CN113536462B - 适用于多泥沙河流的防沙平底船尺寸设计方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于多泥沙河流的防沙平底船尺寸设计方法及***，其方法包括：收集目标河道实测资料，根据所述实测资料分析目标河道的水文断面冲淤变化特点，基于所述目标河道的水文断面冲淤变化特点，拟合出目标河道的水面宽度与流量的函数表达式，根据所述实测资料确定目标河道在设计通航条件下对应的流量，将所述流量代入函数表达式中计算出设计通航条件下对应的期望水面宽度，以所述期望水面宽度为基础，根据所述设计通航条件拟合出设计防沙平底船的宽度和吃水深度的表达式，利用所述设计防沙平底船的宽度和吃水深度的表达式计算出设计防沙平底船的目标宽度和目标长度。保证了最终设计出的防沙平底船更加实用，避免了成本的浪费。
Description
技术领域
本发明涉及防沙平底船制造技术领域，尤其涉及一种适用于多泥沙河流的防沙平底船尺寸设计方法及***。
背景技术
黄河以多泥沙、善淤、善徙文明于世。古代黄河航运较为发达，最早关于黄河航运的记载发生于黄河小北干流的“泛舟之役”，汉、魏、晋、隋、唐、宋等朝千余年间，均有黄河航运的大量记载。近代以来，由于黄河淤积严重，使船只难以在河道中通行。近几十年以来，随着黄河中游黄土高原水土保持的大力开展，黄河来沙日趋减少，黄河河道主河槽过水能力有所恢复。随着社会经济的发展，急需恢复黄河航道，以便将黄河腹地等大量的矿产资源运往沿线城市，从而支撑地方经济的发展。
黄河汛期水沙量较丰，河道便于通航，但也可能因为发生高含沙洪水而产生河道淤积，从而阻碍河道通航。防沙平底船由于船底较宽，对河道水深要求相对较低，可以很好的适用于多泥沙河流的航运。然而，由于黄河自身特性，需要根据实际情况对防沙平底船的宽度及吃水深度加以控制。但是，以往研究中，对多泥沙河流中行驶的防沙平底船的设计技术参数缺少研究，从而限制了多泥沙河流中航道技术的发展，现有的防沙平底船设计方法为设计人员根据需求自行绘制出船只尺寸设计方案，然后根据船只尺寸设计方案进行船只制造，但是这种方法存在以下缺点：由于设计指标的唯一性，故而无法针对不同河道来灵活的改变设计指标，同时，在设定设计指标时没有将河道的影响因素考虑在内从而造成最终设计的船只无法使用情况的发生，浪费了成本。
发明内容
针对上述所显示出来的问题，本发明提供了一种适用于多泥沙河流的防沙平底船尺寸设计方法及***，用以解决背景技术中提到的由于设计指标的唯一性，故而无法针对不同河道来灵活的改变设计指标，同时，在设定设计指标时没有将河道的影响因素考虑在内从而造成最终设计的船只无法使用情况的发生，浪费了成本的问题。
一种适用于多泥沙河流的防沙平底船尺寸设计方法，包括以下步骤：
收集目标河道实测资料，根据所述实测资料分析目标河道的水文断面冲淤变化特点；
基于所述目标河道的水文断面冲淤变化特点，拟合出目标河道的水面宽度与流量的函数表达式；
根据所述实测资料确定目标河道在设计通航条件下对应的流量，将所述流量代入函数表达式中计算出设计通航条件下对应的期望水面宽度；
以所述期望水面宽度为基础，根据所述设计通航条件拟合出设计防沙平底船的宽度和吃水深度的表达式，利用所述设计防沙平底船的宽度和吃水深度的表达式计算出设计防沙平底船的目标宽度和目标长度。
优选的，所述收集目标河道实测资料，根据所述实测资料分析目标河道的水文断面冲淤变化特点，包括：
收集目标河道代表水文测站历年实测数据以及目标河道水文断面实测地形，所述历年实测数据包括：目标河道的日均流量和日均水面宽度；
基于所述历年实测数据，根据目标河道水文断面实测地形计算出目标河道汛期、非汛期、全年的河道河槽冲淤量；
根据所述目标河道汛期、非汛期、全年的河道河槽冲淤量分析出目标河道的水文断面冲淤变化特点。
优选的，所述基于所述目标河道的水文断面冲淤变化特点，拟合出目标河道的水面宽度与流量的函数表达式，包括：
根据所述目标河道的水文断面冲淤变化特点确定目标河道水文代表断面；
获取目标河道水文代表断面对应的目标河道的水面宽度和流量；
整理目标河道实测洪水要素资料，根据所述目标河道实测洪水要素资料和目标河道水文代表断面对应的目标河道的水面宽度和流量拟合出目标河道的水面宽度与流量的函数表达式：
其中，B表示为目标河道水文代表断面对应的目标河道的水面宽度，Q表示为目标河道水文代表断面对应的目标河道的流量，α1表示为目标河道实测洪水要素资料中的第一待定参数，β1表示为目标河道实测洪水要素资料中的第二待定参数。
优选的，根据所述实测资料确定目标河道在设计通航条件下对应的流量，将所述流量代入函数表达式中计算出设计通航条件下对应的期望水面宽度，包括：
根据所述实测资料中确定目标河道的日均流量；
对所述日均流量进行统计分析，根据所述设计通航条件的设计参数计算出目标河道在设计通航条件下对应的流量Qs；
将所述目标河道在设计通航条件下对应的流量Qs代入到所述流量代入函数表达式中计算出目标河道在设计通航条件下的期望水面宽度Bs。
