本发明涉及跨河桥一般冲刷实时预报数值方法,属于计算机技术领域。本发明特别针对河床冲刷与洪水过程的动态关系,采用洪水流量过程中桥渡河段河床实时冲刷演变模拟方程,考虑了压缩河段特点,并通过计算机实现数值模拟和桥下冲刷状态实时预报。本发明可用于公路桥和铁路桥防洪安全管理中,实现随洪水过程实时掌握河床冲刷状况,避免大桥遭遇冲刷而导致的灾害。
1.跨河桥一般冲刷实时预报数值方法,其特征在于包括以下步骤;步骤1;采用一维总流水沙运动偏微分方程,即水流连续方程、水流运动方程、泥沙运动方程和河床变形,组成计算跨河桥一般冲刷计算的基本方程组;计算中主要考虑悬移质泥沙,并采用泥沙运动力学中的其他辅助公式以组成封闭方程组;根据桥址上、下游附近区域流态进行有效过流断面处理,以提高桥址处水动力计算和冲刷计算结果的精度;步骤2;桥址附近加密计算网格,并对计算范围内的不规则过流断面采用插值处理;插值处理的水文要素关系包括:断面面积-水位关系、水面宽-水位关系、平均水深-水位关系以及河底平均高程-水位关系;插值采用分段线性方法:对于n+1个观测序列,若求(h_i,T_i)和(h_i+1,T_i+1)之间任一点(h,T),则线性插值公式如下:T=Ti+(Ti+1-Ti)hi+1-hi(h-hi)---(5)]]>式中,i为观测序列号,(h_i,T_i)即为该观测序列对应的自变量和函数值;(h_i+1,T_i+1)即为第i+1观测序列对应的自变量和函数值;h为已知自变量,其值在h_i和h_i+1之间,T为待求函数值;步骤3;采用冲刷随时间变化的方程,并在桥址附近网格加密区引入时间子步,实现冲刷过程实时数据输出,提供冲刷态势的实时预报;采用冲刷随时间变化的方程,即方程(4)和计算时引入洪水流量随时间变化的过程,并引入时间子步,即在桥址附近加密计算网格区域,减小时间步长而增加时间循环次数,以保证计算稳定性;步骤4;采用数值计算方法实现计算机自动模拟预报;采用数值计算方法实现计算机自动模拟预报,即将上述偏微分方程在计算区域内按空间网格步长和时间步长进行数值离散,得到差分方程,并编制计算程序,实现大桥河段一般冲刷的数值计算和数据实时输出。
2.根据权利要求1所述的跨河桥一般冲刷实时预报数值方法,其特征在于包括以下步骤;第一步:选定所研究的桥址河段、计算时段,并对其进行划分,确定空间步长Δx_i(i=1,2,......,DMS)和时间步长Δt_j(j=1,2,......,NT),其中DMS、NT分别为断面数及时段数;第二步:给定计算的初始条件和边界条件,并根据水流条件计算桥址断面有效过流宽度;第三步:根据出口断面水位自下而上进行沿程水面线的计算;第四步:根据入口来水来沙过程由上至下进行含沙量、河床冲淤高程等的计算;第五步:根据冲淤量自上而下修改断面特征;第六步:判断计算时步是否等于Nt,是,则输出各时段沿程水位、桥址断面冲淤高程等;否,则重复执行(3)-(5),直至计算时步等于NT。
3.根据权利要求2所述的跨河桥一般冲刷实时预报数值方法,其特征在于包括以下步骤;第一步中,河段进、出口断面应有实测资料,同时对桥址断面附近网格进行加密,以得到桥址断面河床及附近一般冲刷值;通过时间子步的处理方法,由于加密网格仅位于桥址上下游一定范围,故仅在断面循环至加密网格位置时,将时间步Δt等间隔划分为若干子步δt、2δt、......、kδt(δt=Δt/k),在时间步Δt的大循环内,首先进行时间子步循环、得到每一时间子步对应的各断面水位、河床高程(通过时间子步内的断面循环得到),将第kδt子步得到的计算结果作为时间步大循环对应的计算结果,直至循环结束。
4.根据权利要求2所述的跨河桥一般冲刷实时预报数值方法,其特征在于包括以下步骤;第二步中,初始条件和边界条件系根据实测资料确定;对于初始时刻水面宽、各断面河床高程以及水位-河宽关系、水位-过流面积关系、水位-湿周关系,根据Excel工具表中单元格可准确定位之特点,采用Excelxa0VBA程序得到以上工作曲线;具体作法为:首先设定一合理的水位范围,在某一水位条件下,通过对水面以下各断面进行积分,得到过流面积、河宽及湿周;对桥址断面,在断面信息导入时除河床断面数据外,尚需导入墩台边界信息,以考虑墩台对河道压缩造成的影响,得到考虑压缩效应的过流面积、河宽以及湿周。
