基于案例统计及溃决过程的堰塞坝溃口形态预测方法与流程

1.本发明涉及地质灾害应急响应技术领域，具体涉及一种基于案例统计及溃决过程的堰塞坝溃口形态预测方法。


背景技术：

2.堰塞坝是指地震或强降雨引发山体滑坡后，堵塞河道形成堰塞湖的松散堆积物。由于坝体粒径分布差异大，整体稳定性和抗冲蚀性低，存在较大溃决风险。一旦溃决，溃坝洪水会对下游村庄与工程造成严重破坏。堰塞坝发生后，提前预测坝体溃决洪峰流量和评估灾损可以帮助制定有效的应急处置预案。考虑快速预测的需要，参数假定类模型是常被采用的数学模型，其中堰塞坝最终溃口形状是直接影响预测精度的关键参数。
3.关于垂向溃决程度，现场处置时常按估计的垂向几分之几溃制定应急预案，缺少系统性的确定方法，且现有预测未考虑处置后坝体和库容的变化，同样现有少数线性拟合公式中的参数主要通过准确度比选得到，缺乏选参理论依据，也未考虑坝体垂向结构对垂向溃决程度的影响。
4.此外，相比土石坝展宽的预测公式，堰塞坝溃口展宽的预测还有待完善。虽也有少数基于堰塞坝案例的展宽公式，但由于堰塞坝多为部分溃，溃决程度与土石坝不同，且其多发生在窄深河道，当垂向溃决程度较大时，展宽还会受河宽限制，现有研究中暂未考虑这一参数。
5.综上所述，现有技术在预测堰塞坝的溃口形态时，垂向溃决程度以及溃口展宽的预测存在理论性和准确性不足的问题。


技术实现要素：

6.本发明旨在解决现有堰塞坝垂向溃决程度预测方法存在理论性和准确性不足的问题，提出一种基于案例统计及溃决过程的堰塞坝溃口形态预测方法。
7.本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：
8.基于案例统计及溃决过程的堰塞坝溃口形态预测方法，所述方法包括：
9.获取案例库中自然溃决的溃决案例以及各溃决案例对应的基础参数和垂向溃决程度，所述基础参数包括：坝高、坝长、长高比、坝体体积、坝体材料组成、上游来流量和库容数据；
10.对基础参数和垂向溃决程度进行分类，并基于相关性分析、列联交叉分析和溃决过程分析从基础参数中确定影响垂向溃决程度的关键参数；
11.将垂向溃决程度划分两类，两类垂向溃决程度分别为小于或等于1/2坝高和大于1/2坝高，根据各溃决案例的关键参数和垂向溃决程度，并基于逻辑回归分析构建用于计算垂向溃决程度大于1/2坝高的概率的表达式；
12.获取待预测堰塞坝的关键参数，根据待预测堰塞坝的关键参数的类别并基于所述表达式确定待预测堰塞坝的垂向溃决程度是否大于1/2坝高。
13.进一步地，所述用于计算垂向溃决程度大于1/2坝高的概率的表达式如下：
[0014][0015]
式中，p为垂向溃决程度大于1/2坝高的概率，β0为常数项，β1、β2、
…
、βn为偏回归系数，x1、x2、
…
、xn为关键参数的类别。
[0016]
进一步地，所述关键参数为长高比和坝体材料，所述用于计算垂向溃决程度大于1/2坝高的概率的表达式如下：
[0017][0018]
式中，x1为坝体材料的类别，x2为长高比的类别。
[0019]
进一步地，所述方法还包括：
[0020]
当判定待预测堰塞坝的垂向溃决程度大于1/2坝高时，判断坝体材料是否由黄土和黏土组成，若是，则将坝高作为待预测堰塞坝的垂向溃决程度，否则，将2/3坝高、3/4坝高或者3/5坝高作为待预测堰塞坝的垂向溃决程度。
[0021]
进一步地，所述方法还包括：
[0022]
当判定待预测堰塞坝的垂向溃决程度不大于1/2坝高时，获取待预测堰塞坝的坡比，若所述坡比处于第一预设范围，则将1/3坝高作为待预测堰塞坝的垂向溃决程度，若所述坡比处于第二预设范围，则将1/2坝高作为待预测堰塞坝的垂向溃决程度。
[0023]
进一步地，所述方法还包括：
[0024]
