CN110287571B - 一种河流险工冲刷安全分析与岸坡稳定性判定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种河流险工冲刷安全分析与岸坡稳定性判定方法，步骤一：生成作为构建二维河道水/沙模型的数据集；步骤二、根据研究区域中河段参数，设置模型计算参数与定解条件，构建研究区域二维水/沙数值模拟模型；步骤三、根据不同洪水条件下的来沙情况设定多种工况，利用二维水/沙数值模型对研究区域河道水/沙输移及河床冲淤进行模拟，基于模拟结果对洪水前后险工河床进行分析，分别计算河流险工岸坡河床冲深距离和河侧向侵蚀距离；步骤四：构建险工岸坡渗流～稳定分析有限元模型，定量化研究各因素与岸坡稳定安全系数间关系。本发明研究了水流冲刷作用下的河道险工岸坡稳定性，为险工岸坡稳定性评估提供了定量化手段。

Description

一种河流险工冲刷安全分析与岸坡稳定性判定方法

技术领域

本发明涉及与河道防洪安全技术领域，特别涉及一种河流险工冲刷安全分析与岸坡稳定性判定方法。

背景技术

河道险工作为河道整治工程的重要组成部分，其岸坡淘刷导致的稳定性问题一直是防洪安全中的重要内容。由于多沙河道形态一般较为复杂，主流摆动较大，其险工岸坡抗冲能力较低，洪水期间易受到水流冲刷影响，导致坡脚被侵蚀，造成岸坡沿线形成陡坎从而威胁险工安全，因此，在现状条件下，研究河流险工汛冲刷安全分析与稳定性判定对保障河道防洪安全具有重要意义。

从目前国内外相关研究来看，河流冲刷作用对岸坡稳定的影响研究分为两类，一类侧重于河流冲刷作用下的岸坡形态变化研究，另一类侧重于冲刷引起的附加应力研究。在岸坡形态变化研究中，冲刷侵蚀多是采用经验公式计算的，得出结果只是近似值。对于多沙水流冲刷作用下的岸坡稳定问题，国内外主要以水动力学结合土力学模型研究为主，而在汛期多沙水流对险工冲刷安全影响分析方面，目前缺乏一种考虑各影响因子综合作用的河流险工稳定性判定的方法，对岸坡稳定性研究中缺乏险工冲刷安全的水动力学-土力学模型的研究，更缺乏考虑汛期多沙水流冲刷作用的河流险工稳定性判断等问题。

发明内容

本发明旨在提出一种河流险工冲刷安全分析与岸坡稳定性的判定方法，综合考虑各类影响险工稳定因素，构建险工稳定安全判别公式，为河流险工稳定性判断提供一种定量化解决方案。

本发明的一种河流险工冲刷安全分析与岸坡稳定性判定方法，该方法包括以下流程：

步骤一：依据河道河势变化和堤防历史出险情况，明确研究区域地形数据与险工工段几何尺寸，将水位、流量与含沙量数据作为边界条件进行该研究区域的水文数据与含沙量数据分析，生成作为构建二维河道水/沙数值模拟模型的数据集；

步骤二：根据研究区域中河段的河流走向、河道断面、数字地形高程，险工几何尺寸，设置模型计算参数与定解条件，采用MIKE21中的水动力模块与泥沙模块构建研究区域二维水/沙数值模拟模型：

水动力模块模型：

连续性方程表达式如下：

动量方程表达式如下：

式中，t为时间；u为流速在x方向上的分量，η为河床底高程，d为静水深，h为水深，h＝d+η，g为重力加速度，f为科氏力；ρ为水的密度；s_xx,s_xy为辐射应力分量；p_a为大气压强，ρ₀为水的相对密度，S为源项，u_s,v_s为源项水流流速，

为沿水深方向的流速平均值，T_ii为侧向应力；

泥沙模块模型：

悬移质非恒定不平衡输沙基本方程表达式如下：

式中，h为水深，S为悬移质含沙量，t为时间，p_mod、q_mod分别为通量修正值在x,y方向上的分量，e_x，e_y分别为x,y方向的紊动扩散系数，ɑ为恢复饱和系数，与Rouse系数有关，ω_*为泥沙沉速，S_*为悬移质挟沙力；

推移质输沙率表达式如下：

式中，T为无量纲泥沙输移系数；D_*为无量纲泥沙粒径参数；s为泥沙相对密度；d₅₀为泥沙中值粒径；

步骤三：根据不同洪水条件下的来沙情况设定多种工况，利用二维水/沙数值模型对研究区域河道水/沙输移及河床冲淤进行模拟，基于模拟结果对洪水前后险工河床进行分析，分别计算河流险工岸坡河床冲深距离和河侧向侵蚀距离；

