[发明专利]山区河流透过性坝沿程水深预测方法

说明书

本发明公开了一种山区河流透过性坝沿程水深预测方法，通过对透过性坝水流特性进行分析，将水流分为三个区域，依次为上游自由出流区、坝前壅水区以及下游水流充分发展区。基于曼宁‑谢才公式，提出了上游自由出流区和下游水流充分发展区水深预测模型；基于能量方程，建立了坝前壅水区沿程水深预测模型。该方法可较精确地预测透过性坝沿程水深，可为山区河流透过性坝的结构设计提供理论支撑，并为洪水发生时坝体上游淹没范围预测提供参考与依据。

技术领域

本发明涉及水利工程技术领域，涉及水利工程中的透过性坝研究，特别涉及透过性坝沿程水深的预测。

背景技术

透过性坝是降低山区泥石流危害的一种工程措施，在国内外广泛应用。透过性坝可实现拦粗沙排细沙的要求，降低了粗大颗粒泥沙对坝下游涉水工程及居民区的直接冲积和破坏。

现有技术中，大多数学者对透过性坝的拦砂性能进行了大量研究，针对不同类型和开口尺寸的透过性坝，提出了拦沙率的测算公式，并将拦沙率作为设计透过性坝结构及评价透过性坝拦沙性能的一项具体且重要的指标。

近年来，山区植被覆盖面积增大、河道边坡护岸工程实施、人类活动影响、河道河床粗化等造成山区河流泥沙补给大幅减少，部分山区河流处于少沙补给、甚至无泥沙补给状态，河流中透过性坝更多发挥拦水功能。坝前水深是坝体设计时需关注的重要指标，上游流量与坝体透水率是影响坝前水深的两个关键参量。同时，上游坝前水深与坝前壅水距离(壅水区范围)有关，坝上游雍水区范围是坝体设计的重要指标。当上游流量越大且/或透水率越小，坝前水深越大，壅水长度则越大，坝前淹没范围也相应增加。在设计透过性坝时，需考虑坝前库区允许淹没范围及需拦截的石块、泥沙粒径，综合选定坝体设计流量与透水率。

综上所述，建立透过性坝沿程水深的预测方法，可为山区河流透过性坝的结构设计与安全运行提供理论支撑，对透过性坝施工、改建等意义重大。

发明内容

本发明针对目前缺少透过性坝沿程水深预测方法的技术现状，提供一种山区河流透过性坝沿程水深的预测方法，通过该方法获得精度较高的透过性坝沿程水深，为透过性坝设计提供理论及技术支持。

本发明针为解决上述问题，提出了一种山区河流透过性坝沿程水深预测方法，其包括以下步骤：

步骤1、确定待预测透过性坝的上游流量Q、河道宽度B、河床糙率n以及河床坡降i；

步骤2、根据透过性坝水流特性将水流分为三个区域，依次为上游自由出流区、坝前壅水区以及下游水流充分发展区；

步骤3、基于曼宁-谢才公式，建立上游自由出流区及下游水流充分发展区的水深迭代模型，得到上游自由出流区及下游水流充分发展区水深；

步骤4、基于能量方程，建立坝前壅水区沿程水深迭代模型，得到壅水区沿程水深。

这种透过性坝沿程水深预测方法弥补了现有技术中透过性坝沿程水深的研究空白。通过该方法可以获得精度较高的透过性坝沿程水深，为透过性坝设计提供理论及技术支持。

上述步骤1中，通过透过性坝现场踏勘及河道过流条件资料收集，得到待预测透过性坝的上游流量Q、河道宽度B、河床糙率n以及河床坡降i。并以透过性坝中心线与河床中心线的交点为原点建立三维立体坐标系，其中x,y,z轴分别表示逆水流方向、垂直水流方向与垂直河床方向。其中，河床糙率n需考虑河床组成及床面特征、平面形态及水流特征、岸壁特征三个方面因素的综合作用进行取值，具体取值方式为本领域技术人员所熟知的，此处不再赘述。河床坡降i表示为任意两点的河床底高程差与该两点的水平距离之比。