5.根据权利要求2所述的跨河桥一般冲刷实时预报数值方法,其特征在于包括以下步骤;第四步中,将悬移质泥沙分成n个粒径组,假设各组泥沙独立保持各自的平衡关系而不互相影响,在离散泥沙连续方程时计入非恒定因素的影响;悬沙粒径分布在运动过程中的,各粒径组含沙量和水流挟沙力也随之变化,分组计算法可计算得到各时刻、各分组的挟沙力和含沙量,将各时刻、各分组含沙量引入河床变形方程,即可得到各时刻、各分组泥沙的河床冲淤量,对分组冲淤量进行累加即可得到河床对应的平均冲淤厚度。按冲淤厚度修正河床高程,即得到大桥河段河床各时刻一般冲刷的高程,输出各时刻高程,即为一般冲刷河床的实时预报信息。技术领域
本发明涉及跨河桥一般冲刷实时预报数值方法,属于计算机技术领域。本发明特别针对河床冲刷与洪水过程的动态关系,采用洪水流量过程中河床实时冲刷演变模拟方程,考虑了压缩河段特点,并通过计算机实现数值模拟和实时预报。本发明可用于公路桥和铁路桥防洪安全管理中,实现随洪水过程实时掌握河床冲刷状况,避免大桥遭遇冲刷而导致的灾害。
背景技术
跨河大桥多有压缩过流断面的情况,由此可能造成大洪水时桥址断面河床普遍冲刷,并有引起桥墩基础稳定性丧失的隐患。这种冲刷称为一般冲刷,在大桥工程防洪管理中需要随时预知一般冲刷的变化,以便预防灾害发生。目前,跨河桥梁一般冲刷计算主要依据铁路或公路规范规定的半经验半理论公式,使用和计算过程中对一些经验系数或变量经验取值还需要查表、手算,花费较多的时间及人工投入,计算结果也与个人的经验有关,而且不能及时取得追踪洪水变化的冲刷结果,难以作出大桥防洪的实时预报。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的上述不足,提供跨河桥一般冲刷实时预报数值方法。使大桥防洪管理人员使用便捷,实时掌握随洪水过程的一般冲刷发展态势。本发明涉及跨河桥一般冲刷实时预报数值方法,包括以下步骤;步骤1;采用一维总流水沙运动偏微分方程,即水流连续方程、水流运动方程、泥沙运动方程和河床变形,组成计算跨河桥一般冲刷计算的基本方程组;计算中主要考虑悬移质泥沙,并采用泥沙运动力学中的其他辅助公式以组成封闭方程组;根据桥址上、下游附近区域流态进行有效过流断面处理,以提高桥址处水动力计算和冲刷计算结果的精度;步骤2;桥址附近加密计算网格,并对计算范围内的不规则过流断面采用插值处理,使计算的断面面积与实际断面非常接近;插值处理的水文要素关系包括:断面面积-水位关系、水面宽-水位关系、平均水深-水位关系以及河底平均高程-水位关系;插值采用分段线性方法:对于n+1个观测序列,若求(h_i,T_i)和(h_i+1,T_i+1)之间任一点(h,T),则线性插值公式如下:T=Ti+(Ti+1-Ti)hi+1-hi(h-hi)---(5)]]>式中,i为观测序列号,(h_i,T_i)即为该观测序列对应的自变量和函数值;(h_i+1,T_i+1)即为第i+1观测序列对应的自变量和函数值;h为已知自变量,其值在h_i和h_i+1之间,T为待求函数值;步骤3;采用冲刷随时间变化的方程,并在桥址附近网格加密区引入时间子步,实现冲刷过程实时数据输出,提供冲刷态势的实时预报;采用冲刷随时间变化的方程,即方程(4)和计算时引入洪水流量随时间变化的过程,并引入时间子步,即在桥址附近加密计算网格区域,减小时间步长而增加时间循环次数,以保证计算稳定性;步骤4;采用数值计算方法实现计算机自动模拟预报;采用数值计算方法实现计算机自动模拟预报,即将上述偏微分方程在计算区域内按空间网格步长和时间步长进行数值离散,得到差分方程,并编制计算程序,实现大桥河段一般冲刷的数值计算和数据实时输出。本发明的优点为:本发明避免了以往公式法的多经验性,尽量遵循冲刷现象的物理本质和理论模式,并能实现输入大量洪水过程和相应冲刷过程的快速计算和数据输出,深刻地揭示水、沙条件变化情况下一般冲刷随时间的发展过程。
附图说明
当结合附图考虑时,通过参照下面的详细描述,能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点,但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解,构成本发明的一部分,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定,其中:图1是实现一般冲刷实时预报的数值计算流程图;图2是本发明的某桥河段断面插值计算结果实例图;图3是实施例某大桥桥址河床一般冲刷随洪水过程的数值预报实施例图。