步骤四：构建险工岸坡渗流～稳定分析有限元模型进行模拟，利用模拟结果分析河道水位、河道涨退水速率、坡脚河床冲深距离和侧向侵蚀距离对岸坡稳定性的影响，分别选定不同的水位、涨退水速率、冲深距离和河侧向侵蚀距离输入渗流稳定模型，计算岸坡稳定安全系数K，得到各因素对岸坡稳定性的影响，对单因子相关关系进行分析，采用非线性拟合方法对各自变量与因变量K间关系进行拟合，提出适用研究区域的岸坡稳定安全系数K的预测经验公式如下：

K＝αe^{(βΔZ+σΔB)}+λH^(ηV) (1)

其中，ΔZ为坡脚河床冲深、ΔB为侧蚀距离、H为相对水位、V为水位涨落速率，α、β、σ、λ、η为常数；

利用模拟结果论证公式的可靠性；定量化研究各因素与岸坡稳定安全系数间关系，如下：

当K＜1时，则岸坡稳定性较低，极有可能出现失稳破坏现象；

当K≥1时，则岸坡稳定性较高，不易发生失稳现象。

所述步骤三中的河流险工岸坡侧向侵蚀距离计算，具体流程包括以下步骤：

步骤1、利用Shields曲线计算险工岸坡土体抗冲力，计算公式为：

τ_c＝θ_cr(ρ_s-ρ)gD (2)

其中，θ_cr为临界相对拖曳力，ρ_s、ρ分别为泥沙及水流密度；g为重力加速度；D为河岸土体的代表粒径；U_*为起动摩阻流速；

步骤2、求险工岸坡所受水流切应力，计算公式如下：

τ＝ρ₀hj (4)

式中，τ为近岸水流切应力；ρ₀为水的密度，h为水深，j为水力坡度，v为水流流速，R为水力半径，在宽浅河道计算中可取水深值，n为糙率；

步骤3、根据步骤1求出的险工岸坡土体抗冲力和步骤2求出的险工岸坡所受水流切应力，利用Osman侧蚀模式计算坡脚侧蚀距离，计算公式为：

其中，ΔB为岸坡土体在Δt时间内因水流冲刷而侵蚀的距离，C₁为横向冲刷系数，Osman根据室内实验结果得到C₁＝3.64×10^-4，τ为水流冲刷力；τ_c为岸坡土体抗冲力，γ为岸坡土体容重。

相较于传统的岸坡稳定技术，本发明所具有的优点和积极效果如下：

1)本发明利用水沙数值模拟与岸坡渗流稳定模拟相结合，在现状地形和险工工程条件下，研究了水流冲刷作用下的河道险工岸坡稳定性；

2)本发明创新性的提出了考虑多沙水流冲刷作用的河道险工稳定性判别方法，系统的研究了影响险工安全的影响因素，进一步提出了利用各影响因素同险工稳定安全系数之间的关系式判定险工稳定性的方法，为险工岸坡稳定性评估提供了定量化手段。

附图说明

图1为本发明的一种河流险工冲刷安全分析与岸坡稳定性的判定方法整体流程图；

图2为本发明实施例的岸坡稳定安全系数K实际模拟值与公式计算值比较。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，来具体说明如何应用本发明的险工稳定判别式判断险工的稳定性。

步骤一：依据河道河势变化和堤防历史出险情况，明确研究区域，本实施例以黄河宁夏段青铜峡至勉家湾河段作为研究区域，分析该区域水文数据与含沙量数据，选择洪水来水/来沙量以及中长洪水来水/来沙量作为边界条件，并对研究区域地形数据以及险工工段尺寸进行处理；

步骤二：选取黄河宁夏青铜峡至勉家湾蔡家河口险工15^#丁坝作为重点研究对象，构建二维水/沙数值模拟模型；

(1)水动力模块

对于宽浅河道水流运动，水力学要素在平面上的变化远大于沿水深方向的变化，水流运动可以采用平面二维浅水方程来描述，基本方程包括连续性方程和动量方程，方程形式如下：

连续性方程表达式：

动量方程表达式：

式中，t为时间；u为流速在x方向上的分量，η为河床底高程，d为静水深，h为水深，h＝d+η，g为重力加速度，f为科氏力；ρ为水的密度；s_xx,s_xy为辐射应力分量；p_a为大气压强，ρ₀为水的相对密度，S为源项，u_s,v_s为源项水流流速，