当待预测堰塞坝为二元叠结构或三元叠结构时，获取二元叠结构或三元叠结构底层顶面的高程，并判断待预测堰塞坝的垂向溃决程度对应的高程是否小于底层顶面的高程，若是，则重新确定待预测堰塞坝的垂向溃决程度。
[0025]
进一步地，所述重新确定待预测堰塞坝的垂向溃决程度，具体包括：
[0026]
若二元叠结构的底层由完整的岩层组成，顶层由碎块土石或孤块碎石组成，则将顶层的高度与坝高的比值作为重新确定的垂向溃决程度；
[0027]
若二元叠结构的底层由碎块石土组成，顶层由孤块碎石组成，则在垂向溃决程度与2/3坝高之间选择一个值作为重新确定的垂向溃决程度；
[0028]
若三元叠结构的底层由完整的岩层组成，中间层由孤块碎石组成，顶层由碎块石土组成，则将顶层与中间层的高度和与坝高的比值作为重新确定的垂向溃决程度。
[0029]
进一步地，所述方法还包括：
[0030]
获取待预测堰塞坝的坝体坡比、坝长、坝高和实际下泄库容；
[0031]
根据待预测堰塞坝的垂向溃决程度和坝高确定待预测堰塞坝的垂向溃决深度，并根据待预测堰塞坝的坝体坡比、坝长和垂向溃决深度计算待预测堰塞坝溃决后的溃口横断面面积；
[0032]
根据待预测堰塞坝的溃口横断面面积、实际下泄库容和垂向溃决深度计算待预测堰塞坝溃决后的溃口顶宽和溃口底宽。
[0033]
进一步地，当待预测堰塞坝的垂向溃决程度小于或等于1/2坝高时，待预测堰塞坝溃决后的溃口顶宽和溃口底宽的计算公式如下：
[0034]bmte′
＝13.858w
′
0.4577h′
；
[0035]bmbe′
＝5.1707w
′
0.4964h′
；
[0036]
式中，b
mt
为溃口顶宽，b
mb
为溃口底宽，e
′
为溃口横断面面积，w
′
为实际下泄库容，h
′
为垂向溃决深度。
[0037]
进一步地，当待预测堰塞坝的垂向溃决程度大于1/2坝高时，待预测堰塞坝溃决后的溃口顶宽和溃口底宽的计算公式如下：
[0038]bmte′
＝28.818w
′-0.088b1.549h′
；
[0039]bmbe′
＝6.991w
′
0.357b0.406h′
；
[0040]
式中，b
mt
为溃口顶宽，b
mb
为溃口底宽，e
′
为溃口横断面面积，b为河道宽度，w
′
为实际下泄库容，h
′
为垂向溃决深度。
[0041]
本发明的有益效果是：本发明所述的基于案例统计及溃决过程的堰塞坝溃口形态预测方法，通过溃决案例并基于相关性分析、列联交叉分析和溃决过程分析来筛选用于垂向溃决程度预测的关键参数，提高了关键参数筛选的准确性，进而提高了垂向溃决程度预测的准确性。并且根据溃决案例的关键参数构建表达式，基于表达式能够准确预测得到堰塞坝的垂向溃决程度是否大于1/2坝高。针对特殊堰塞坝，通过坝体材料、坡比以及坝体结构进一步确定堰塞坝的垂向溃决程度，进一步提高了垂向溃决程度预测的准确性。此外，还根据预测得到的垂向溃决程度并基于案例分析创建的公式计算堰塞坝的溃口展宽，且在垂向溃决程度大于1/2坝高时，还引进了参数河道宽度，提升了溃口展宽预测的准确度。
附图说明
[0042]
图1为本发明实施例所述基于案例统计及溃决过程的堰塞坝溃口形态预测方法的流程示意图；
[0043]
图2为本发明实施例所述长高比和坝体材料与垂向溃决程度的列联交叉分析示意图；
[0044]
图3为本发明实施例所述溃决过程分析示意图；
[0045]
图4为本发明实施例所述溃口展宽预测的流程示意图；
[0046]
图5为本发明实施例所述溃口的结构示意图。
具体实施方式
[0047]
下面将结合附图及实施例对本发明的实施方式进行详细描述。
[0048]
本发明旨在提高堰塞坝溃口形态预测的准确性，提供一种基于案例统计及溃决过程的堰塞坝溃口形态预测方法，请参阅图1，包括以下步骤：
[0049]
步骤1、获取案例库中自然溃决的溃决案例以及各溃决案例对应的基础参数和垂向溃决程度，所述基础参数包括：坝高h、坝长l、长高比l/h、坝体体积v、坝体材料组成、上游来流量q和库容数据w；