具体实施方式
参照图1至图3对本发明的实施例进行说明。实施例1:显然,本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保护范围。跨河桥一般冲刷实时预报数值方法,包括以下步骤;步骤1;采用以下数学偏微分方程组;即水流连续方程和运动方程:∂A∂t+∂Q∂x=0---(1)]]>∂∂t(QA)+12∂∂x(Q2A2)+g∂Y∂x+gn2Q2A2R4/3=0---(2)]]>以及泥沙连续方程和河床变形方程:∂(QS)∂x+∂(AS)∂t=-αBω(S-S*)---(3)]]>∂(QS)∂x+∂(AS)∂t+ρ′B∂Y0∂t=0---(4)]]>式中,B为河流宽度;A、Q、R分别为过流断面面积、流量以及水力半径;Y为水位;Y₀为断面平均河床高程;S、S_*为断面平均实际含沙量和水流挟沙能力;ω为悬移质断面平均沉速;ρ′为泥沙干密度;g为重力加速度;n为糙率;α为恢复饱和系数;x、t分别为空间坐标和时间坐标。并采用水流公式作为辅助方程,组成封闭方程组;根据桥址上、下游附近区域流态进行有效过流断面处理,以提高桥址处水动力计算和冲刷计算结果的精度;步骤2;对计算范围内的不规则过流断面采用插值处理,使计算的断面面积与实际断面非常接近;计算范围内不规则断面的插值处理,即首先进行过流断面水文要素关系插值处理,计算断面面积-水位关系、水面宽-水位关系、平均水深-水位关系以及河底平均高程-水位关系,为计算提供初始条件,然后利用实测断面值通过插值获得各计算断面的数据信息,采用分段线性插值法:对于n+1个观测序列,若求(h_i,T_i)和(h_i+1,T_i+1)之间任一点(h,T),则线性插值公式如下:T=Ti+(Ti+1-Ti)hi+1-hi(h-hi)---(5)]]>式中,i为观测序列号,(h_i,T_i)即为该观测序列对应的自变量和函数值;(h_i+1,T_i+1)即为第i+1观测序列对应的自变量和函数值;h为已知自变量,其值在h_i和h_i+1之间,T为待求函数值。步骤3;采用冲刷随时间变化的方程,并引入时间子步,实现冲刷过程实时数据输出,提供冲刷态势的实时预报;采用冲刷随时间变化的方程,即方程(4)和计算时引入洪水流量随时间变化的过程,并引入时间子步,即在桥址附近加密计算网格区域,减小时间步长而增加时间循环次数,以保证计算稳定性;步骤4;采用数值计算方法实现计算机自动模拟预报;采用数值计算方法实现计算机自动模拟预报,即将上述偏微分方程在计算区域内按空间网格步长和时间不长进行数值离散,得到差分方程,并编制计算程序,实现数值计算和数据实时输出;离散方程为:Qi+1,j-Qi,jΔxi=0---(6)]]>Yi,j=Yi+1,j+ni+12Δxi+12(Qi+1,j2Ai+1,j2Ri+1,j4/3+Qi,j2Ai,j2Ri,j4/3)+12g(Qi+1,j2Ai+1,j2-Qi,j2Ai,j2)---(7)]]>式中,i为断面数,j为时段数;其余符号意义同前;Si,j+1=Δtαi,j+1Bi,j+1ωi,j+1S*i,j+1+Ai,jSi,j+ΔtΔxi-1Qi-1,j+1Si-1,j+1Ai,j+1+Δtαi,j+1Bi,j+1ωi,j+1+ΔtΔxi-1Qi,j+1---(8)]]>ΔY0i,j+1=Δtρ′[αi,j+1ωi,j+1(Si,j+1-S*i,j+1)]---(9)]]>式中,Δt为计算时间步长;Δx_i-1为计算河段长度;ΔY₀为河床冲淤高度,各物理量下标意义i、j同上;其余符号意义同前。实施例2:本发明涉及跨河桥一般冲刷实时预报数值方法,包括以下步骤;步骤1;遵循水沙运动基本理论,建立数学偏微分方程,摈弃了以往公式中众多的经验公式及系数,使得河床冲刷演变更逼真;步骤2;对计算范围内的不规则过流断面采用插值处理,使计算的断面面积与实际断面非常接近,克服了以往将断面简化为矩形产生的较大误差;步骤3;采用冲刷随时间变化的方程,并引入时间子步,实现了冲刷过程实时数据输出,可为工程管理提供冲刷态势的实时预报;步骤4;采用数值计算方法实现计算机自动模拟预报。模型的边界条件为:上游进口断面给定流量过程、含沙量过程,下游出口断面给定水位过程。模型的初始条件为:给定初始时刻计算河段的河床高程、河床水面线、各断面悬移质粒径及级配、床沙粒径及级配、各断面初始水面宽、各断面初始水位-河宽关系、水位-过流面积关系、水位-湿周关系等。