CN102409634A

CN102409634A - 冲积河流崩岸预警方法

Info

Publication number: CN102409634A
Application number: CN2011102866005A
Authority: CN
Inventors: 李义天; 邓金运
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2011-09-23
Filing date: 2011-09-23
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2031-09-23
Also published as: CN102409634B

Abstract

本发明是一种冲积河流崩岸预警方法，针对冲积河流二元结构河岸在水流长期作用下的崩塌，能够提前预测崩岸发生的位置，同时利用河道断面资料获取相对容易、测次较多的特点，可不断进行滚动预测，提高预测精度。方法包括河岸稳定性指标确定步骤、河床冲淤变化预测步骤、崩岸预警评判步骤。应用本发明提供的稳定岸坡指标确定评判标准，并与预测坡比比较，结合分级评判指标体系，可提前预警危险岸段位置，为堤防维护治理提供技术支持。

Description

冲积河流崩岸预警方法

技术领域

本发明针对冲积河流二元结构岸滩，提出了一种能够定量评价河岸崩塌位置及其危险程度的冲积河流崩岸预警方法。

背景技术

崩岸是冲积河流的重大灾害形式之一，发生较为频繁，危害程度较大。冲积河岸的崩坍机理较为复杂，涉及土力学、地理地貌学、河流动力学等多个学科的内容，其预测预报一直是防洪减灾治理的难点。已有对于崩岸预测方法的研究主要从两个方面开展。一是基于河流动力学的理论给出的经验关系式，如估计河岸崩塌宽度大小的河相关系式、相对展宽度与河岸抗冲性指标和岸壁水流切应力之间的关系式、河道展宽率与起动切应力和剩余切应力之间的关系式等，但上述方法侧重于河段的多年平均情况下的宏观变化，难以区分具体的崩塌地点，更难以获取崩岸的详细信息，无法应用于实际河道崩岸预测中。另一途径是针对河岸的土体特性，从土力学的角度进行了稳定性方面的研究，通过提出各种崩塌模式和临界判别指标，来预测崩岸的发生。按照河岸土体组成物质不同，大致可以分为三类：粘性土河岸崩塌模式、非粘性土河岸崩塌模式、混合土河岸崩塌模式。但上述模式本身存在考虑因素的全面性、概化的合理性等方面的问题，上述指标仍存在不足之处，如不能考虑孔隙水压力和静水压力，河岸崩塌时的平面滑动必须限于通过坡脚、没有考虑粘性土层发生剪切和拉伸破坏的情况等。另一方面，上述模式中均包含大量诸如裂隙深度、内摩擦角、土壤容重等参数，而这些参数往往随着外部条件的变化而变化，而且，受测量手段、仪器的限制，通过天然实测资料获取上述参数极为困难。目前虽然可以采用经验方法和室内实验资料进行参数率定，但其与天然情况又存在较大差异。因此，目前尚无法对上述模式进行合理性检验，也难以直接应用于对实际河道崩岸的预测。

发明内容

由于目前冲积河岸崩岸预警方法均存在实际应用上的局限性，不能准确预测河岸崩塌的位置，难以给水利部门提供预警并事先采取必要的工程措施。基于上述情况，针对冲积河流二元结构河岸的实际特征和崩塌机理，本发明提出了一种新的冲积河流崩岸预警方法。

本发明的技术方案为冲积河岸崩岸预警方法，包括以下步骤：

步骤1，根据每次对断面实测后保留的历史数据，计算各断面每次实测时的坡比，从中得到各断面的历史最大坡比；将各断面按不同河型、不同地质条件进行分类，设共分成I类，每一类的稳定岸坡指标SS_i等于该类中所有断面的历史最大坡比的最大者，其中i的取值为1，2，…I；

步骤2，河床冲淤变化预测，具体步骤如下，

步骤2.1，预测一定时段以后各断面的断面平均冲淤幅度；

步骤2.2，基于步骤2.1所得的断面平均冲淤幅度，预测各断面相应的深泓冲淤幅度；

步骤3，崩岸预警评判，具体步骤如下，

步骤3.1，基于步骤2.2预测所得深泓冲淤幅度，预测计算一定时段以后河段各断面的坡比，记为预测坡比Sa；

步骤3.2，对比各断面的预测坡比Sa与断面所属分类的稳定岸坡指标SS_i的大小，通过分级评判指标体系，确定河岸安全等级。

而且，断面的坡比具体计算方法如下，

首先，在近岸深泓底部取下界面，得到下界面点坐标，在枯水位所在位置取上界面，得到上界面点坐标；

然后，通过以下公式计算各断面的坡比

S = \frac{| Y_{A} - Y_{B} |}{| X_{A} - X_{B} |}

其中X_A为上界面点坐标中的横坐标，Y_A为上界面点坐标中的纵坐标，X_B为下界面点坐标中的横坐标，Y_B为下界面点坐标中的纵坐标。

而且，步骤3.1中，预测计算一定时段以后河段各断面的坡比时，将当前的近岸深泓底部根据步骤2.2预测所得深泓冲淤幅度上移或下移，在调整后的近岸深泓底部取下界面，得到下界面点坐标。