[0050]
本实施例中，收集70年代以来国内外49个具有详细基础参数且自然溃决的堰塞坝溃决案例，并分别获取对应的基础参数和垂向溃决程度。
[0051]
步骤2、对基础参数和垂向溃决程度进行分类，并基于相关性分析、列联交叉分析和溃决过程分析从基础参数中确定影响垂向溃决程度的关键参数；
[0052]
本实施例中，基础参数按风险等级划分界限值将坝高h、坝长l、长高比l/h、坝体体积v、上游来流量q和库容数据w等参数分为iii(3)或iv(4)类(库容参照体积分类值)。将坝体材料按照细粒组(黏土、黄土)、砂土混合物(砂为主)、碎石、砾石、砂(砾碎石为主)、块碎石(粒径d《200mm)、巨石/大块石(粒径d以米为单位)分为i(1)，ii(2)，iii(3)，iv(4)，v(5)类。
[0053]
另外，针对个别案例中对基础参数概况描述的情况，作如下分类处理：
[0054]
(1)如上游来流量q无具体数值，将其描述为“很小”、“较小”或“大”，把流量赋值为i(1)、ii(2)、iv(4)类；如遭遇强降雨、冰雪融化及上游存在其它堰塞坝溃决情况，均把上游来流量q赋值为iv(4)类；
[0055]
(2)对一些处置后又自然溃决的坝体(人工诱导破坏坝体不计)，据处置情况将处置后坝体看作“新坝体”重新分类。如数据不全，确定处置不引起坝体基础参数所在类别变化时，以处置前数据类别为准。
[0056]
(3)将垂向溃决程度按小于等于1/2坝高、约等于1/2坝高、大于1/2坝高且小于坝高、等于坝高(全溃)分为4类。
[0057]
本实施例中，经过分类后，上述收集的49个堰塞坝溃决案例的数据如下表所示：
[0058][0059]
注：表中坝体特征均为处置后数据，“是
*”代表自然溃决后处置。
[0060]
根据溃决案例的数据进行相关性分析、列联交叉分析和溃决过程分析即可从基础参数中确定影响垂向溃决程度的关键参数。
[0061]
其中，相关性分析(参数确定依据1)：
[0062]
kendall’stau-b相关分析所得结果如下表所示：
[0063][0064]
注：***、**、*分别代表1％、5％、10％的显著性水平。
[0065]
根据上表可以看出，垂向溃决程度的关键参数有坝体材料(-)、长高比(+)，坝体材料影响更明显。据经验抗冲性差、坝坡陡的坝体较抗冲性强、坝坡缓的坝体更易形成有效冲刷，垂向溃决程度更高。其中坝体材料的负相关性合理，长高比的正相关性还需复核。
[0066]
列联交叉分析(参数确定依据2)
[0067]
请参阅图2，图2为长高比、坝体材料与垂向溃决程度的列联交叉分析：长高比的正相关作用主要因为第iii类长高比中(图2a)，71.40％的全溃案例对应的几乎都是图2b中i类材料组成的全部溃决坝体(100％)，如易贡堰塞坝、米林加拉堰塞坝等。长高比与坝体材料高度相关(-0.537(p＝0.006***))，长高比影响分析应建立在材料相同前提下。案例中材料不完全相同，且大多堰塞坝具有宽缓断面，区分性不强，需借助模型试验分析同类别内坝体长高比影响，也可据溃决现象验证其它参数相关分析结果的合理性。
[0068]
溃决过程分析(参数确定依据3)
[0069]
为进一步分析同类别内坝体长高比影响，也为了据溃决现象验证其它参数相关分析结果的合理性，开展概化模型试验研究。请参阅图3，参照白格堰塞坝所在金沙江断面地形，取坝上游1.5km至下游2km的河道，以水平比尺1:200，垂直比尺1:150建立模型，坝体位置在横断面cs7～cs8之间。上下游河道内共架设4台水位仪记录水位变化(图中星号位置)。坝前、坝顶、坝后分别放置相机拍摄溃决过程。依据案例中堰塞坝实际情况，上游来流设置为3l/s。取0.075～4cm颗粒组成坝体材料，均质坝体中值粒径d50＝6mm。关于长高比参数影响，在试验中控制下游坡比(1：1.3～1：2.5)来改变长高比(3.5～4.5)，试验组次如下表所示。具体试验流程如下：