优选的，所述以所述期望水面宽度为基础，根据所述设计通航条件拟合出设计防沙平底船的宽度和吃水深度的表达式，利用所述设计防沙平底船的宽度和吃水深度的表达式计算出设计防沙平底船的目标宽度和目标长度，包括：
根据如下公式计算出设计防沙平底船的吃水深度：
hc＝hs-h1-σh2-h0
其中，hc表示为设计防沙平底船的吃水深度，hs表示为设计通航条件对应的航道设计水深，h1表示为设计防沙平底船触底安全富裕深度，σ表示为考虑多泥沙河流发生大于预设规模淤积时的调整系数，h2表示为目标河道内的备淤深度，h0表示为设计防沙平底的船航行下沉量；
根据设计防沙平底船的吃水深度计算出设计防沙平底船的目标宽度，针对单线航道，根据如下公式计算出设计防沙平底船的目标宽度：
其中，Bc1表示为单线航道下的设计防沙平底船的目标宽度，ml表示为目标河道左岸边坡系数，mr表示为目标河道右岸边坡系数，γ表示为航迹带宽与设计防沙平底船宽度限值的比值，δ表示为设计防沙平底船至航道边缘的安全距离与防沙平底船航迹带比值，ω表示为预设比例因子，θ表示为设计防沙平底船的航行漂角，sinθ表示为设计防沙平底船的航行漂角的正弦值；
根据单线航道下的设计防沙平底船的目标宽度和目标河道在设计通航条件下的期望水面宽度计算出单线航道下的设计防沙平底船的目标长度：
其中，L1表示为单线航道下的设计防沙平底船的目标长度，d表示为设计防沙平底船至航道边缘的安全距离，Bs表示为目标河道在设计通航条件下的期望水面宽度；
针对双线航道，根据如下公式计算出设计防沙平底船的目标宽度：
其中，Bc2表示为双线航道下的设计防沙平底船的目标宽度，δ1表示为设计防沙平底船上行至航道边缘处安全距离与设计防沙平底船航迹带宽度比值，δ2表示为设计防沙平底船下行至航道边缘处安全距离与设计防沙平底船航迹带宽度比值，η表示为上、下行防沙平底船会船时的安全距离与设计防沙平底船航迹带比值；
根据双线航道下的设计防沙平底船的目标宽度和目标河道在设计通航条件下的期望水面宽度计算出双线航道下的设计防沙平底船的目标长度：
其中，L2表示为双线航道下的设计防沙平底船的目标长度，d1表示为设计防沙平底船上行时至航道边缘处的安全距离，d2表示为设计防沙平底船下行时至航道边缘处的安全距离，C表示为上、下行防沙平底船会船时的安全距离。
优选的，所述方法还包括：
根据设计防沙平底船的目标宽度和目标长度构建模拟船只模型；
利用预设场景构建算法构建预设规模泥沙的目标河道场景模型；
将所述模拟船只模型合并到目标河道场景模型中进行行进模拟，获取模拟结果；
根据所述模拟结果确定模拟船只模型的行进速率与下沉高度；
根据所述行进速率与下沉高度结合设计防沙平底船表面部件的屈服强度计算出设计防沙平底船的目标安全系数；
将所述目标安全系数与预设安全系数进行比较，当所述目标安全系数大于等于预设安全系数时，确认所述设计防沙平底船的设计指标合格，当所述目标安全系数小于所述预设安全系数时，确认所述设计防沙平底船的设计指标不合格。
优选的，所述方法还包括：
确定目标河道上游最大流量和下游河道最小流量；
以所述目标河道上游最大流量和下游河道最小流量为目标，以流量平衡约束为约束条件，构建基于目标河道的多目标流量调度模型；
对所述多目标流量调度模型进行求解，获得非劣解集；
在所述非劣解集中随机挑选多个目标解，根据所述目标解确定目标河道中的风险因子；
获取每个目标解的特征参数，根据每个目标解的特征参数构建每个风险因子的边缘分布；
根据每个风险因子的边缘分布以及每个风险因子的属性值构建关于目标河道的综合风险平评估模型；
根据所述目标河道的水文断面冲淤变化特点，利用所述目标河道的综合风险平评估模型评估出目标河道的潜在高风险概率；
获取所述目标河道的河床地形图，对所述河床地形图进行数据化处理，获得处理数据；
获取目标河道的历年洪水资料，根据所述历年洪水资料获得每次洪水侵蚀时的淤泥沉积量和河道水流量；
根据所述处理数据和每次洪水侵蚀时的淤泥沉积量和河道水流量绘制目标河道的洪水淤泥沿河道水流量的河床高低变化关系图；
计算所述目标河道的洪水淤泥沿河道水流量的河床高低变化关系图中每个分段的平均分值；
根据每个分段的平均分值计算目标河道的综合分值，根据所述目标河道的综合分值计算出目标河道岸坡的稳定性指数；
根据目标河道的潜在高风险概率和目标河道岸坡的稳定性指数计算出设计防沙平底船尺寸的修正系数；
利用所述修正系数对设计防沙平底船的目标宽度和目标长度进行修正以获得设计防沙平底船的最终尺寸数据。
优选的，根据所述模拟结果确定模拟船只模型的行进速率与下沉高度，包括：
基于所述模拟结果，获取所述模拟船只模型在所述行进模拟过程中的流压力系数和所受到的推压力以及所述目标河道场景模型的横向流速；
基于所述模拟船只模型在所述行进模拟过程中的流压力系数和所述目标河道场景模型的横向流速，计算所述模拟船只模型在所述行进模拟过程中的横向流压转船力矩：