而且，步骤2.2具体实现方式如下，

步骤2.2.1，根据枯水位，计算各断面每次实测时的断面平均水深；根据枯水位，计算各断面每次实测时的深泓最大水深；

步骤2.2.2，按照步骤1根据不同河型、不同地质条件所得分类，为每一类分别点绘该类中所有断面每次实测时的断面平均水深和深泓最大水深，根据点汇拟合出的直线用公式来表达两者关系，如式1所示，

H_max＝k_iH_av+H_i (1)

式中H_max为断面的深泓最大水深，H_av为断面的断面平均水深，H_i为拟合直线在纵轴的截距，k_i为系数，与河型、地质条件有关；

步骤2.2.3，根据式1得到深泓冲淤幅度估算公式，如式2

ΔH_max＝k_iΔH_av (2)

其中ΔH_max为深泓冲淤幅度，ΔH_av为断面平均冲淤幅度；

步骤2.2.4，根据步骤2.1所得断面平均冲淤幅度，采用式2估算深泓冲淤幅度。

而且，步骤3所述分级评判指标体系如下，

当Sa≥0.9SS_i时，断面所在岸段为预警岸段；其中，SS_i≥Sa≥0.9SS_i时，断面所在岸段为警戒岸段，表明该段河岸较为危险，需要加强预防；Sa＞SS_i时，断面所在岸段为危险岸段，需要提前加以治理；

当Sa＜0.9SS_i时，断面所在岸段为一般岸段。

与已有方法相比，本发明所提供方法无须了解具体的土体参数，只要事先确定出不同河型、不同地质河岸的稳定岸坡指标，以之作为评价标准，在河床冲淤预测的基础上，即可获得河岸崩塌的可能位置及其危险程度，同时，本方法还能充分利用河道断面资料获取相对容易、测次较多的特点，可不断进行滚动预测，提高预测精度，具有较好的实际应用价值。

附图说明

图1为本发明的预警岸段判别流程示意图

图2为本发明的断面坡比计算示意图。

图3为本发明的断面平均水深与最大水深关系示意图。

图4为本发明的岸段分级评价指标体系示意图。

具体实施方式

本发明提出了一种新的冲积河流崩岸预警方法。其基本思路是：依据二元结构河岸崩塌机理，即下层的松软土质(如砂土等)冲刷并逐渐变陡过程中，存在一个临界坡度，当该土层的实际坡度达到临界坡度时，如果水流继续冲刷，下砂性土层将会后退，上粘性土层将会出露悬空，河岸将失稳坍塌。上述情况在各大江河普遍存在。由于缺乏崩岸河段的河岸坍塌时的实测资料，真实临界坡度确定存在很大困难。本发明通过建立稳定岸坡指标，采用一定条件下(不同河型、不同地质)的多年历次实测断面最大坡比的最大值作为临界坡度的逼近，将其作为未来河岸稳定性的评判标准，这在资料系列较长情况下是较为合理的。

以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。

图1给出了本发明实施例的预警岸段判别流程，具体包括如下几个步骤：

步骤1，河岸稳定性指标计算，包括根据每次对断面实测后保留的历史数据，计算各断面每次实测时的坡比，从中得到各断面的历史最大坡比；将各断面按不同河型、不同地质条件进行分类，设共分成I类，每一类的稳定岸坡指标SS_i等于该类中所有断面的历史最大坡比的最大者，其中i的取值为1，2，...I。

本发明通过稳定岸坡指标作为河岸稳定的评判指标。稳定岸坡指标采用一定条件下(河型、地质等)各个断面中二元结构下层土体历史最大坡比中的最大值来逼近崩塌临界坡度。

收集待研究河段历年对断面实测后保留的历史数据，以之作为计算分析的依据。实施例根据每次对断面实测后保留的历史数据，计算各断面每次实测时的坡比。考虑到在河床横向变形过程中，深泓有时候并不靠岸，从岸坡的受力分析来看，下界面取近岸深槽底部较为合理。考虑到二元结构河岸特征，下部土层顶板的位置不易确定，采用枯水位所在位置为上界面。

参见图2，坡比计算的上界面取为枯水位所在位置，如图中点A所示。下界面取为近岸深泓底部，如图中点B所示。

根据上界面点坐标(X_A，Y_A)，下界面点坐标(X_B，Y_B)，通过公式

可计算断面坡比，即坡角的正切值。X_A为上界面点坐标中的横坐标，Y_A为上界面点坐标中的纵坐标，X_B为下界面点坐标中的横坐标，Y_B为下界面点坐标中的纵坐标。

对某一断面比较每次实测时的坡比，取最大值为该断面的历史最大坡比。

河型分类主要有顺直型、弯曲型、分汊型、游荡型，其中分汊型可进一步细分为顺直分汊型、弯曲分汊型；地质分类主要有岩石、粉土、砂土、粘土、人工填土，其中砂土又可细分为粗砂、中砂、细沙、粉砂。设共有河型n种，地质条件m种，可能出现的分类就有n×m种，当然待研究河段中不一定每一种组合都会出现。设将待研究河段中的断面按不同河型、不同地质条件进行分类，共有I种分类，每种分类中的各断面的历史最大坡比中取最大值，作为该分类的稳定岸坡指标。第i种分类的稳定岸坡指标记为SS_i，i的取值为1，2，...I。