[0070]
(1)将坝体材料按照密实度(2.41g/cm3)和坝体含水率(12％)分层填筑，并在坝体表面绘制10
×
10cm网格；
[0071]
(2)打开供水阀，用水位计与摄像机记录库区涨水的过程与堰塞体溃决发展过程；
[0072]
(3)溃决结束后测定溃口参数。
[0073][0074]
试验现象表明，相同材料组成坝体，不同长高比影响下(组次1、2、3)的溃决过程及垂向溃决程度不同。长高比对垂向溃决程度有影响，当其由3.5增大至4.5，垂向溃决程度由27cm减小至20cm，减小了7cm，相当于原型10.5m。
[0075]
细颗粒和粗颗粒在溯源侵蚀及溃决过程中的起动状态不同，当坝面较宽缓时，水位落差及水流流速较小，更多粗大颗粒发生剪切破坏后不能随即起动，停留在溃口底部，增大溃口底部的粗糙度，阻止溃决的进一步发展。另外，由于坝体下游河道坡度较缓且横向较宽，洪水从较窄溃口流入下游河道后，过水断面面积增大，洪水流速急剧减小，较大粒径颗粒先于坝底溃口处沉降形成淤积，偏细颗粒由水流向下游运动淤积。当长高比较小时，溃口
粗化现象明显且河床再平衡状态会提前结束，故垂向溃决程度较小。因此，是坝坡水头差而非仅坝高及坝体材料决定终止侵蚀高度，即实际下泄库容，非总库容决定垂向溃决程度。溃决中止后，未下泄水量对溃决不起作用。坝体总体积对垂向溃决程度也影响较小，相关分析得库容的负相关关系是因库容与坝高有关，而坝高与垂向溃决程度呈数值负相关。溃决时，上游来流相比溃坝流量微乎其微，其对垂向溃决程度影响很小，仅在溃决结束后对残留坝体形成缓慢冲刷。
[0076]
根据上述分析，本实施例通过对收集的49个堰塞坝溃决案例的数据进行相关性分析、列联交叉分析和溃决过程分析，得出影响坝体垂向溃决程度的主要因素为长高比(-)和坝体材料(-)，即长高比和坝体材料为从基础参数中筛选得到的关键参数。
[0077]
步骤3、将垂向溃决程度划分两类，两类垂向溃决程度分别为小于或等于1/2坝高和大于1/2坝高，根据各溃决案例的关键参数和垂向溃决程度，并基于逻辑回归分析构建用于计算垂向溃决程度大于1/2坝高的概率的表达式；
[0078]
本实施例将垂向溃决程度看做二分类变量，其取值为y＝0(垂向溃决程度小于等于1/2坝高)或y＝1(垂向溃决程度大于1/2坝高)。再导入49个溃决案例的数据采用逻辑回归分析构建用于计算垂向溃决程度大于1/2坝高的概率的表达式。
[0079]
假设影响y取值的自变量(即关键参数)有n个，则在n个自变量作用下垂向溃决程度大于1/2坝高的概率p的表达式为：
[0080][0081]
式中，p为垂向溃决程度大于1/2坝高的概率，β0为常数项，β1、β2、
…
、βn为偏回归系数，x1、x2、
…
、xn为关键参数的类别。
[0082]
本实施例中，影响坝体垂向溃决程度的关键参数为长高比和坝体材料，基于上述49个案例进行逻辑回归分析得到对应的常数项和偏回归系数，则垂向溃决程度大于1/2坝高的概率p的表达式为：
[0083][0084]
式中，x1为坝体材料的类别，x2为长高比的类别。
[0085]
上述表达式中，常数项和偏回归系数由案例库中80％的案例数据，经逻辑回归分析建立的，模型准确率为80％，似然比卡方值23.23(p＝0.016**)，水平上呈现显著性，模型有效。将案例库中其余20％的案例数据(6个)拿来验证，只错误1个，正确率83％，说明该方法可用于准确预测坝体垂向溃决程度是否大于1/2坝高。
[0086]
步骤4、获取待预测堰塞坝的关键参数，根据待预测堰塞坝的关键参数的类别并基于所述表达式确定待预测堰塞坝的垂向溃决程度是否大于1/2坝高。