式中，M为所述模拟船只模型在所述行进模拟过程中的横向流压转船力矩，M的单位为N·m，ρ为多泥沙河流的密度，ρ的单位为kg·s2/m4，g为重力加速度，g的取值为9.8m/s2，A为所述模拟船只模型在所述行进模拟过程中的流压力系数，v为所述目标河道场景模型的横向流速，v的单位为m/s，L为所述计通航条件中预先规定的垂线间长，L的单位为m，W为所述计通航条件中预先规定的横向间距，W的单位为m，α为所述模拟船只模型的航向与所述目标河道场景模型的流向的夹角，sinα为所述模拟船只模型的航向与所述目标河道场景模型的流向的夹角正弦值，π为圆周率，π的取值为3.14，l为所述模拟船只模型的重心至所述模拟船只模型受到的合力作用点之间的距离；
基于所述模拟船只模型在所述行进模拟过程中的横向流压转船力矩和所收到的推压力，计算所述模拟船只模型的行进速率：
式中，v1为所述模拟船只模型的行进速率，β为所述模拟船只模型的舵角，F为所述模拟船只模型在所述行进模拟过程中所收到的推压力。
优选的，根据所述模拟结果确定模拟船只模型的行进速率与下沉高度，还包括：
基于所述模拟船只模型的行进速率，计算所述模拟船只模型的下沉高度：
式中，h′为所述模拟船只模型的下沉高度，hc为设计防沙平底船的吃水深度，h0为设计防沙平底的船航行下沉量。
一种适用于多泥沙河流的防沙平底船尺寸设计***，该***包括：
分析模块，用于收集目标河道实测资料，根据所述实测资料分析目标河道的水文断面冲淤变化特点；
拟合模块，用于基于所述目标河道的水文断面冲淤变化特点，拟合出目标河道的水面宽度与流量的函数表达式；
第一计算模块，用于根据所述实测资料确定目标河道在设计通航条件下对应的流量，将所述流量代入函数表达式中计算出设计通航条件下对应的期望水面宽度；
第二计算模块，用于以所述期望水面宽度为基础，根据所述设计通航条件拟合出设计防沙平底船的宽度和吃水深度的表达式，利用所述设计防沙平底船的宽度和吃水深度的表达式计算出设计防沙平底船的目标宽度和目标长度。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
图1为本发明所提供的一种适用于多泥沙河流的防沙平底船尺寸设计方法的工作流程图；
图2为本发明所提供的一种适用于多泥沙河流的防沙平底船尺寸设计方法的另一工作流程图；
图3为本发明所提供的一种适用于多泥沙河流的防沙平底船尺寸设计方法的又一工作流程图；
图4为根据本范明方法实行实施例中高村水文站水面宽度与流量的关系图；
图5为根据本范明方法实行实施例中艾山水文站水面宽度与流量的关系图；
图6为本发明所提供的一种适用于多泥沙河流的防沙平底船尺寸设计***的结构示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
黄河以多泥沙、善淤、善徙文明于世。古代黄河航运较为发达，最早关于黄河航运的记载发生于黄河小北干流的“泛舟之役”，汉、魏、晋、隋、唐、宋等朝千余年间，均有黄河航运的大量记载。近代以来，由于黄河淤积严重，使船只难以在河道中通行。近几十年以来，随着黄河中游黄土高原水土保持的大力开展，黄河来沙日趋减少，黄河河道主河槽过水能力有所恢复。随着社会经济的发展，急需恢复黄河航道，以便将黄河腹地等大量的矿产资源运往沿线城市，从而支撑地方经济的发展。
黄河汛期水沙量较丰，河道便于通航，但也可能因为发生高含沙洪水而产生河道淤积，从而阻碍河道通航。防沙平底船由于船底较宽，对河道水深要求相对较低，可以很好的适用于多泥沙河流的航运。然而，由于黄河自身特性，需要根据实际情况对防沙平底船的宽度及吃水深度加以控制。但是，以往研究中，对多泥沙河流中行驶的防沙平底船的设计技术参数缺少研究，从而限制了多泥沙河流中航道技术的发展，现有的防沙平底船设计方法为设计人员根据需求自行绘制出船只尺寸设计方案，然后根据船只尺寸设计方案进行船只制造，但是这种方法存在以下缺点：由于设计指标的唯一性，故而无法针对不同河道来灵活的改变设计指标，同时，在设定设计指标时没有将河道的影响因素考虑在内从而造成最终设计的船只无法使用情况的发生，浪费了成本，为了解决上述问题，本实施例公开了一种适用于多泥沙河流的防沙平底船尺寸设计方法。
一种适用于多泥沙河流的防沙平底船尺寸设计方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤S101、收集目标河道实测资料，根据所述实测资料分析目标河道的水文断面冲淤变化特点；
步骤S102、基于所述目标河道的水文断面冲淤变化特点，拟合出目标河道的水面宽度与流量的函数表达式；
步骤S103、根据所述实测资料确定目标河道在设计通航条件下对应的流量，将所述流量代入函数表达式中计算出设计通航条件下对应的期望水面宽度；
步骤S104、以所述期望水面宽度为基础，根据所述设计通航条件拟合出设计防沙平底船的宽度和吃水深度的表达式，利用所述设计防沙平底船的宽度和吃水深度的表达式计算出设计防沙平底船的目标宽度和目标长度。
