CN111549716B - 一种二元结构河岸崩退模式的计算和描述方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二元结构河岸崩退模式的计算和描述方法，包括：步骤1、计算河岸初始参数，分析断面水位资料，土体特性等基本参数；步骤2、根据上部粘性土层的临界力矩平衡状态界定其临界崩塌宽度；步骤3、根据下层非粘性土侵蚀宽度，判断上部粘性土层发生绕轴崩塌形成的条件、规模和崩退过程；步骤4、根据层厚比与岸坡坡度关系界定崩塌体岸坡堆积形式，并分别采用不同的模式考虑崩塌体的防护作用；步骤5、当崩塌体在水流的作用下分解且坡面上堆积物被挟带至下游后，进入下个侵蚀过程。本发明可以对崩塌过程进行动态模拟，与实际更为吻合，且计算结果可以为崩岸预测及预警提供科学依据和技术支撑。

Description

一种二元结构河岸崩退模式的计算和描述方法

技术领域

本发明涉及水利工程技术领域，尤其涉及一种二元结构河岸崩退模式的计算和描述方法。

背景技术

河流两岸自古以来就是人类繁衍生息之所，为人类生存与发展提供基础，推动了人类社会的发展与进步。河流是由水流与河道边界共同构成的系统，一方面，水流作用于河道边界，使边界条件发生变化，另一方面，河道边界的变化又反过来影响水流结构，两者相互依存，相互制约，构成河道演变与发展。崩岸是河道水流与河岸相互作用的结果，也是冲积河流演变中常见的一种自然现象。崩岸的发生不仅与近岸水流条件和输沙条件相关，而且还与河岸土体组成及其物理力学特性等密切相关。二元结构河岸广泛存在于长江河段，河岸土体组成具有很明显的垂向分层结构,一般上部为粘性土层,下部为非粘性土层。这类河岸具有抗侵蚀能力差，易发生崩塌等特点。三峡水库运用以来，据不完全资料统计，宜枝河段2003年～2011年之间发生崩岸险情28处，崩岸长度达25.18km，荆江河段2003年～2011年之间发生崩岸险情189处，崩岸长度达92.85km。1998年汛期石首、监利河段发生多处崩塌，石首弯道北门口附近河岸崩退宽度达100m，监利弯曲分汊河道乌龟洲头及其右缘平均崩退宽度200m。河岸崩塌会威胁江河堤防及岸边建筑物安全；造成土地损失；恶化下游取水水质；堵塞航道。因此，一种简洁高效的岸线崩退速率计算方法对崩岸预警及防治有重要意义。

以往对崩岸机理及过程的研究多通过室内概化模型试验和理论分析，主要研究对河岸形态、土体组成及水流条件等因素对崩岸过程影响。且现有成果多为定性分析，定量研究较少。由美国国家泥沙实验室开发的BSTEM(Bank Stability and Toe Erosion Model)模型，将坡脚淘刷与土体稳定条件均考虑在内，用于模拟河岸崩塌的过程，在国际上得到较为广泛的应用，但是其在计算坡脚冲刷时假定所有崩塌土体立刻被近岸水流冲走。根据石首弯道概化试验可以看出，上部黏性土层崩塌后大部分土体会暂时堆积在河岸坡脚处，不会被水流立即冲走，在一定时间内对覆盖的近岸河床起到一定保护作用，试验过程可见图4，因此在模型中需考虑崩塌体的掩护作用。且不同层厚比，不同坡度的岸坡崩塌体堆积形式不同，其对岸坡的防护机制也不同。以往研究也表明崩岸发生不仅与河岸土体特性有关，也与近岸水流条件密切相关，夏军强等人研究发现河道内水位变化是影响河岸稳定性的重要因素之一，尤其在退水期内，该因素的作用更为明显。因此有必要考虑水位及其变化在发生崩岸发生的各个过程中的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种二元结构河岸崩退模式的计算和描述方法，计算结果可以为崩岸预测及预警提供科学依据和技术支撑。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种二元结构河岸崩退模式的计算和描述方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、收集二元结构河岸的基本参数，包括：实测断面地形数据并对其进行概化，计算河岸初始参数，收集断面水位数据和土体特性数据；

步骤2、根据某一时段的基本参数和上部粘性土层的临界力矩平衡状态，计算上部粘性土层的临界崩塌宽度；

步骤3、采用剩余剪切力法计算下层非粘性土侵蚀宽度，并由单位时间步长的侵蚀宽度计算得到下层非粘性土的累计侵蚀宽度；若累计侵蚀宽度不大于临界崩塌宽度，则返回步骤2，进入下一时段的计算；若累计侵蚀宽度大于临界崩塌宽度，则判断上部粘性土层发生绕轴崩塌；

