專利名稱：跨河橋一般沖刷實時預(yù)報數(shù)值方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及跨河橋一般沖刷實時預(yù)報數(shù)值方法，屬于計算機技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明特 別針對河床沖刷與洪水過程的動態(tài)關(guān)系，采用洪水流量過程中河床實時沖刷演變模擬方 程，考慮了壓縮河段特點，并通過計算機實現(xiàn)數(shù)值模擬和實時預(yù)報。本發(fā)明可用于公路橋和 鐵路橋防洪安全管理中，實現(xiàn)隨洪水過程實時掌握河床沖刷狀況，避免大橋遭遇沖刷而導(dǎo) 致的災(zāi)害。
背景技術(shù)：
跨河大橋多有壓縮過流斷面的情況，由此可能造成大洪水時橋址斷面河床普遍沖 刷，并有引起橋墩基礎(chǔ)穩(wěn)定性喪失的隱患。這種沖刷稱為一般沖刷，在大橋工程防洪管理中 需要隨時預(yù)知一般沖刷的變化，以便預(yù)防災(zāi)害發(fā)生。目前，跨河橋梁一般沖刷計算主要依據(jù)鐵路或公路規(guī)范規(guī)定的半經(jīng)驗半理論公 式，使用和計算過程中對一些經(jīng)驗系數(shù)或變量經(jīng)驗取值還需要查表、手算，花費較多的時間 及人工投入，計算結(jié)果也與個人的經(jīng)驗有關(guān)，而且不能及時取得追蹤洪水變化的沖刷結(jié)果， 難以作出大橋防洪的實時預(yù)報。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供跨河橋一般沖刷實時預(yù)報數(shù) 值方法。使大橋防洪管理人員使用便捷，實時掌握隨洪水過程的一般沖刷發(fā)展態(tài)勢。本發(fā)明涉及跨河橋一般沖刷實時預(yù)報數(shù)值方法，包括以下步驟；步驟1 ；采用一維總流水沙運動偏微分方程，即水流連續(xù)方程、水流運動方程、泥 沙運動方程和河床變形，組成計算跨河橋一般沖刷計算的基本方程組；計算中主要考慮懸 移質(zhì)泥沙，并采用泥沙運動力學(xué)中的其他輔助公式以組成封閉方程組；根據(jù)橋址上、下游附近區(qū)域流態(tài)進行有效過流斷面處理，以提高橋址處水動力計 算和沖刷計算結(jié)果的精度；步驟2 ；橋址附近加密計算網(wǎng)格，并對計算范圍內(nèi)的不規(guī)則過流斷面采用插值處 理，使計算的斷面面積與實際斷面非常接近；插值處理的水文要素關(guān)系包括斷面面積_水位關(guān)系、水面寬_水位關(guān)系、平均水 深_水位關(guān)系以及河底平均高程_水位關(guān)系；插值采用分段線性方法對于n+1個觀測序 列，若求Oii, Ti)和Qw Ti+1)之間任一點(h，Τ)，則線性插值公式如下T = Ti+ H(Ji-Pii)(5)
Kx'h式中，i為觀測序列號，O^Ti)即為該觀測序列對應(yīng)的自變量和函數(shù)值；(hi+1，Ti+1) 即為第i+l觀測序列對應(yīng)的自變量和函數(shù)值；h為已知自變量，其值在比和hi+1之間，T為 待求函數(shù)值；步驟3 ；采用沖刷隨時間變化的方程，并在橋址附近網(wǎng)格加密區(qū)引入時間子步，實現(xiàn)沖刷過程實時數(shù)據(jù)輸出，提供沖刷態(tài)勢的實時預(yù)報；采用沖刷隨時間變化的方程，即方程⑷和計算時引入洪水流量隨時間變化的過 程，并引入時間子步，即在橋址附近加密計算網(wǎng)格區(qū)域，減小時間步長而增加時間循環(huán)次 數(shù)，以保證計算穩(wěn)定性；步驟4 ；采用數(shù)值計算方法實現(xiàn)計算機自動模擬預(yù)報；采用數(shù)值計算方法實現(xiàn)計算機自動模擬預(yù)報，即將上述偏微分方程在計算區(qū)域內(nèi) 按空間網(wǎng)格步長和時間步長進行數(shù)值離散，得到差分方程，并編制計算程序，實現(xiàn)大橋河段 一般沖刷的數(shù)值計算和數(shù)據(jù)實時輸出。