塊起動(dòng)臨界系數(shù)，由試驗(yàn)率定；vs為沉積塊起動(dòng)時(shí)的水流速度；g為重力加速度。
[0040] 發(fā)明人根據(jù)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，由于各段河道的沉積塊的化學(xué)成 分、沉積時(shí)間、受力歷史等不同，導(dǎo)致沉積塊的土體粘聚力、土體內(nèi)摩擦角等物理性質(zhì)的不 同，這些物理性質(zhì)，也是影響沉積塊起動(dòng)流速的關(guān)鍵因素。因此，本發(fā)明建立了公式（7)、 (8)：
[0041] tAxz= 〇nAxy (7)
[0042] X=c+ 〇ntan<i> (8)
[0043] 式中：t為抗剪強(qiáng)度；o。為沉積塊所受正應(yīng)力；Axz為沉積塊x、z軸向面積，Axz = Jrdh;Axy為沉積塊x、y軸向面積，S卩表面積，
c為沉積塊土體粘聚力；小為 沉積塊土體內(nèi)摩擦角。
[0044] 貝丨J

[0053] 如通過(guò)多次實(shí)測(cè)得到某段河道沉積塊的平均起動(dòng)流速為&〇,則可得到該段河道 沉積塊起動(dòng)臨界系數(shù)K，從而可以率定該段河道沉積塊起動(dòng)臨界系數(shù)K。
[0054]
[0055] 由此可見(jiàn)，沉積塊起動(dòng)流速vs，即河道發(fā)生沖刷的臨界條件，與河道沉積塊的形狀 (高度h和直徑d)、濕容重ys、沉積塊的抗剪強(qiáng)度（內(nèi)摩擦角巾和粘聚力c)、含沙量（由 渾水容重丫"體現(xiàn)出來(lái)）、河道比降J等有關(guān)。這些參數(shù)與土的力學(xué)特性指標(biāo)及河床形態(tài)密 切相關(guān)，均可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和室內(nèi)試驗(yàn)取得。
[0056] 利用上述數(shù)學(xué)模型，本發(fā)明進(jìn)一步采取以下步驟：
[0057] (二）自2002年以來(lái)，每年的6月份，在黃河水利委員會(huì)的同一指揮、調(diào)度下，進(jìn) 行一次調(diào)水調(diào)沙。黃河調(diào)水調(diào)沙，就是利用小浪底水庫(kù)，或者對(duì)小浪底水庫(kù)及上游的多個(gè)水 庫(kù)進(jìn)行聯(lián)合