上述技术方案的工作原理为：收集目标河道实测资料，根据所述实测资料分析目标河道的水文断面冲淤变化特点，基于所述目标河道的水文断面冲淤变化特点，拟合出目标河道的水面宽度与流量的函数表达式，根据所述实测资料确定目标河道在设计通航条件下对应的流量，将所述流量代入函数表达式中计算出设计通航条件下对应的期望水面宽度，以所述期望水面宽度为基础，根据所述设计通航条件拟合出设计防沙平底船的宽度和吃水深度的表达式，利用所述设计防沙平底船的宽度和吃水深度的表达式计算出设计防沙平底船的目标宽度和目标长度。
上述技术方案的有益效果为：通过根据目标河道的水文断面冲淤变化特点，拟合出目标河道的水面宽度与流量的函数表达式进而结合设计通航条件拟合出设计防沙平底船的宽度和吃水深度的表达式来计算出设计防沙平底船的目标宽度和目标长度在考虑到目标河道的虑了河道形态及河道冲淤的影响，保证了最终设计出的防沙平底船更加实用，避免了成本的浪费，同时还具备成果可靠、计算简便、易于操作的优点，解决了现有技术中由于设计指标的唯一性，故而无法针对不同河道来灵活的改变设计指标，同时，在设定设计指标时没有将河道的影响因素考虑在内从而造成最终设计的船只无法使用情况的发生，浪费了成本的问题。
在一个实施例中，如图2所示，所述收集目标河道实测资料，根据所述实测资料分析目标河道的水文断面冲淤变化特点，包括：
步骤S201、收集目标河道代表水文测站历年实测数据以及目标河道水文断面实测地形，所述历年实测数据包括：目标河道的日均流量和日均水面宽度；
步骤S202、基于所述历年实测数据，根据目标河道水文断面实测地形计算出目标河道汛期、非汛期、全年的河道河槽冲淤量；
步骤S203、根据所述目标河道汛期、非汛期、全年的河道河槽冲淤量分析出目标河道的水文断面冲淤变化特点。
上述技术方案的有益效果为：通过根据目标河道代表水文测站历年实测数据来精准地确定目标河道的淤泥参数进而可以快速地评估出目标河道的水文断面冲淤变化特点，相比于现有技术中利用模型模拟来确定河道的冲淤变化特点来说更加实际，数据也更加具有说服性，保证了后续对应设计防沙平底船尺寸的计算准确性。
在一个实施例中，所述基于所述目标河道的水文断面冲淤变化特点，拟合出目标河道的水面宽度与流量的函数表达式，包括：
根据所述目标河道的水文断面冲淤变化特点确定目标河道水文代表断面；
获取目标河道水文代表断面对应的目标河道的水面宽度和流量；
整理目标河道实测洪水要素资料，根据所述目标河道实测洪水要素资料和目标河道水文代表断面对应的目标河道的水面宽度和流量拟合出目标河道的水面宽度与流量的函数表达式：
其中，B表示为目标河道水文代表断面对应的目标河道的水面宽度，Q表示为目标河道水文代表断面对应的目标河道的流量，α1表示为目标河道实测洪水要素资料中的第一待定参数，β1表示为目标河道实测洪水要素资料中的第二待定参数。
上述技术方案的有益效果为：通过利用目标河道水文代表断面的水面宽度和流量来拟合出目标河道的水面宽度与流量的函数表达式可以保证最终的函数表达式更加客观，利用直观明显代表的数据来确定函数表达式，提高了最终函数表达式的适用性。
在一个实施例中，如图3所示，根据所述实测资料确定目标河道在设计通航条件下对应的流量，将所述流量代入函数表达式中计算出设计通航条件下对应的期望水面宽度，包括：
步骤S301、根据所述实测资料中确定目标河道的日均流量；
步骤S302、对所述日均流量进行统计分析，根据所述设计通航条件的设计参数计算出目标河道在设计通航条件下对应的流量Qs；
步骤S303、将所述目标河道在设计通航条件下对应的流量Qs代入到所述流量代入函数表达式中计算出目标河道在设计通航条件下的期望水面宽度Bs。
上述技术方案的有益效果为：通过以目标河道的日均流量为基础来确定目标河道在设计通航条件下的流量可以使得最终计算出来的流量可以应对不同淤泥沉积情况，提高了实用性。
在一个实施例中，所述方法还包括：
确定目标河道上游最大流量和下游河道最小流量；
以所述目标河道上游最大流量和下游河道最小流量为目标，以流量平衡约束为约束条件，构建基于目标河道的多目标流量调度模型；
对所述多目标流量调度模型进行求解，获得非劣解集；
在所述非劣解集中随机挑选多个目标解，根据所述目标解确定目标河道中的风险因子；
获取每个目标解的特征参数，根据每个目标解的特征参数构建每个风险因子的边缘分布；
根据每个风险因子的边缘分布以及每个风险因子的属性值构建关于目标河道的综合风险平评估模型；
根据所述目标河道的水文断面冲淤变化特点，利用所述目标河道的综合风险平评估模型评估出目标河道的潜在高风险概率；
获取所述目标河道的河床地形图，对所述河床地形图进行数据化处理，获得处理数据；
获取目标河道的历年洪水资料，根据所述历年洪水资料获得每次洪水侵蚀时的淤泥沉积量和河道水流量；
根据所述处理数据和每次洪水侵蚀时的淤泥沉积量和河道水流量绘制目标河道的洪水淤泥沿河道水流量的河床高低变化关系图；
计算所述目标河道的洪水淤泥沿河道水流量的河床高低变化关系图中每个分段的平均分值；
根据每个分段的平均分值计算目标河道的综合分值，根据所述目标河道的综合分值计算出目标河道岸坡的稳定性指数；
根据目标河道的潜在高风险概率和目标河道岸坡的稳定性指数计算出设计防沙平底船尺寸的修正系数；
利用所述修正系数对设计防沙平底船的目标宽度和目标长度进行修正以获得设计防沙平底船的最终尺寸数据。