为沿水深方向的流速平均值，T_ii为侧向应力；

(2)泥沙模块模型如下：

天然河道的泥沙运动包括悬移质运动和推移质运动两种形式，河床变形同时受到悬移质和推移质运动的影响，悬移质泥沙运动同时受到平流、扩散和沉降三方面因素的影响，运动方程选择Galapatti方程，悬移质非恒定不平衡输沙基本方程形式如下：

式中，h为水深，S为悬移质含沙量，t为时间，p_mod、q_mod分别为通量修正值在x,y方向上的分量，e_x，e_y分别为x,y方向的紊动扩散系数，ɑ为恢复饱和系数，与Rouse系数有关，ω_*为泥沙沉速，S_*为悬移质挟沙力。

推移质输沙率公式为：

式中，T为无量纲泥沙输移系数；D_*为无量纲泥沙粒径参数；s为泥沙相对密度；d₅₀为泥沙中值粒径；

步骤三：依据洪峰流量和含沙量不同设定六种工况，洪水期水沙数值模拟计算工况表结果如表1所示。基于六种工况利用水沙数值模拟与理论公式分别计算坡脚河床冲深和侧蚀距离，得到洪水期间15^#坝垛坡脚侧蚀距离与河床冲深距离统计结果如表2所示。

表1

表2

步骤四：基于饱和-非饱和渗流理论和Morgenstern-Price极限平衡法，利用GeoStudio软件构建险工岸坡渗流～稳定分析有限元模型，即采用Geo-Studio有限元软件中的Seep/W模块进行险工渗流模拟并将计算结果耦合到slope/W模块中以极限平衡法为理论基础来对边(坝)坡进行稳定性分析；利用渗流～稳定分析有限元模型，根据汛期涨退水特点和险工坡脚冲刷侵蚀特点，定量化分析各影响因素同岸坡稳定性系数间关系。

1、河道涨退水速率对岸坡稳定影响进行分析

假设涨水时ΔZ＝0m、ΔB＝0m，设定不同初始水位H为5.8～7.4m，涨水速率V为0.2～0.5m/d，进行涨水速率对岸坡稳定影响分析；假定退水期ΔZ＝2m、ΔB＝1m，初始水位H为6.2～7.8m，退水速率为0.3～0.6m/d，进行退水速率对岸坡稳定影响分析。通过趋势分析，随着河道涨(退)水速率增大，K值涨(降)幅也逐渐增大。

2、冲刷侵蚀对岸坡稳定影响分析

设定初始水位H为6.2～7.8m，涨水速率为0.2～0.5m/d，退水速率为0.3～0.6m/d，ΔZ为0时，各恒定水位和涨退水条件下K值均大于1.5；ΔZ达到4m时，各恒定水位和涨退水条件下K值均小于1.2；ΔB为0～2m时，各恒定水位和涨退水条件下K值均大于1.45，通过趋势分析，ΔZ和ΔB越大，河道水位和涨退水速率对K值影响越小。

利用渗流稳定模拟结果，对单因子相关关系进行分析(即根据各因子同K值的关系可知，安全系数K与H间相关关系可用幂函数表示，K与V间关系可用指数函数表示，K与ΔZ为坡脚河床冲深、ΔB为侧蚀距离存在指数关系)可知，K与H间存在幂函数关系，K与ΔZ、ΔB、V间关系可用指数函数表示，采用非线性拟合方法对各自变量与因变量K间关系进行拟合，得到黄河宁夏青铜峡至勉家湾段险工在多沙水流冲刷冲刷作用下，其岸坡稳定性判别式为：

K＝3.3le^{(-0.08ΔZ-0.02ΔB)}-1.52H^(-0.1V) (7)

其中，K为岸坡稳定安全系数，ΔZ为坡脚河床冲深、ΔB为侧蚀距离、H为相对水位、V为水位涨落速率。

当K＜1时，则岸坡稳定性较低，极有可能出现失稳破坏现象；

当K≥1时，则岸坡稳定性较高，不易发生失稳现象。

公式可靠度验证结果见图1，如图所示，公式计算值与实际模拟值总体拟合效果较好，经过统计分析，拟合相关系数为0.991，残差平方和为0.362，散点基本上分布在45°直线附近，表明公式具有较高的可靠度。

Claims (2)