步骤4、根据层厚比与岸坡坡度关系界定崩塌体岸坡堆积形式，并分别采用不同的模式考虑崩塌体的防护作用；

步骤5、当崩塌体在水流的作用下分解且坡面上堆积物被挟带至下游后，修改断面地形并进入下个侵蚀过程，返回步骤2直到计算完所有时段，输出修改后的地形结果和相关数据。

进一步地，本发明的步骤2的具体方法为：

步骤2.1、计算上部粘性土层的自重，考虑水位变化的影响，悬空土块所受的浮托力随水位变化而改变，水位以下土体重力用粘性土浮容重计算，水位以上土体重力用粘性土饱和容重计算；

步骤2.2、根据土体粘聚力和内摩擦角，计算上部粘性土层顶部张拉裂隙深度；

步骤2.3、处于临界状态时，其自重引起的外力矩与侧向水压力引起的外力矩与土体潜在断裂面上产生的抵抗力矩相平衡，根据力矩相平衡计算得到临界崩塌宽度。

进一步地，本发明的步骤2.1中计算自重W的公式为：

W＝B_C(γh₁+γ'h₂)

其中，H₁为上部粘土层厚度，H₂为下部沙土层厚度，B_C为临界崩塌宽度，Z为水位，h₁为水位以上粘土层厚度，h₂为水位以下粘土层厚度，γ为土的饱和重度，γ'为土的浮重度；

步骤2.2中计算上部粘性土层顶部张拉裂隙深度的公式为：

其中，H_t为顶部张拉裂隙深度；c为土体粘聚力，

为内摩擦角。

进一步地，本发明的步骤2.3中临界崩塌宽度B_C的计算公式为：

其中，γ₀为水重度，σ_t，σ_c分别为土体的抗拉、抗压强度，a＝σ_t/σ_c。

进一步地，本发明的步骤3中计算累计侵蚀宽度B的方法为：

ΔB＝KΔt(τ₀-τ_c)×m

B＝∫ΔB dt

其中，ΔB为单位计算时间步长内侵蚀宽度，Δt为计算时间步长，τ₀为近岸水流切应力τ₀＝γ₀RJ，R为水力半径，J为能坡，τ_c为起动切应力，K为下部砂土层冲刷系数K＝2×10^-13τ_c ^-0.5，m为考虑水位影响的修正系数；

其中，Z为水位，H₂为下部沙土层厚度。

进一步地，本发明的步骤4中的具体方法为：

步骤4.1、根据层厚比与岸坡坡度关系界定崩塌体岸坡堆积形式，当2H₁ sin θ/H₂＜1时即层厚比小，且坡度缓时，采用模式a计算；当2H₁ sin θ/H₂≥1时即层厚比大，且坡度陡时，采用模式b计算；

步骤4.2、计算崩塌体的防护时间。

进一步地，本发明的步骤4.2中计算崩塌体的防护时间的方法为：

对于模式a，其均匀散落在下部沙土层上形成防护层，其厚度B₁由下式计算：B₁＝B_CH₁ sin θ/H₂；单位时间内的冲刷宽度为ΔB＝KΔt(τ₀-τ_c)×m，当累计冲刷宽度达到B₁时，所用时间为T₂，即为崩塌体的防护时间；

对于模式b，崩塌体的防护时间T₂＝αT₁，其中α为比例系数，取值与崩塌体体积、崩塌土体凝聚力、内摩擦角、水流冲刷能力有关，

T₁为下部沙土层开始冲刷至发生崩岸的时间；根据室内概化试验结果拟合得到α的经验关系式：α＝2.5(B_cH₁/A)^0.6，其中A为断面面积。

本发明产生的有益效果是：本发明的二元结构河岸崩退模式的计算和描述方法，可以对河岸崩塌过程进行动态模拟，更为直接实用；考虑水位及其变化对崩塌过程的影响，且考虑了层厚比与岸坡坡度对崩塌体的堆积形式及其对岸坡的防护作用的影响。该方法理论完善，考虑多种影响因素，能描述二元结构河岸崩退的动态过程，且计算结果可以为崩岸预测及预警提供科学依据和技术支撑。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的计算方法的流程图；