本發(fā)明的優(yōu)點為本發(fā)明避免了以往公式法的多經(jīng)驗性，盡量遵循沖刷現(xiàn)象的物 理本質(zhì)和理論模式，并能實現(xiàn)輸入大量洪水過程和相應(yīng)沖刷過程的快速計算和數(shù)據(jù)輸出， 深刻地揭示水、沙條件變化情況下一般沖刷隨時間的發(fā)展過程。


當(dāng)結(jié)合附圖考慮時，通過參照下面的詳細描述，能夠更完整更好地理解本發(fā)明以 及容易得知其中許多伴隨的優(yōu)點，但此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解， 構(gòu)成本發(fā)明的一部分，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā) 明的不當(dāng)限定，其中圖1是實現(xiàn)一般沖刷實時預(yù)報的數(shù)值計算流程圖；圖2是本發(fā)明的某橋河段斷面插值計算結(jié)果實例圖；圖3是實施例某大橋橋址河床一般沖刷隨洪水過程的數(shù)值預(yù)報實施例圖。
具體實施例方式參照圖1至圖3對本發(fā)明的實施例進行說明。實施例1 顯然，本領(lǐng)域技術(shù)人員基于本發(fā)明的宗旨所做的許多修改和變化屬于本發(fā)明的保 護范圍?？绾訕蛞话銢_刷實時預(yù)報數(shù)值方法，包括以下步驟；步驟1 ；采用以下數(shù)學(xué)偏微分方程組；即水流連續(xù)方程和運動方程
權(quán)利要求
1.跨河橋一般沖刷實時預(yù)報數(shù)值方法，其特征在于包括以下步驟；步驟1 ；采用一維總流水沙運動偏微分方程，即水流連續(xù)方程、水流運動方程、泥沙運 動方程和河床變形，組成計算跨河橋一般沖刷計算的基本方程組；計算中主要考慮懸移質(zhì) 泥沙，并采用泥沙運動力學(xué)中的其他輔助公式以組成封閉方程組；根據(jù)橋址上、下游附近區(qū)域流態(tài)進行有效過流斷面處理，以提高橋址處水動力計算和 沖刷計算結(jié)果的精度；步驟2 ；橋址附近加密計算網(wǎng)格，并對計算范圍內(nèi)的不規(guī)則過流斷面采用插值處理； 插值處理的水文要素關(guān)系包括斷面面積-水位關(guān)系、水面寬-水位關(guān)系、平均水 深-水位關(guān)系以及河底平均高程-水位關(guān)系；插值采用分段線性方法對于n+1個觀測序 列，若求Ov Ti)和Qw Ti+1)之間任一點(h，Τ)，則線性插值公式如下
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的跨河橋一般沖刷實時預(yù)報數(shù)值方法，其特征在于包括以下步驟；第一步選定所研究的橋址河段、計算時段，并對其進行劃分，確定空間步長AxiG = 1,2,……，DMS)和時間步長At」(j = 1,2,……，NT)，其中DMS、NT分別為斷面數(shù)及時段 數(shù)；第二步給定計算的初始條件和邊界條件，并根據(jù)水流條件計算橋址斷面有效過流寬度；第三步根據(jù)出口斷面水位自下而上進行沿程水面線的計算；第四步根據(jù)入口來水來沙過程由上至下進行含沙量、河床沖淤高程等的計算；第五步根據(jù)沖淤量自上而下修改斷面特征；第六步判斷計算時步是否等于Nt，是，則輸出各時段沿程水位、橋址斷面沖淤高程 等；否，則重復(fù)執(zhí)行(3)-(5)，直至計算時步等于NT。