上述技术方案的有益效果为：通过评估目标河道的潜在高风险概率和目标河道岸坡的稳定性指数可以不止将目标河道的外界影响因素考虑在内来规划设计防沙平底船的尺寸，还将目标河道自身的危险因子考虑在内进而更加准确地确定设计防沙平底船的尺寸指标，进一步地提高了实用性和安全性。
在一个实施例中，所述以所述期望水面宽度为基础，根据所述设计通航条件拟合出设计防沙平底船的宽度和吃水深度的表达式，利用所述设计防沙平底船的宽度和吃水深度的表达式计算出设计防沙平底船的目标宽度和目标长度，包括：
根据如下公式计算出设计防沙平底船的吃水深度：
hc＝hs-h1-σh2-h0
其中，hc表示为设计防沙平底船的吃水深度，hs表示为设计通航条件对应的航道设计水深，h1表示为设计防沙平底船触底安全富裕深度，σ表示为考虑多泥沙河流发生大于预设规模淤积时的调整系数，h2表示为目标河道内的备淤深度，h0表示为设计防沙平底的船航行下沉量；
根据设计防沙平底船的吃水深度计算出设计防沙平底船的目标宽度，针对单线航道，根据如下公式计算出设计防沙平底船的目标宽度：
其中，Bc1表示为单线航道下的设计防沙平底船的目标宽度，ml表示为目标河道左岸边坡系数，mr表示为目标河道右岸边坡系数，γ表示为航迹带宽与设计防沙平底船宽度限值的比值，δ表示为设计防沙平底船至航道边缘的安全距离与防沙平底船航迹带比值，ω表示为预设比例因子，θ表示为设计防沙平底船的航行漂角，sinθ表示为设计防沙平底船的航行漂角的正弦值；
根据单线航道下的设计防沙平底船的目标宽度和目标河道在设计通航条件下的期望水面宽度计算出单线航道下的设计防沙平底船的目标长度：
其中，L1表示为单线航道下的设计防沙平底船的目标长度，d表示为设计防沙平底船至航道边缘的安全距离，Bs表示为目标河道在设计通航条件下的期望水面宽度；
针对双线航道，根据如下公式计算出设计防沙平底船的目标宽度：
其中，Bc2表示为双线航道下的设计防沙平底船的目标宽度，δ1表示为设计防沙平底船上行至航道边缘处安全距离与设计防沙平底船航迹带宽度比值，δ2表示为设计防沙平底船下行至航道边缘处安全距离与设计防沙平底船航迹带宽度比值，η表示为上、下行防沙平底船会船时的安全距离与设计防沙平底船航迹带比值；
根据双线航道下的设计防沙平底船的目标宽度和目标河道在设计通航条件下的期望水面宽度计算出双线航道下的设计防沙平底船的目标长度：
其中，L2表示为双线航道下的设计防沙平底船的目标长度，d1表示为设计防沙平底船上行时至航道边缘处的安全距离，d2表示为设计防沙平底船下行时至航道边缘处的安全距离，C表示为上、下行防沙平底船会船时的安全距离。
上述技术方案的有益效果为：通过分别计算单线航道和双线航道下的设计防沙平底船的目标宽度和目标宽度可以针对目标河道不同航行情况设计出不同的防沙平底船，进一步地提高了实用性。
在一个实施例中，所述方法还包括：
根据设计防沙平底船的目标宽度和目标长度构建模拟船只模型；
利用预设场景构建算法构建预设规模泥沙的目标河道场景模型；
将所述模拟船只模型合并到目标河道场景模型中进行行进模拟，获取模拟结果；
根据所述模拟结果确定模拟船只模型的行进速率与下沉高度；
根据所述行进速率与下沉高度结合设计防沙平底船表面部件的屈服强度计算出设计防沙平底船的目标安全系数；
将所述目标安全系数与预设安全系数进行比较，当所述目标安全系数大于等于预设安全系数时，确认所述设计防沙平底船的设计指标合格，当所述目标安全系数小于所述预设安全系数时，确认所述设计防沙平底船的设计指标不合格。
上述技术方案的有益效果为：通过模型设计防沙平底船在目标河道内的行进情况来确定所设计防沙平底船在目标河道内运行时的安全系数可以有效地评估出设计防沙平底船的安全性，保证了工作人员的生命安全，提高了严谨度。
在一个实施例中，根据所述模拟结果确定模拟船只模型的行进速率与下沉高度，包括：
基于所述模拟结果，获取所述模拟船只模型在所述行进模拟过程中的流压力系数(与流舷角和所述模拟船只的吃水深度有关，根据所述模拟船只的实验测定)和所受到的推压力以及所述目标河道场景模型的横向流速；
基于所述模拟船只模型在所述行进模拟过程中的流压力系数和所述目标河道场景模型的横向流速，计算所述模拟船只模型在所述行进模拟过程中的横向流压转船力矩：
式中，M为所述模拟船只模型在所述行进模拟过程中的横向流压转船力矩，M的单位为N·m，ρ为多泥沙河流的密度，ρ的单位为kg·s2/m4，g为重力加速度，g的取值为9.8m/s2，A为所述模拟船只模型在所述行进模拟过程中的流压力系数，v为所述目标河道场景模型的横向流速，v的单位为m/s，L为所述计通航条件中预先规定的垂线间长，L的单位为m，W为所述计通航条件中预先规定的横向间距，W的单位为m，α为所述模拟船只模型的航向与所述目标河道场景模型的流向的夹角，sinα为所述模拟船只模型的航向与所述目标河道场景模型的流向的夹角正弦值，π为圆周率，π的取值为3.14，l为所述模拟船只模型的重心至所述模拟船只模型受到的合力作用点之间的距离；