一般待研究河段都有很多断面的实测数据，分不同河型、不同地质条件统计最大坡比，确定稳定岸坡指标，可以降低预警复杂度。具体实施时，也可以先对断面进行分类，对同一类中某一次实测的各断面坡比统计最大值，再比较每次实测的历史最大值，取最大者为该分类的稳定岸坡指标，与本实施例的方案具有等同效果。

步骤2，河床冲淤变化预测，包括步骤2.1和步骤2.2。该步骤的重点是建立断面平均水深与深泓最大水深的关系，进而确定断面平均冲淤幅度与深泓最大冲淤幅度之间的关系。

步骤2.1，预测一定时段以后各断面的断面平均冲淤幅度。

实施例通过一维水沙数学模型，预测一定时段后河床冲淤变化过程，获得待研究河段沿程各断面的平均冲淤幅度。具体实施时，本领域技术人员可以根据预测需要自行设置时段，例如1年、10年、50年等。一维水沙数学模型是现有已较为成熟的技术，本发明不予赘述。

步骤2.2，基于步骤2.1所得的断面平均冲淤幅度，预测各断面相应的深泓冲淤幅度，过程如下：

步骤2.2.1，根据枯水位，计算各断面每次实测时的断面平均水深；根据枯水位，计算各断面每次实测时的深泓最大水深。

由于断面底部的地形不平，所以。根据各断面枯水位，计算各断面每次实测时的断面平均水深方法与一般数学模型中的计算方法一致。同样以枯水位为标准，寻找断面最深点，其到枯水位的垂向距离即为深泓最大水深，计算各断面的深泓最大水深。

H_max＝k_iH_av+H_i (1)

式中H_max为断面的深泓最大水深，H_av为断面的断面平均水深，H_i为拟合直线在纵轴的截距，k_i为系数，与河型、地质条件有关。实施例在步骤1按不同河型、不同地质条件将断面共分成I类，此处相应地，i的取值为1，2，...I。

如图3所示，以断面平均水深为横轴，深泓最大水深为纵轴，将第i类中所有断面每次实测时枯水位下断面平均水深与深泓最大水深都在图中点绘，那么就得到第i类的两者关系图。采用线性拟合方法，即可获得公式H_max＝k_iH_av+H_i。为每类断面分别点绘，就能获得不同河型、不同地质条件下的一组公式来表达两者关系。

步骤2.2.3，根据式1得到深泓冲淤幅度估算公式，如式2

ΔH_max＝k_iΔH_av (2)

其中ΔH_max为深泓冲淤幅度，ΔH_av为断面平均冲淤幅度；

步骤2.2.4，根据步骤2.1所得断面平均冲淤幅度，采用步骤2.2.3所得式2估算深泓冲淤幅度。

步骤3，崩岸预警评判，包括步骤3.1和步骤3.2。

步骤3.1，基于步骤2.2预测所得深泓冲淤幅度，预测计算一定时段以后河段各断面的坡比，记为预测坡比Sa。

预测计算一定时段以后河段各断面的坡比时，将当前的近岸深泓底部根据步骤2.2预测所得深泓冲淤幅度上移或下移(冲的时候下移，淤积的时候上移)，在调整后的近岸深泓底部取下界面，得到下界面点坐标。

如图2所示，断面当前的地形作为初始地形，上界面点坐标(X_A，Y_A)，下界面点坐标(X_B，Y_B)。假设河床发生冲刷，初始地形改变成预测地形，则断面深泓点将由B点下降至C点，下界面点坐标(X_B，Y_B)变为(X_C，Y_C)，采用与步骤1中一致的断面坡比计算方法，计算未来一定时段后研究河段的预测坡比，即

Sa = \frac{| Y_{A} - Y_{C} |}{| X_{A} - X_{C} |} .

X_A为上界面点坐标中的横坐标，Y_A为上界面点坐标中的纵坐标，X_C为预测的下界面点坐标中的横坐标，Y_C为预测的下界面点坐标中的纵坐标。

本领域技术人员可以根据实验结果或历史数据自行设计分级评价指标体系，确定可能发生崩岸的警戒岸段和危险岸段。实施例的分级评判指标体系参见图4：当预测坡比Sa大于或等于0.9倍的稳定岸坡指标SS_i时，断面所在岸段为预警岸段。其中，预测坡比Sa大于或等于0.9倍的稳定岸坡指标SS_i而小于或等于稳定岸坡指标SS_i时，断面所在岸段为警戒岸段，表明该段河岸较为危险，需要加强预防；预测坡比Sa大于稳定岸坡指标SS_i时，断面所在岸段为危险岸段，需要提前加以治理。而当预测坡比Sa小于0.9倍的稳定岸坡指标SS_i时，断面所在岸段为一般岸段。利用分级评判指标体系，可以获得预警位置和危险程度。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。