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的跨河橋一般沖刷實時預(yù)報數(shù)值方法，其特征在于包括以下步驟；第一步中，河段進、出口斷面應(yīng)有實測資料，同時對橋址斷面附近網(wǎng)格進行加密，以得 到橋址斷面河床及附近一般沖刷值；通過時間子步的處理方法，由于加密網(wǎng)格僅位于橋址上下游一定范圍，故僅在斷面循環(huán)至加密網(wǎng)格位置時，將時間步At等間隔劃分為若干子步δ t、2 δ t........k δ t( δ t =At/k)，在時間步At的大循環(huán)內(nèi)，首先進行時間子步循環(huán)、得到每一時間子步對應(yīng)的各斷 面水位、河床高程(通過時間子步內(nèi)的斷面循環(huán)得到)，將第k δ t子步得到的計算結(jié)果作為 時間步大循環(huán)對應(yīng)的計算結(jié)果，直至循環(huán)結(jié)束。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的跨河橋一般沖刷實時預(yù)報數(shù)值方法，其特征在于包括以下步驟；第二步中，初始條件和邊界條件系根據(jù)實測資料確定；對于初始時刻水面寬、各斷面河床高程以及水位_河寬關(guān)系、水位_過流面積關(guān)系、水 位-濕周關(guān)系，根據(jù)Excel工具表中單元格可準確定位之特點，采用Excel VBA程序得到以 上工作曲線；具體作法為首先設(shè)定一合理的水位范圍，在某一水位條件下，通過對水面以下各斷面 進行積分，得到過流面積、河寬及濕周；對橋址斷面，在斷面信息導(dǎo)入時除河床斷面數(shù)據(jù)外，尚需導(dǎo)入墩臺邊界信息，以考慮墩 臺對河道壓縮造成的影響，得到考慮壓縮效應(yīng)的過流面積、河寬以及濕周。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的跨河橋一般沖刷實時預(yù)報數(shù)值方法，其特征在于包括以下步驟；第四步中，將懸移質(zhì)泥沙分成η個粒徑組，假設(shè)各組泥沙獨立保持各自的平衡關(guān)系而 不互相影響，在離散泥沙連續(xù)方程時計入非恒定因素的影響；懸沙粒徑分布在運動過程中的，各粒徑組含沙量和水流挾沙力也隨之變化，分組計算 法可計算得到各時刻、各分組的挾沙力和含沙量，將各時刻、各分組含沙量引入河床變形方 程，即可得到各時刻、各分組泥沙的河床沖淤量，對分組沖淤量進行累加即可得到河床對應(yīng) 的平均沖淤厚度。按沖淤厚度修正河床高程，即得到大橋河段河床各時刻一般沖刷的高程， 輸出各時刻高程，即為一般沖刷河床的實時預(yù)報信息。
全文摘要
本發(fā)明涉及跨河橋一般沖刷實時預(yù)報數(shù)值方法，屬于計算機技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明特別針對河床沖刷與洪水過程的動態(tài)關(guān)系，采用洪水流量過程中橋渡河段河床實時沖刷演變模擬方程，考慮了壓縮河段特點，并通過計算機實現(xiàn)數(shù)值模擬和橋下沖刷狀態(tài)實時預(yù)報。本發(fā)明可用于公路橋和鐵路橋防洪安全管理中，實現(xiàn)隨洪水過程實時掌握河床沖刷狀況，避免大橋遭遇沖刷而導(dǎo)致的災(zāi)害。
文檔編號G06F17/50GK102004824SQ201010538960
公開日2011年4月6日 申請日期2010年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月8日
發(fā)明者甘森, 郭輝, 馬先華, 齊梅蘭 申請人:北京交通大學(xué)