[0087]
本实施例中，当堰塞坝发生后，可以首先根据岸坡失稳类型、滑速(滑高决定)、失稳规模、河谷宽度，并配合dem遥感图、无人机可获得堰塞坝的基础数据，主要包括坝高h、坝长l、长高比l/h、坝体体积v等。然后根据岸坡岩性、岩体完整性及岸坡失稳类型可以快速判断堰塞坝的大致坝体材料组成。例如，自未经风化岸坡顺坡低位滑动的堰塞体骨架主要由粗颗粒组成，而自风化严重逆坡高位滑动而形成的堰塞体骨架结构主要由细颗粒组成。此
外，可通过上游水文站获得上游来流量q及库容数据w。其中，长高比(l/h)和坝体材料为关键参数。
[0088]
根据与步骤2中相同的分类方法，获得待预测堰塞坝的关键参数的类别，并将其输入概率计算表达式，即可确定待预测堰塞坝的垂向溃决程度是否大于1/2坝高。
[0089]
为了进一步提高预测准确性，本实施例经上述方法预测得垂向溃决程度后，再辅以案例经验总结辅助现场判断：
[0090]
当判定待预测堰塞坝的垂向溃决程度大于1/2坝高时，判断坝体材料是否为i类，即是否由黄土和黏土组成，若是，则将坝高作为待预测堰塞坝的垂向溃决程度，否则，将2/3坝高、3/4坝高或者3/5坝高作为待预测堰塞坝的垂向溃决程度，误差在1/15坝高内。
[0091]
当判定待预测堰塞坝的垂向溃决程度不大于1/2坝高时，获取待预测堰塞坝的坡比，若所述坡比处于第一预设范围，则将1/3坝高作为待预测堰塞坝的垂向溃决程度，若所述坡比处于第二预设范围，则将1/2坝高作为待预测堰塞坝的垂向溃决程度。
[0092]
具体地，根据溃决案例可知，垂向溃决程度为1/2坝高的坝体基本由iii，v类材料(砾石、块碎石)组成，如待预测堰塞坝的坡比较缓(略大于1：5)，则按1/3坝高估算，反之如坝体尖瘦，坡比在1：4左右，类似唐古栋堰塞坝，则按1/2坝高估算。
[0093]
这样将垂向溃决程度小于或等于1/2坝高的坝体溃决程度分为1/3溃，1/2溃，其误差大概为1/6坝高h。大多数堰塞坝处置后坝高h小于60m，一般小于或等于1/2溃的坝高h更小，故按前述1/15和1/6坝高h的误差估计，垂向溃决程度误差均小于10m，基本满足快速应急判断要求。
[0094]
另外，为进一步提高预测精度，对于结构特点鲜明的堰塞坝，在模型预测的基础上应按上述方法参考实际情况具体分析，减小预测误差。具体指：除均质结构外，考虑坝体可能存在的二元或者三元叠结构。
[0095]
本实施例中，当待预测堰塞坝为二元叠结构或三元叠结构时，获取二元叠结构或三元叠结构底层顶面的高程，并判断待预测堰塞坝的垂向溃决程度对应的高程是否小于底层顶面的高程，若是，则重新确定待预测堰塞坝的垂向溃决程度。其中，垂向溃决程度对应的高程是指堰塞坝按垂向溃决程度溃决后，保留坝体相对于地面的高度，底层顶面的高程是指底层顶面相对于地面的高度。
[0096]
具体地，二元叠结构有两种，一种底层由完整的岩层组成，顶层由碎块土石或孤块碎石组成，另一种底层由碎块石土组成，顶层由孤块碎石组成。三元叠结构的底层由完整的岩层组成，中间层由孤块碎石组成，顶层由碎块石土组成。
[0097]
对于第一种二元叠结构，判断待预测堰塞坝的垂向溃决程度对应的高程是否小于底层顶面的高程，若是，则将顶层的高度与坝高的比值作为重新确定的垂向溃决程度，否则，不考虑二元叠结构的影响。
[0098]
对于第二种二元叠结构，判断待预测堰塞坝的垂向溃决程度对应的高程是否小于底层顶面的高程，若是，则在垂向溃决程度与2/3坝高之间选择一个值作为重新确定的垂向溃决程度，否则，不考虑二元叠结构的影响。这是由于坝体底部以细颗粒为主，小流量下，底部坝体下沉严重，同时因为顶部粗颗粒为主的坝体材料黏结力差，坍塌严重，在下游坝址处会形成大量的粗颗粒淤积。相比近半溃均质坝体，该类坝体下部细颗粒抗冲性弱，下切程度会大于1/2溃，但因坝轴线附近粗颗粒落淤，难以起动，因此该类型坝体垂向溃决程度未超