图2是本发明实施例的二元结构河岸临界崩岸时受力分析图；

图3(a)是本发明实施例的不同层厚比条件下崩塌体岸坡堆积形式图a；

图3(b)是本发明实施例的不同层厚比条件下崩塌体岸坡堆积形式图b；

图4是本发明实施例的室内概化试验图；

图5是本发明实施例的计算与实测地形对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例的二元结构河岸崩退模式的计算和描述方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、收集二元结构河岸的基本参数，包括：实测断面地形数据并对其进行概化，概化出地形可见附图5。计算河岸初始参数，收集断面水位数据和土体特性数据；

步骤2、根据某一时段的基本参数和上部粘性土层的临界力矩平衡状态，计算上部粘性土层的临界崩塌宽度；

步骤2.1、计算上部粘性土层的自重，此步骤考虑了水位变化的影响，悬空土块所受的浮托力，会随水位变化而改变，水位以下土体重力用粘性土浮容重计算，水位以上土体重力用粘性土饱和容重计算。自重W计算式为：

W＝B_C(γh₁+γ'h₂)

其中，H₁为上部粘土层厚度，H₂为下部沙土层厚度，B_C为临界崩塌宽度，Z为水位，h₁为水位以上粘土层厚度，h₂为水位以下粘土层厚度，γ为土的饱和重度，γ'为土的浮重度。

步骤2.2、计算上部粘性土层顶部张拉裂隙深度，其公式为：

其中，H_t为顶部张拉裂隙深度，c为土体粘聚力，

为内摩擦角。

步骤2.3、计算临界崩塌宽度B_C，随着下部沙土层被水流冲刷，上部粘土层的悬空宽度逐渐增大，当超过某一临界值时，自身重力矩大于土体抵抗力矩，会绕中性轴产生向河槽方向的旋转运动倒入水中。处于临界状态时，其自重引起的外力矩与侧向水压力引起的外力矩与土体潜在断裂面上产生的抵抗力矩相平衡。

其中，γ₀为水重度，σ_t，σ_c分别为土体的抗拉、抗压强度，a＝σ_t/σ_c。

步骤3、采用剩余剪切力法计算下层非粘性土侵蚀宽度，并由单位时间步长的侵蚀宽度计算得到下层非粘性土的累计侵蚀宽度；若累计侵蚀宽度不大于临界崩塌宽度，则返回步骤2，进入下一时段的计算；若累计侵蚀宽度大于临界崩塌宽度，则判断上部粘性土层发生绕轴崩塌。

单位计算时间步长内侵蚀宽度ΔB及累计侵蚀宽度B可由下式计算：

ΔB＝KΔt(τ₀-τ_c)×m

B＝∫ΔB dt

其中，Δt为计算时间步长，τ₀为近岸水流切应力τ₀＝γ₀RJ，R为水力半径，J为能坡，τ_c为起动切应力，K为下部砂土层冲刷系数K＝2×10^-13τ_c ^-0.5，m为考虑水位影响的修正系数。

其中，Z为水位，H₂为下部沙土层厚度。

步骤4、考虑崩塌体的防护作用，当B≥B_c时，认为河岸发生崩塌。

步骤4.1、根据层厚比与岸坡坡度关系界定崩塌体岸坡堆积形式，当2H₁ sinθ/H₂＜1时即层厚比小，且坡度缓时，采用模式a计算，其堆积形式见图3(a)；当2H₁ sinθ/H₂≥1时即层厚比大，且坡度陡时，采用模式b计算，其堆积形式见图3(b)。

步骤4.2、计算崩塌体的防护时间。

对于模式a，可认为其均匀散落在下部沙土层上形成防护层，其厚度B₁可由下式计算：B₁＝B_CH₁ sinθ/H₂。单位时间内的冲刷宽度为ΔB＝KΔt(τ₀-τ_c)×m，当累计冲刷宽度达到B₁时，所用时间为T₂，即为崩塌体的防护时间。

对于模式b，可认为崩塌体的防护时间T₂＝αT₁，其中α为比例系数，取值与崩塌体体积、崩塌土体凝聚力、内摩擦角、水流冲刷能力有关，

T₁为下部沙土层开始冲刷至发生崩岸的时间。据试验观察可发现崩塌体体积是影响α的主要因素，图4为室内概化试验图，根据室内概化试验结果拟合可得到α的经验关系式：α＝2.5(B_cH₁/A)^0.6，式中A为断面面积。

步骤5、修改断面形态，并开始下一阶段的河岸侵蚀过程，跳至步骤2直至完成所需计算的总时间。岸线崩退速率可由累计崩塌的宽度除以总时间得到。最终输出地形结果与相关数据。附图5为本发明选取案例计算结果与实测值对比图，可以发现两者吻合较好。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种二元结构河岸崩退模式的计算和描述方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1、收集二元结构河岸的基本参数，包括：实测断面地形数据并对其进行概化，计算河岸初始参数，收集断面水位数据和土体特性数据；