1.一种河流险工冲刷安全分析与岸坡稳定性判定方法，其特征在于，该方法包括以下流程：

步骤一：依据河道河势变化和堤防历史出险情况，明确研究区域地形数据与险工工段几何尺寸，将水位、流量与含沙量数据作为边界条件进行该研究区域的水文数据与含沙量数据分析，生成作为构建二维河道水/沙数值模拟模型的数据集；

步骤二：根据研究区域中河段的河流走向、河道断面、数字地形高程，险工几何尺寸，设置模型计算参数与定解条件，采用MIKE21中的水动力模块与泥沙模块构建研究区域二维水/沙数值模拟模型：

水动力模块模型：

连续性方程表达式如下：

动量方程表达式如下：

式中，t为时间；u为流速在x方向上的分量，η为河床底高程，d为静水深，h为水深，h＝d+η，g为重力加速度，f为科氏力；ρ为水的密度；s_xx,s_xy为辐射应力分量；p_a为大气压强，ρ₀为水的相对密度，S为源项，u_s,v_s为源项水流流速，

为沿水深方向的流速平均值，T_ii为侧向应力；

泥沙模块模型：

悬移质非恒定不平衡输沙基本方程表达式如下：

式中，h为水深，S为悬移质含沙量，t为时间，p_mod、q_mod分别为通量修正值在x,y方向上的分量，e_x，e_y分别为x,y方向的紊动扩散系数，ɑ为恢复饱和系数，与Rouse系数有关，ω_*为泥沙沉速，S_*为悬移质挟沙力；

推移质输沙率表达式如下：

式中，T为无量纲泥沙输移系数；D_*为无量纲泥沙粒径参数；s为泥沙相对密度；d₅₀为泥沙中值粒径；

步骤三：根据不同洪水条件下的来沙情况设定多种工况，利用二维水/沙数值模型对研究区域河道水/沙输移及河床冲淤进行模拟，基于模拟结果对洪水前后险工河床进行分析，分别计算河流险工岸坡河床冲深距离和河侧向侵蚀距离；

步骤四：构建险工岸坡渗流～稳定分析有限元模型进行模拟，利用模拟结果分析河道水位、河道涨退水速率、坡脚河床冲深距离和侧向侵蚀距离对岸坡稳定性的影响，分别选定不同的水位、涨退水速率、冲深距离和河侧向侵蚀距离输入渗流稳定模型，计算岸坡稳定安全系数K，得到各因素对岸坡稳定性的影响，对单因子相关关系进行分析，采用非线性拟合方法对各自变量与因变量K间关系进行拟合，提出适用研究区域的岸坡稳定安全系数K的预测经验公式如下：

K＝αe^{(βΔZ+σΔB)}+λH^(ηV) (1)

其中，ΔZ为坡脚河床冲深、ΔB为侧蚀距离、H为相对水位、V为水位涨落速率，α、β、σ、λ、η为常数；

利用模拟结果论证公式的可靠性；定量化研究各因素与岸坡稳定安全系数间关系，如下：

当K＜1时，则岸坡稳定性较低，极有可能出现失稳破坏现象；

当K≥1时，则岸坡稳定性较高，不易发生失稳现象。

2.如权利要求1所述的一种河流险工冲刷安全分析与岸坡稳定性判定方法，其特征在于，所述步骤三中的河流险工岸坡侧向侵蚀距离计算，具体流程包括以下步骤：

步骤1、利用Shields曲线计算险工岸坡土体抗冲力，计算公式为：

τ_c＝θ_cr(ρ_s-ρ)gD (2)

其中，θ_cr为临界相对拖曳力，ρ_s、ρ分别为泥沙及水流密度；g为重力加速度；D为河岸土体的代表粒径；U_*为起动摩阻流速；

步骤2、求险工岸坡所受水流切应力，计算公式如下：

τ＝ρ₀hj (4)

式中，τ为近岸水流切应力；ρ₀为水的密度，h为水深，j为水力坡度，v为水流流速，R为水力半径，在宽浅河道计算中可取水深值，n为糙率；

步骤3、根据步骤1求出的险工岸坡土体抗冲力和步骤2求出的险工岸坡所受水流切应力，利用Osman侧蚀模式计算坡脚侧蚀距离，计算公式为：

其中，ΔB为岸坡土体在Δt时间内因水流冲刷而侵蚀的距离，C₁为横向冲刷系数，Osman根据室内实验结果得到C₁＝3.64×10^-4，τ为水流冲刷力；τ_c为岸坡土体抗冲力，γ为岸坡土体容重。

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