[发明专利]基于力学分析的洪水中行人安全程度的评估方法

说明书

技术领域

本发明涉及水利工程技术领域，具体涉及一种基于力学分析的洪水中行人安全程度的评估方法。

背景技术

近年来受全球气候变暖和人类活动影响，极端水文事件发生概率增加，城市暴雨洪涝灾害频繁发生，导致人员伤亡严重。而当今人口的迅猛增长和人类活动范围的不断扩张，加大了人们承受洪水灾害的风险。因此对洪水中行人安全程度的研究意义重大。

目前已有的洪水中行人安全程度评估方法，主要通过某一水深下人体失稳时的起动流速来反映，既有基于真实人体试验的研究成果，又有基于一定力学分析的理论公式。基于真实人体的试验结果一般受测试对象生理及心理因素的影响较大；而基于力学分析的理论公式推导，往往对人体结构及来流条件做了过多简化或假设，适用范围较窄。因此有必要进一步开展洪水中行人安全程度的理论分析及试验研究，提出相应的评估方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于力学分析的洪水中行人安全程度的评估方法，将为洪泛区规划、城市洪水风险管理图绘制，以及防洪评价等提供科学依据。

本发明的原理为：洪水作用下行人失稳机制主要有两种：滑移和跌倒。滑移失稳由水平方向受力不平衡导致，即洪水对行人的拖曳力大于地面提供的摩擦力。跌倒失稳是由力矩不平衡造成，即拖曳力对行人的倾倒力矩大于人体有效重力产生的抵抗力矩。本发明通过分析洪水中行人的受力特点，利用人机工程学计算不同水深下行人所受浮力，考虑流速沿水深为幂函数分布，结合河流动力学中泥沙起动的理论，推导出洪水中行人发生滑移及跌倒失稳时的起动流速公式；同时开展人体模型水槽试验，利用试验结果率定公式中的相关参数，由模型比尺关系及率定后的计算公式估算人体原型在不同水深下的失稳流速公式，利用已有真实人体的水槽试验结果重新率定行人滑移和跌倒失稳时起动流速公式中的相关参数，并对公式进行验证。最后结合人体特征参数给出洪泛区内行人在不同来流条件下的安全区间。

本发明是一种基于力学分析的洪水中行人安全程度的评估方法，包括以下步骤：

步骤(1)，洪水作用下行人失稳的力学分析，以及不同失稳方式下起动流速公式推导，包括如下子步骤：

步骤(1.1)，分析洪水中行人所受的主要作用力包括重力、浮力、地面支持力、地面与鞋底摩擦力和水流拖曳力，建立各力的表达式；

步骤(1.2)，根据水平方向的受力平衡，推导出洪水中行人滑移失稳时的起动流速公式；

步骤(1.3)，根据洪水中行人受力的力矩平衡，推导出行人跌倒失稳时的起动流速公式；

步骤(2)，人体模型的水槽试验及公式参数率定，包括如下子步骤：

步骤(2.1)，利用人体模型开展水槽试验，测定不同水流条件下人体模型发生失稳时的水深和起动流速，记录失稳方式；

步骤(2.2)，利用SPSS软件，由步骤(2.1)中的试验数据率定步骤(1.2)和(1.3)公式中的相关参数；

步骤(3)，计算洪水中人体原型的起动流速；利用已有真实人体水槽试验结果重新率定参数，并对公式进行验证，包括如下子步骤：

步骤(3.1)，将人体模型失稳的水流条件，包括水深和起动流速，按照比尺关系换算到人体原型数据，将人体模型的特征参数，包括身高和体重，按照比尺关系换算到人体原型数据；将步骤(2.2)中率定所得参数，代入洪水中行人滑移、跌倒失稳的起动流速公式，绘制人体原型在不同水深情况下的起动流速计算曲线，并与上述换算所得人体原型数据进行比较，验证步骤(2.2)率定公式的计算精度；

步骤(3.2)，收集已有真实人体的水槽试验资料，重新率定步骤(1.2)和(1.3)中滑移和跌倒失稳起动流速公式中的相关参数，并将起动流速的公式计算值与实测值进行比较，验证公式的计算精度；

步骤(4)，确定洪水中行人安全程度，包括如下子步骤：

步骤(4.1)，根据人体原型的特征参数包括身高和体重，及来流条件包括水深和流速，将步骤(3.2)中率定所得参数，代入洪水中行人滑移或跌倒失稳的起动流速公式计算来流水深下的临界流速；

步骤(4.2)，计算洪水中行人的安全程度，即实际来流流速与计算临界流速的比值，评估洪水中行人的失稳风险；

步骤(4.3)，结合二维水动力学模型模拟洪水演进的计算结果，提供洪泛区内行人的安全程度分布图。

而且，所述步骤(1.2)中，根据洪水中行人滑移失稳的临界条件：所受拖曳力等于地面与鞋底的摩擦力，推导洪水中行人滑移失稳的起动流速公式。

而且，所述洪水中行人滑移失稳时的起动流速公式：