步骤2、根据某一时段的基本参数和上部粘性土层的临界力矩平衡状态，计算上部粘性土层的临界崩塌宽度；

步骤3、采用剩余剪切力法计算下层非粘性土侵蚀宽度，并由单位时间步长的侵蚀宽度计算得到下层非粘性土的累计侵蚀宽度；若累计侵蚀宽度不大于临界崩塌宽度，则返回步骤2，进入下一时段的计算；若累计侵蚀宽度大于临界崩塌宽度，则判断上部粘性土层发生绕轴崩塌；

步骤4、根据层厚比与岸坡坡度关系界定崩塌体岸坡堆积形式，并分别采用不同的模式考虑崩塌体的防护作用；

步骤4中的具体方法为：

步骤4.1、根据层厚比与岸坡坡度关系界定崩塌体岸坡堆积形式，当2H₁sinθ/H₂＜1时即层厚比小，且坡度缓时，采用模式a计算；当2H₁sinθ/H₂≥1时即层厚比大，且坡度陡时，采用模式b计算；

步骤4.2、计算崩塌体的防护时间；

对于模式a，其均匀散落在下部沙土层上形成防护层，其厚度B₁由下式计算：B₁＝B_CH₁sinθ/H₂；单位时间内的冲刷宽度为ΔB＝KΔt(τ₀-τ_c)×m，当累计冲刷宽度达到B₁时，所用时间为T₂，即为崩塌体的防护时间；

对于模式b，崩塌体的防护时间T₂＝αT₁，其中α为比例系数，取值与崩塌体体积、崩塌土体凝聚力、内摩擦角、水流的冲刷能力有关，

T₁为下部沙土层开始冲刷至发生崩岸的时间；根据室内概化试验结果拟合得到α的经验关系式：α＝2.5(B_cH₁/A)^0.6，其中A为断面面积；

步骤5、当崩塌体在水流的作用下分解且坡面上堆积物被挟带至下游后，修改断面地形并进入下个侵蚀过程，返回步骤2直到计算完所有时段，输出修改后的地形结果和相关数据。

2.根据权利要求1所述的二元结构河岸崩退模式的计算和描述方法，其特征在于，步骤2的具体方法为：

步骤2.1、计算上部粘性土层的自重，考虑水位变化的影响，悬空土块所受的浮托力随水位变化而改变，水位以下土体重力用粘性土浮容重计算，水位以上土体重力用粘性土饱和容重计算；

步骤2.2、根据土体粘聚力和内摩擦角，计算上部粘性土层顶部张拉裂隙深度；

步骤2.3、处于临界状态时，其自重引起的外力矩与侧向水压力引起的外力矩与土体潜在断裂面上产生的抵抗力矩相平衡，根据力矩平衡计算得到临界崩塌宽度。

3.根据权利要求2所述的二元结构河岸崩退模式的计算和描述方法，其特征在于，步骤2.1中计算自重W的公式为：

W＝B_C(γh₁+γ'h₂)

h₁＝H₁-h₂

其中，H₁为上部粘土层厚度，H₂为下部沙土层厚度，B_C为临界崩塌宽度，Z为水位，h₁为水位以上粘土层厚度，h₂为水位以下粘土层厚度，γ为土的饱和重度，γ'为土的浮重度；

步骤2.2中计算上部粘性土层顶部张拉裂隙深度的公式为：

其中，H_t为顶部张拉裂隙深度，c为土体粘聚力，

为内摩擦角。

4.根据权利要求3所述的二元结构河岸崩退模式的计算和描述方法，其特征在于，步骤2.3中临界崩塌宽度B_C的计算公式为：

其中，γ₀为水重度，σ_t，σ_c分别为土体的抗拉、抗压强度，a＝σ_t/σ_c。

5.根据权利要求1所述的二元结构河岸崩退模式的计算和描述方法，其特征在于，步骤3中计算累计侵蚀宽度B的方法为：

ΔB＝KΔt(τ₀-τ_c)×m

B＝∫ΔBdt

其中，ΔB为单位计算时间步长内侵蚀宽度，Δt为计算时间步长，τ₀为近岸水流切应力τ₀＝γ₀RJ，R为水力半径，J为能坡，τ_c为起动切应力，K为下部砂土层冲刷系数K＝2×10^-13τ_c ^-0.5，m为考虑水位影响的修正系数；

其中，Z为水位，H₂为下部沙土层厚度。

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