基于所述模拟船只模型在所述行进模拟过程中的横向流压转船力矩和所收到的推压力，计算所述模拟船只模型的行进速率：
式中，v1为所述模拟船只模型的行进速率，β为所述模拟船只模型的舵角，F为所述模拟船只模型在所述行进模拟过程中所收到的推压力。
上述技术方案的有益效果为：通过所述行进模拟过程中获得的数值计算出所述模拟船只模型在所述行进模拟过程中的横向流压转船力矩，并基于所述模拟船只模型在所述行进模拟过程中的横向流压转船力矩和所收到的推压力，计算出所述模拟船只模型的行进速率，为后续判断所述设计防沙平底船的设计指标是否合格提供了数据。
在一个实施例中，根据所述模拟结果确定模拟船只模型的行进速率与下沉高度，还包括：
基于所述模拟船只模型的行进速率，计算所述模拟船只模型的下沉高度：
式中，h′为所述模拟船只模型的下沉高度，hc为设计防沙平底船的吃水深度，h0为设计防沙平底的船航行下沉量。
上述技术方案的有益效果为：通过所述模拟船只模型的行进速率，计算处所述模拟船只模型的下沉高度，进一步为后续判断所述设计防沙平底船的设计指标是否合格提供了数据，使得设计指标是否合格的判断结果更加有说服力和严谨性。
在一个实施例中，包括：
黄河下游花园口～高村河段(简称花高河段)的之间的防沙平底船的吃水深度、宽度的计算；
以花园口水文站、高村水文站为该河段河道进、出口控制站，收集这两个水文测站水沙资料及该河段河道各地形测量断面实测历年地形数据。根据实测洪水要素资料，从偏向保证通航角度考虑，拟合汛期实测水面宽度与流量关系，如图4图5所示；
根据图4、5中分别得到花园口水文站、高村水文站的水面宽度与流量的关系，分别为：
花园口水文站： B＝7.7758Q0.5012
高村水文站：B＝53.513Q0.2857
以4级航道设计标准作为花园口～高村河段设计通航条件，统计分析花园口水文站、高村水文站2000～2019年汛期日均流量数据，通过分析得到流量保证率为95％的条件下花园口、高村水文站的流量分别为302m3/s、260m3/s；将流量数据分别代入上式计算得两站水面宽度分别为136m、262m。
根据地形数据分析2000以来花园口～高村河段的情况，该河段主槽多年冲刷，考虑到小浪底调水调沙期间，将会造成该河段主槽短时间内发生淤积，取备淤深度为0.2m，调整系数σ取1.0。防沙平底船航行下沉量h0与触底安全富裕度h1之和取0.25m，则防沙平底船吃水深度限值为：
hc＝hs-0.45
取γ为1.2，三项δ1+δ2+η为0.5，根据实测资料，花园口断面边坡系数ml、mr分别为0.018、1.303，高村断面边坡系数ml、mr分别为0.029、0.053，θ取3°。假如该河段为双线航道，将以上数据代入式(4)并整理得：
花园口断面：
高村断面：
从式中可以看出，该河段中花园口断面计算出来的Bc较高村断面小，因此，以式作为该河段防沙平底船的尺寸设计的控制方程。
本实施例还公开了一种适用于多泥沙河流的防沙平底船尺寸设计***，如图6所示，该***包括：
分析模块601，用于收集目标河道实测资料，根据所述实测资料分析目标河道的水文断面冲淤变化特点；
拟合模块602，用于基于所述目标河道的水文断面冲淤变化特点，拟合出目标河道的水面宽度与流量的函数表达式；
第一计算模块603，用于根据所述实测资料确定目标河道在设计通航条件下对应的流量，将所述流量代入函数表达式中计算出设计通航条件下对应的期望水面宽度；
第二计算模块604，用于以所述期望水面宽度为基础，根据所述设计通航条件拟合出设计防沙平底船的宽度和吃水深度的表达式，利用所述设计防沙平底船的宽度和吃水深度的表达式计算出设计防沙平底船的目标宽度和目标长度。
上述技术方案的工作原理及有益效果在方法权利要求中已经说明，此处不再赘述。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，并非特别指称次序或顺位的意思，亦非用以限定本发明，其仅仅是为了区别以相同技术用语描述的组件或操作而已，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案以及技术特征可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本领域技术用户员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (7)
1.一种适用于多泥沙河流的防沙平底船尺寸设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
收集目标河道实测资料，根据所述实测资料分析目标河道的水文断面冲淤变化特点；
基于所述目标河道的水文断面冲淤变化特点，拟合出目标河道的水面宽度与流量的函数表达式；
根据所述实测资料确定目标河道在设计通航条件下对应的流量，将所述流量代入函数表达式中计算出设计通航条件下对应的期望水面宽度；
以所述期望水面宽度为基础，根据所述设计通航条件拟合出设计防沙平底船的宽度和吃水深度的表达式，利用所述设计防沙平底船的宽度和吃水深度的表达式计算出设计防沙平底船的目标宽度和目标长度；