过2/3坝高。
[0099]
对于三元叠结构，判断待预测堰塞坝的垂向溃决程度对应的高程是否小于底层顶面的高程，若是，则将顶层与中间层的高度和与坝高的比值作为重新确定的垂向溃决程度，否则，不考虑三元叠结构的影响。通过上述方法，能够避免坝体存在二元叠结构和三元叠结构的特殊坝体结构对垂向溃决程度的影响，进一步提高垂向溃决程度确定的准确性。
[0100]
基于上述方案，本实施例还能够实现对待预测堰塞坝溃决后的溃口顶宽和溃口底宽的预测。
[0101]
可以理解，考虑溃口冲刷是先淘后塌、坍塌土体又被下泄水量冲走的过程，本实施例在溃决最终状态下建立输沙平衡公式，当垂向溃决程度小于或等于1/2坝高时，溃坝结束冲走的土方量与实际下泄水量(与展宽有关)及实际垂向溃决深度相关。
[0102]
另外，堰塞坝多发生在“v”形河道，对于垂向溃决程度大于1/2坝高的坝体展宽除考虑上述参数外，还受限于河道宽度b。
[0103]
为了获得垂向溃决程度小于或等于1/2坝高以及大于1/2坝高时计算溃口展宽的关系式，本实施例在图中开展了系列概化试验，将试验数据换算至原型，并结合收集的试验数据和案例数据，考虑多尺度、多类型坝体建立和验证溃口展宽公式。涉及的试验数据有：
[0104]
(1)流量材料组合组：来流(1，3，5l/s)与坝体材料(d50＝0.18、0.27、1和1.6mm)共12场，编号
①②③④
、
⑤⑥⑦⑧
、
⑨⑩
；(2)变结构组：试验场3场，包括二元和三元叠结构，编号；(3)变长高比组：试验场2场，对应表4组次2、3，编号；(4)变坝体形状组：试验场4场，分别为“矮胖”形、“尖瘦”形、“上陡下缓”形、“上缓下陡”形，编号(来流1l/s，d50＝0.18mm)；(5)变密实度组：试验场2场，包括密实和松散场(2.338g/cm3和2.448g/cm3)，编号；(6)王道正等、石振明等开展的水槽试验和水平非均质组等6个工况，编号。
[0105]
其中，垂向溃决程度大于1/2坝高的坝体溃决数据如下表：
[0106]
[0107][0108]
垂向溃决程度小于或等于1/2坝高的坝体溃决数据如下表：
[0109][0110]
通过上述系列现场案例及模型试验数据推导可得，当待预测堰塞坝的垂向溃决程度小于或等于1/2坝高时：
[0111]bmte′
＝13.858w
′
0.4577h′
(r2＝0.96)；
[0112]bmbe′
＝5.1707w
′
0.4964h′
(r2＝0.86)；
[0113]
当待预测堰塞坝的垂向溃决程度大于1/2坝高时，待预测堰塞坝溃决后的溃口顶宽和溃口底宽的计算公式如下：
[0114]bmte′
＝28.818w
′-0.088b1.549h′
；
[0115]bmbe′
＝6.991w
′
0.357b0.406h′
；
[0116]
式中，b
mt
为溃口顶宽，b
mb
为溃口底宽，e
′
为溃口横断面面积，b为河道宽度，w
′
为实际下泄库容，h
′
为垂向溃决深度。
[0117]
上述工况和白格10.10堰塞坝数据未用于计算公式的推导，故取工况和白格
10.10堰塞坝数据验证，得底宽及顶宽分别为194和278m、104和161m，实际值为200和240m、100和120m,误差在13％-25％内，预测偏安全。当垂向溃决程度、坝体尺寸及河道地形已知时，上述方法可基本满足展宽预测需要。
[0118]
请参阅图4，在获得上述公式后，本实施例具体通过以下步骤进行溃口展宽的预测：
[0119]
(1)获取待预测堰塞坝的坝体坡比、坝长、坝高和实际下泄库容；
[0120]
(2)根据待预测堰塞坝的垂向溃决程度和坝高确定待预测堰塞坝的垂向溃决深度h
′
，并根据待预测堰塞坝的坝体坡比、坝长和垂向溃决深度h
′
计算待预测堰塞坝溃决后的溃口横断面面积e
′
；
