CN113837529B - 一种河道岸坡崩塌风险评估方法 - Google Patents

一种河道岸坡崩塌风险评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种河道岸坡崩塌风险评估方法，包括以下步骤：步骤一、选取河段并布置索引线，计算近岸断面线的起点坐标和终点坐标；步骤二、提取近岸地形及近岸断面数据；步骤三、根据近岸断面数据，计算坡比和滩槽高程差；步骤四、建立岸坡稳定系数与坡比及滩槽高程差的经验函数关系；步骤五、采用经验函数关系依次计算每个断面的岸坡稳定系数值，并形成岸坡崩塌风险图；该方法还包括步骤六、依据河道各个年份的地形图，重复步骤一至步骤五，形成对应年份的岸坡崩塌风险图，进行对比就可知道河道岸坡近年来的演变情况及风险逐渐累积的过程。该方法贴合实际，结果形象直观，对预防岸坡崩塌和后续岸坡治理提供了科学依据和技术支持。

Description

一种河道岸坡崩塌风险评估方法
技术领域
本发明属于水利工程技术领域，更具体地涉及一种河道岸坡崩塌 风险评估方法。
背景技术
岸坡崩塌失稳是河道内的主要灾害形式之一，岸坡的崩塌不仅改 变河道平面形态，引起上下游河势的调整变化，而且更是直接影响到 堤防护岸工程、航道治理工程、涉水建筑物的安全与岸线的保护和利 用。
河道内的岸坡崩塌具有特殊性和复杂性，特殊性体现在河道岸坡 在水流泥沙运动的作用下处于时刻变化的状态，这与一般的边坡是完 全不同的；而复杂性则体现在引起河道岸坡失稳的因素较多，大类的 影响因素包括岸坡形状及河势条件、水流运动情况、岸坡地质条件、 岸坡守护情况、历史岸坡崩塌情况及人类活动影响。这些大类的影响 因素又可以进一步细分为深泓贴岸的距离、近岸综合坡比、近岸滩槽 高程差、流速大小、流速与岸坡的夹角、基岩、土质、有无护岸工程、 护岸工程运行年限、护岸工程损毁情况、近期崩岸发生段、历史险工 险段、未发生险情段、城市段、非城市段等。但是岸坡地质条件在一 定的空间范围内是固定不变的，岸坡现状及守护情况、历史岸坡崩塌 情况及人类活动情况等在短时间段内也基本不会发生变化，而岸坡形 状及河势条件、水流泥沙运动情况则是时刻变化的，水流泥沙运动引 起河床及岸坡演变，河床及岸坡演变的效果最终会体现在形态的变化上，当岸坡形态达到某一临界状态时，就可能发生岸坡崩塌。
传统的岸坡崩塌风险评估方法有两种：第一种是针对某个点的， 通过岸坡形态、地质条件等的分析来确定该点的崩岸风险；第二种是 采用层次分析法通过对各种影响因素进行评分赋值来确定。第一种方 法相对较为精确，但系统性和直观性不够；第二种方法考虑的因素较 为全面，但评分赋值随意性较强。因此，研究基于岸坡形态变化的岸 坡崩塌风险评估方法对于预测预警岸坡的稳定状态及减小岸坡崩塌 带来的损失具有重要意义，如授权公告号为CN111549716B的发明专 利，提出了一种二元结构河岸崩退模式的计算和描述方法，先通过计 算河岸初始参数,分析断面水位资料,土体特性等基本参数，再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，再根据下层非 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，然后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，最后当崩塌体在 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。该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， 但是该发明的侧重点是河岸崩塌的理论计算模式和方法，技术方案中 涉及的参数较多，这些参数在实际生产过程中是很难确定的，而且参数变化范围也较大，这些参数对计算结果的影响均比较明显，该发明 的技术方案可以模拟个别断面的岸坡崩塌过程，但是无法对整个河段 的岸坡崩塌模式进行评价，该发明的技术方案也并未对岸坡崩塌的风 险值本身进行量化，不能生成河段的岸坡崩塌风险图，对实际的生产 实践指导意义不大。
发明内容
为解决背景技术中所述的问题，本发明提出了一种河道岸坡崩塌 风险评估方法。
该方法包括以下步骤：