所述基于所述目标河道的水文断面冲淤变化特点，拟合出目标河道的水面宽度与流量的函数表达式，包括：
根据所述目标河道的水文断面冲淤变化特点确定目标河道水文代表断面；
获取目标河道水文代表断面对应的目标河道的水面宽度和流量；
整理目标河道实测洪水要素资料，根据所述目标河道实测洪水要素资料和目标河道水文代表断面对应的目标河道的水面宽度和流量拟合出目标河道的水面宽度与流量的函数表达式：
B＝α1Qβ1
其中，B表示为目标河道水文代表断面对应的目标河道的水面宽度，Q表示为目标河道水文代表断面对应的目标河道的流量，α1表示为目标河道实测洪水要素资料中的第一待定参数，β1表示为目标河道实测洪水要素资料中的第二待定参数；
根据所述实测资料确定目标河道在设计通航条件下对应的流量，将所述流量代入函数表达式中计算出设计通航条件下对应的期望水面宽度，包括：
根据所述实测资料中确定目标河道的日均流量；
对所述日均流量进行统计分析，根据所述设计通航条件的设计参数计算出目标河道在设计通航条件下对应的流量Qs；
将所述目标河道在设计通航条件下对应的流量Qs代入到所述流量代入函数表达式中计算出目标河道在设计通航条件下的期望水面宽度Bs；
所述以所述期望水面宽度为基础，根据所述设计通航条件拟合出设计防沙平底船的宽度和吃水深度的表达式，利用所述设计防沙平底船的宽度和吃水深度的表达式计算出设计防沙平底船的目标宽度和目标长度，包括：
根据如下公式计算出设计防沙平底船的吃水深度：
hc＝hs-h1-σh2-h0
其中，hc表示为设计防沙平底船的吃水深度，hs表示为设计通航条件对应的航道设计水深，h1表示为设计防沙平底船触底安全富裕深度，σ表示为考虑多泥沙河流发生大于预设规模淤积时的调整系数，h2表示为目标河道内的备淤深度，h0表示为设计防沙平底的船航行下沉量；
根据设计防沙平底船的吃水深度计算出设计防沙平底船的目标宽度，针对单线航道，根据如下公式计算出设计防沙平底船的目标宽度：
其中，Bc1表示为单线航道下的设计防沙平底船的目标宽度，ml表示为目标河道左岸边坡系数，mr表示为目标河道右岸边坡系数，γ表示为航迹带宽与设计防沙平底船宽度限值的比值，δ表示为设计防沙平底船至航道边缘的安全距离与防沙平底船航迹带比值，ω表示为预设比例因子，θ表示为设计防沙平底船的航行漂角，sinθ表示为设计防沙平底船的航行漂角的正弦值；
根据单线航道下的设计防沙平底船的目标宽度和目标河道在设计通航条件下的期望水面宽度计算出单线航道下的设计防沙平底船的目标长度：
其中，L1表示为单线航道下的设计防沙平底船的目标长度，d表示为设计防沙平底船至航道边缘的安全距离，Bs表示为目标河道在设计通航条件下的期望水面宽度；
针对双线航道，根据如下公式计算出设计防沙平底船的目标宽度：
其中，Bc2表示为双线航道下的设计防沙平底船的目标宽度，δ1表示为设计防沙平底船上行至航道边缘处安全距离与设计防沙平底船航迹带宽度比值，δ2表示为设计防沙平底船下行至航道边缘处安全距离与设计防沙平底船航迹带宽度比值，η表示为上、下行防沙平底船会船时的安全距离与设计防沙平底船航迹带比值；
根据双线航道下的设计防沙平底船的目标宽度和目标河道在设计通航条件下的期望水面宽度计算出双线航道下的设计防沙平底船的目标长度：
其中，L2表示为双线航道下的设计防沙平底船的目标长度，d1表示为设计防沙平底船上行时至航道边缘处的安全距离，d2表示为设计防沙平底船下行时至航道边缘处的安全距离，C表示为上、下行防沙平底船会船时的安全距离。
2.根据权利要求1所述适用于多泥沙河流的防沙平底船尺寸设计方法，其特征在于，所述收集目标河道实测资料，根据所述实测资料分析目标河道的水文断面冲淤变化特点，包括：
收集目标河道代表水文测站历年实测数据以及目标河道水文断面实测地形，所述历年实测数据包括：目标河道的日均流量和日均水面宽度；
基于所述历年实测数据，根据目标河道水文断面实测地形计算出目标河道汛期、非汛期、全年的河道河槽冲淤量；
根据所述目标河道汛期、非汛期、全年的河道河槽冲淤量分析出目标河道的水文断面冲淤变化特点。
3.根据权利要求1所述适用于多泥沙河流的防沙平底船尺寸设计方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据设计防沙平底船的目标宽度和目标长度构建模拟船只模型；
利用预设场景构建算法构建预设规模泥沙的目标河道场景模型；
将所述模拟船只模型合并到目标河道场景模型中进行行进模拟，获取模拟结果；
根据所述模拟结果确定模拟船只模型的行进速率与下沉高度；
根据所述行进速率与下沉高度结合设计防沙平底船表面部件的屈服强度计算出设计防沙平底船的目标安全系数；
将所述目标安全系数与预设安全系数进行比较，当所述目标安全系数大于等于预设安全系数时，确认所述设计防沙平底船的设计指标合格，当所述目标安全系数小于所述预设安全系数时，确认所述设计防沙平底船的设计指标不合格。
4.根据权利要求1所述适用于多泥沙河流的防沙平底船尺寸设计方法，其特征在于，所述方法还包括：