[0121]
请参阅图5，溃口横断面面积e
′
即溃口的横剖面投影面积，即被冲走的坝横断面面积，本实施例将其近似看做梯形，并通过坝体坡比、坝长和垂向溃决深度h
′
进行计算得到。
[0122]
(3)根据待预测堰塞坝的溃口横断面面积、实际下泄库容和垂向溃决深度计算待预测堰塞坝溃决后的溃口顶宽和溃口底宽。
[0123]
本实施例中，当待预测堰塞坝的垂向溃决程度小于或等于1/2坝高时，将溃口横断面面积、实际下泄库容和垂向溃决深度输入对应的计算公式即可计算得到溃口顶宽和溃口底宽。当待预测堰塞坝的垂向溃决程度大于1/2坝高时，将溃口横断面面积、实际下泄库容、河流宽度和垂向溃决深度输入对应的计算公式即可计算得到溃口顶宽和溃口底宽。
[0124]
综上所述，本实施例所述的基于案例统计及溃决过程的堰塞坝溃口形态预测方法，基于案例分析结果和溃决过程规律给出了堰塞坝垂向溃决程度及横向展宽(顶宽、底宽)的预测方法，具有较好的预测精度，且其中所需参数均为现场容易快速获取的参数，能满足紧急应急抢险时，快速研判溃口尺寸(尤其垂向切深)的要求，也可为假定参数类洪峰模型计算及现场决策者除险均提供有效参考。并且通过溃决案例并基于相关性分析、列联交叉分析和溃决过程分析来筛选用于垂向溃决程度预测的关键参数，提高了关键参数筛选的准确性，进而提高了垂向溃决程度预测的准确性。并且根据溃决案例的关键参数构建表达式，基于表达式能够准确预测得到堰塞坝的垂向溃决程度是否大于1/2坝高。针对特殊堰塞坝，通过坝体材料、坡比以及坝体结构进一步确定堰塞坝的垂向溃决程度，进一步提高了垂向溃决程度预测的准确性。此外，还根据预测得到的垂向溃决程度并基于案例分析创建的公式计算堰塞坝的溃口展宽，且在垂向溃决程度大于1/2坝高时，还引进了参数河道宽度，提升了溃口展宽预测的准确度。

技术特征：
1.基于案例统计及溃决过程的堰塞坝溃口形态预测方法，其特征在于，所述方法包括：获取案例库中自然溃决的溃决案例以及各溃决案例对应的基础参数和垂向溃决程度，所述基础参数包括：坝高、坝长、长高比、坝体体积、坝体材料组成、上游来流量和库容数据；对基础参数和垂向溃决程度进行分类，并基于相关性分析、列联交叉分析和溃决过程分析从基础参数中确定影响垂向溃决程度的关键参数；将垂向溃决程度划分两类，两类垂向溃决程度分别为小于或等于1/2坝高和大于1/2坝高，根据各溃决案例的关键参数和垂向溃决程度，并基于逻辑回归分析构建用于计算垂向溃决程度大于1/2坝高的概率的表达式；获取待预测堰塞坝的关键参数，根据待预测堰塞坝的关键参数的类别并基于所述表达式确定待预测堰塞坝的垂向溃决程度是否大于1/2坝高。2.如权利要求1所述的基于案例统计及溃决过程的堰塞坝溃口形态预测方法，其特征在于，所述用于计算垂向溃决程度大于1/2坝高的概率的表达式如下：式中，p为垂向溃决程度大于1/2坝高的概率，β0为常数项，β1、β2、
…
、β
n
为偏回归系数，x1、x2、
…
、x
n
为关键参数的类别。3.如权利要求2所述的基于案例统计及溃决过程的堰塞坝溃口形态预测方法，其特征在于，所述关键参数为长高比和坝体材料，所述用于计算垂向溃决程度大于1/2坝高的概率的表达式如下：式中，x1为坝体材料的类别，x2为长高比的类别。4.如权利要求1所述的基于案例统计及溃决过程的堰塞坝溃口形态预测方法，其特征在于，所述方法还包括：当判定待预测堰塞坝的垂向溃决程度大于1/2坝高时，判断坝体材料是否由黄土和黏土组成，若是，则将坝高作为待预测堰塞坝的垂向溃决程度，否则，将2/3坝高、3/4坝高或者3/5坝高作为待预测堰塞坝的垂向溃决程度。5.如权利要求4所述的基于案例统计及溃决过程的堰塞坝溃口形态预测方法，其特征在于，所述方法还包括：当判定待预测堰塞坝的垂向溃决程度不大于1/2坝高时，获取待预测堰塞坝的坡比，若所述坡比处于第一预设范围，则将1/3坝高作为待预测堰塞坝的垂向溃决程度，若所述坡比处于第二预设范围，则将1/2坝高作为待预测堰塞坝的垂向溃决程度。