解决上述问题所采用的技术方案流程如图1所示,跨河桥一般冲刷实时预报数值方法,包括以下步骤;第一步:选定所研究的桥址河段、计算时段,并对其进行划分,确定空间步长Δx_i(i=1,2,......,DMS)和时间步长Δt_j(j=1,2,......,NT),其中DMS、NT分别为断面数及时段数;第二步:给定计算的初始条件和边界条件;第三步:根据出口断面水位自下而上进行沿程水面线的计算;第四步:根据入口来水来沙过程由上至下进行含沙量、河床冲淤高程等的计算;第五步:根据冲淤量自上而下修改断面特征;第六步:判断计算时步是否等于NT,是,则输出各时段沿程水位、桥址断面冲淤高程等;否,则重复执行(3)-(5),直至计算时步等于NT;第一步中,河段进、出口断面应有实测资料,同时对桥址断面附近网格进行加密,以得到桥址断面河床及附近一般冲刷值。加密范围内过大的网格比Δt/Δx将会放大河床变形的计算误差,可能导致数值失稳。本发明通过时间子步的处理方法,由于加密网格仅位于桥址上下游一定范围,故仅在断面循环至加密网格位置时,将时间步Δt等间隔划分为若干子步δt、2δt、......、kδt(δt=Δt/k),在时间步Δt的大循环内,首先进行时间子步循环、得到每一时间子步对应的各断面水位、河床高程(通过时间子步内的断面循环得到),将第kδt子步得到的计算结果作为时间步大循环对应的计算结果,直至循环结束。第二步中,初始条件和边界条件系根据实测资料确定。对于初始时刻水面宽、各断面河床高程以及水位-河宽关系、水位-过流面积关系、水位-湿周关系,根据Excel工具表中单元格可准确定位之特点,采用Excelxa0VBA程序得到以上工作曲线。具体作法为:首先设定一合理的水位范围,在某一水位条件下,通过对水面以下各断面进行积分,得到过流面积、河宽及湿周。对桥址断面,在断面信息导入时除河床断面数据外,尚需导入墩台边界信息,以考虑墩台对河道压缩造成的影响,得到考虑压缩效应的过流面积、河宽以及湿周。第四步中,将悬移质泥沙分成n个粒径组,假设各组泥沙独立保持各自的平衡关系而不互相影响,在离散泥沙连续方程时计入非恒定因素的影响。从数值离散后得到的式(8)可以看出,下一时段本断面的含沙量包括三部分:下一时刻本断面的挟沙力S_*i,j+1;本时刻本断面的含沙量S_i,j;以及下一时刻上一断面的含沙量S_i-1,j+1。在离散河床变形方程时,综合式(3)、(4)后得到:ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="203"/>对该式进行数值离散后得到用于河床变形计算的差分方程式(9)。由式(8)求出各自对应的分组含沙量,由式(12)求出各自对应的分组挟沙力,再根据式(9)求出分组冲淤量,对分组冲淤量进行累加即可得到河床对应的平均冲淤厚度。悬沙粒径分布在运动过程中的,各粒径组含沙量和水流挟沙力也随之变化,分组计算法可计算得到各时刻、各分组的挟沙力和含沙量,将各时刻、各分组含沙量引入河床变形方程,即可得到各时刻、各分组泥沙的河床冲淤量,对分组冲淤量进行累加即可得到河床对应的平均冲淤厚度。按冲淤厚度修正河床高程,即得到大桥河段河床各时刻一般冲刷的高程,输出各时刻高程,即为一般冲刷河床的实时预报信息。图2为根据式(5)利用实测河道断面资料插值得到的河床平均高程。实测河道断面河床平均高程通过前述EXCELxa0VBA程序计算得到,在对计算区域划分空间步长后,根据计算断面所在的前后两实测河道断面对应河床平均高程,按式(5)进行线性插值后得到。图3表示由本发明的方法计算得到的某实桥桥址及其附近的上下游断面河床高程随时间的发展过程,该图的河床高程可作为实时评判大桥基础安全性的重要参考,以便随时发现险情,及时处理,保证桥梁的安全运营。过流断面上流体与固体壁面接触的周界线,称为湿周(Wettedxa0Perimeter),湿周是过水断面的重要水力要素之一,湿周越大水流阻力及水头损失也越大。如上所述,对本发明的实施例进行了详细地说明,但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形,这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此,这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。