确定目标河道上游最大流量和下游河道最小流量；
以所述目标河道上游最大流量和下游河道最小流量为目标，以流量平衡约束为约束条件，构建基于目标河道的多目标流量调度模型；
对所述多目标流量调度模型进行求解，获得非劣解集；
在所述非劣解集中随机挑选多个目标解，根据所述目标解确定目标河道中的风险因子；
获取每个目标解的特征参数，根据每个目标解的特征参数构建每个风险因子的边缘分布；
根据每个风险因子的边缘分布以及每个风险因子的属性值构建关于目标河道的综合风险平评估模型；
根据所述目标河道的水文断面冲淤变化特点，利用所述目标河道的综合风险平评估模型评估出目标河道的潜在高风险概率；
获取所述目标河道的河床地形图，对所述河床地形图进行数据化处理，获得处理数据；
获取目标河道的历年洪水资料，根据所述历年洪水资料获得每次洪水侵蚀时的淤泥沉积量和河道水流量；
根据所述处理数据和每次洪水侵蚀时的淤泥沉积量和河道水流量绘制目标河道的洪水淤泥沿河道水流量的河床高低变化关系图；
计算所述目标河道的洪水淤泥沿河道水流量的河床高低变化关系图中每个分段的平均分值；
根据每个分段的平均分值计算目标河道的综合分值，根据所述目标河道的综合分值计算出目标河道岸坡的稳定性指数；
根据目标河道的潜在高风险概率和目标河道岸坡的稳定性指数计算出设计防沙平底船尺寸的修正系数；
利用所述修正系数对设计防沙平底船的目标宽度和目标长度进行修正以获得设计防沙平底船的最终尺寸数据。
5.根据权利要求3所述适用于多泥沙河流的防沙平底船尺寸设计方法，其特征在于，根据所述模拟结果确定模拟船只模型的行进速率与下沉高度，包括：
基于所述模拟结果，获取所述模拟船只模型在所述行进模拟过程中的流压力系数和所受到的推压力以及所述目标河道场景模型的横向流速；
基于所述模拟船只模型在所述行进模拟过程中的流压力系数和所述目标河道场景模型的横向流速，计算所述模拟船只模型在所述行进模拟过程中的横向流压转船力矩：
式中，M为所述模拟船只模型在所述行进模拟过程中的横向流压转船力矩，M的单位为N·m，ρ为多泥沙河流的密度，ρ的单位为kg·s2/m4，g为重力加速度，g的取值为9.8m/s2，A为所述模拟船只模型在所述行进模拟过程中的流压力系数，v为所述目标河道场景模型的横向流速，v的单位为m/s，L为所述计通航条件中预先规定的垂线间长，L的单位为m，W为所述计通航条件中预先规定的横向间距，W的单位为m，α为所述模拟船只模型的航向与所述目标河道场景模型的流向的夹角，sinα为所述模拟船只模型的航向与所述目标河道场景模型的流向的夹角正弦值，π为圆周率，π的取值为3.14，l为所述模拟船只模型的重心至所述模拟船只模型受到的合力作用点之间的距离，单位m；
基于所述模拟船只模型在所述行进模拟过程中的横向流压转船力矩和所收到的推压力，计算所述模拟船只模型的行进速率：
式中，v1为所述模拟船只模型的行进速率，β为所述模拟船只模型的舵角，F为所述模拟船只模型在所述行进模拟过程中所收到的推压力。
6.根据权利要求5所述适用于多泥沙河流的防沙平底船尺寸设计方法，其特征在于，根据所述模拟结果确定模拟船只模型的行进速率与下沉高度，还包括：
基于所述模拟船只模型的行进速率，计算所述模拟船只模型的下沉高度：
式中，h'为所述模拟船只模型的下沉高度，hc为设计防沙平底船的吃水深度，h0为设计防沙平底的船航行下沉量。
7.一种适用于多泥沙河流的防沙平底船尺寸设计***，应用于如权利要求1-6中任一项所述适用于多泥沙河流的防沙平底船尺寸设计方法，其特征在于，该***包括：
分析模块，用于收集目标河道实测资料，根据所述实测资料分析目标河道的水文断面冲淤变化特点；
拟合模块，用于基于所述目标河道的水文断面冲淤变化特点，拟合出目标河道的水面宽度与流量的函数表达式；
第一计算模块，用于根据所述实测资料确定目标河道在设计通航条件下对应的流量，将所述流量代入函数表达式中计算出设计通航条件下对应的期望水面宽度；
第二计算模块，用于以所述期望水面宽度为基础，根据所述设计通航条件拟合出设计防沙平底船的宽度和吃水深度的表达式，利用所述设计防沙平底船的宽度和吃水深度的表达式计算出设计防沙平底船的目标宽度和目标长度。
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| Title |
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| 黄河下游断面法与沙量法冲淤计算成果比较及输沙率资料修正;申冠卿;姜乃迁;张原锋;尚红霞;;泥沙研究(01);全文 * |
| 黄河下游游荡段持续淤积及冲刷时平滩河槽形态调整规律;李晓娟;夏军强;李洁;张晓雷;;四川大学学报(工程科学版)(01);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113536462A (zh) | 2021-10-22 |
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