6.如权利要求5所述的基于案例统计及溃决过程的堰塞坝溃口形态预测方法，其特征在于，所述方法还包括：当待预测堰塞坝为二元叠结构或三元叠结构时，获取二元叠结构或三元叠结构底层顶面的高程，并判断待预测堰塞坝的垂向溃决程度对应的高程是否小于底层顶面的高程，若是，则重新确定待预测堰塞坝的垂向溃决程度。7.如权利要求6所述的基于案例统计及溃决过程的堰塞坝溃口形态预测方法，其特征
在于，所述重新确定待预测堰塞坝的垂向溃决程度，具体包括：若二元叠结构的底层由完整的岩层组成，顶层由碎块土石或孤块碎石组成，则将顶层的高度与坝高的比值作为重新确定的垂向溃决程度；若二元叠结构的底层由碎块石土组成，顶层由孤块碎石组成，则在垂向溃决程度与2/3坝高之间选择一个值作为重新确定的垂向溃决程度；若三元叠结构的底层由完整的岩层组成，中间层由孤块碎石组成，顶层由碎块石土组成，则将顶层与中间层的高度和与坝高的比值作为重新确定的垂向溃决程度。8.如权利要求7所述的基于案例统计及溃决过程的堰塞坝溃口形态预测方法，其特征在于，所述方法还包括：获取待预测堰塞坝的坝体坡比、坝长、坝高和实际下泄库容；根据待预测堰塞坝的垂向溃决程度和坝高确定待预测堰塞坝的垂向溃决深度，并根据待预测堰塞坝的坝体坡比、坝长和垂向溃决深度计算待预测堰塞坝溃决后的溃口横断面面积；根据待预测堰塞坝的溃口横断面面积、实际下泄库容和垂向溃决深度计算待预测堰塞坝溃决后的溃口顶宽和溃口底宽。9.如权利要求8所述的基于案例统计及溃决过程的堰塞坝溃口形态预测方法，其特征在于，当待预测堰塞坝的垂向溃决程度小于或等于1/2坝高时，待预测堰塞坝溃决后的溃口顶宽和溃口底宽的计算公式如下：b
mt
e
′
＝13.858w
′
0.4577
h
′
(r2＝0.96)；b
mb
e
′
＝5.1707w
′
0.4964
h
′
(r2＝0.86)；式中，b
mt
为溃口顶宽，b
mb
为溃口底宽，e
′
为溃口横断面面积，w
′
为实际下泄库容，h
′
为垂向溃决深度。10.如权利要求8所述的基于案例统计及溃决过程的堰塞坝溃口形态预测方法，其特征在于，当待预测堰塞坝的垂向溃决程度大于1/2坝高时，待预测堰塞坝溃决后的溃口顶宽和溃口底宽的计算公式如下：b
mt
e
′
＝28.818w
′-0.088
b
1.549
h
′
；b
mb
e
′
＝6.991w
′
0.357
b
0.406
h
′
；式中，b
mt
为溃口顶宽，b
mb
为溃口底宽，e
′
为溃口横断面面积，b为河道宽度，w
′
为实际下泄库容，h
′
为垂向溃决深度。

技术总结
本发明涉及地质灾害应急响应技术领域，公开了一种基于案例统计及溃决过程的堰塞坝溃口形态预测方法，旨在解决现有方法理论性和准确性不足的问题，方案主要包括：获取自然溃决案例中基础参数和垂向溃决程度；对基础参数和垂向溃决程度分类，并基于相关性分析、列联交叉分析和溃决过程分析确定影响垂向溃决程度的关键参数；将垂向溃决程度划分两类，基于逻辑回归分析构建计算垂向溃决程度大于1/2坝高概率的表达式；据待预测堰塞坝材料、形状及结构等其它特征进一步确定各大于和小于等于1/2坝高类别垂向溃决程度；考虑实际下泄水量及河宽，分类给出不同垂向溃决程度下的溃口展宽。本发明实现了溃口形态预测科学性、系统性和实用性的统一。用性的统一。用性的统一。


技术研发人员：余挺 张冲 王静雯 谈广鸣 张燕 王锐 吕金波 马顺刚 王飞龙 蒋陶 周正军 舒彩文 韩沙沙
受保护的技术使用者：中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司
技术研发日：2023.05.18
技术公布日：2023/8/9