步骤一、选取河道河段并布置索引线，计算近岸断面线的起点坐 标和终点坐标；
步骤二、提取近岸地形及近岸断面数据；
步骤三、根据近岸断面数据，计算坡比和滩槽高程差；
步骤四、建立岸坡稳定系数与坡比及滩槽高程差的经验函数关系；
步骤五、采用经验函数关系依次计算每个断面的岸坡稳定系数值， 并形成岸坡崩塌风险图。
所述的步骤一中，将索引线按照一定间距进行等分，索引线的等 分点即为断面线的起点，令断面线的起点坐标为(xi,yi)，断面线的长 度为l，断面线均与索引线的切线垂直，索引线的切线斜率 
Figure BDA0003208476880000031
则断面线的终点坐标 (xiz,yiz)中，xiz＝xi-l*cos(arctanki)，yiz＝yi+l*sin(arctanki)，其 中i＝1,2,3…n。
所述的步骤二中，依据授权公开号为CN106503154B的发明专利 所述的批量河道断面形态数据的自动化提取方法，提取近岸地形及近 岸断面数据。
所述的步骤三中，近岸断面包括滩地段、岸坡段和河床段，所述 的岸坡段的陡峻的程度为坡比f，岸坡段的高度差为滩槽高程差h。
所述的岸坡段是对应断面线函数两个拐点之间的区域，也即断面 线函数的导数值出现明显变化的两个点之间的区域，断面线函数每个 点的前导数fq`(xij)＝(zij+1-zij)/(xij+1-xij)，断面线函数每 个点的后导数fh`(xij)＝(zij-zij-1)/(xij-xij-1)，则拐点的 具体判别条件为：
当fq`(xij)＞0、fh`(xij)＜0或fq`(xij)＜0、fh`(xij)＞ 0时，该点为断面线的拐点；
当fq`(xij)＞＞fh`(xij)或fq`(xij)＜＜fh`(xij)时，该点也为断 面线的拐点；
由此即可提取出断面线上属于岸坡段的那一部分(xlij,zlij)，从而 通过计算可得出坡比f和滩槽高程差h，其中i＝1,2,3…n，j＝1,2,3…k。
所述的坡比f和滩槽高程差h的计算方法为采用最小二乘法对岸 坡段(xlij,zlij)进行线性回归，直线斜率的导数就是坡比f，直线起点 与终点高程的差值就是滩槽高程差h，其中i＝1,2,3…n，j＝1,2,3…k。
所述的最小二乘法的原理为：
z＝bx+a、
Figure BDA0003208476880000051
a＝zliv-bxliv、
Figure BDA0003208476880000052
Figure BDA0003208476880000053
则坡比f为直线斜率b的导数：
Figure BDA0003208476880000054
则滩槽高程差h为直线 起点和终点高程的差值：h＝|zlik-zli0|；其中i＝1,2,3…n，j＝1,2,3…k。
所述的步骤四中，岸坡稳定系数K与坡比f及滩槽高程差h的经 验函数关系为：K＝f-0.631+h-0.406-0.590。
该方法还包括步骤六、依据河道各个年份的地形图，重复步骤一 至步骤五的操作，计算并形成对应年份的岸坡崩塌风险图，进行对比 就可知道河道岸坡近年来的演变情况及岸坡崩塌风险逐渐累积的过 程。
河道岸坡崩塌的风险大小由岸坡稳定系数的值相对于临界稳定 系数值存在有多大的富裕度来决定，临界稳定系数值在同一工况是固 定值，因此岸坡稳定系数值就可以直接代表风险值的大小，即岸坡稳 定系数值越小，富裕度就越小，风险也就越大，岸坡稳定系数值越大， 富裕度就越大，风险也就越小。
根据每个断面岸坡的坡比f和滩槽高程差h的值，即可计算出每 个断面的岸坡稳定系数值，将岸坡稳定系数分不同的区间并赋予不同 的颜色，风险从高到低逐渐由红色、黄色过渡到绿色，利用vba编程 即可在Autocad中形成岸坡崩塌风险图。
本发明与现有技术相比，在有河道地形图的情况下，通过设计 算法成功提取出了技术方案中涉及到的坡比和滩槽高程差这两个参 数；本发明的技术方案提供了岸坡崩塌风险评估的具体实现过程和 算法，操作简单、易于上手，可大面积推广；通过本发明的技术方 案可以对岸坡崩塌的风险值本身进行量化，形成河段的岸坡崩塌风 险图，结果形象直观，可以直接用来指导生产实践，研究制定河道 不同位置的岸坡崩塌的防止对策。另外，通过分别计算并绘制每个 年份的岸坡崩塌风险图，进行对比就可动态反映河道岸坡近年来的 演变情况，了解崩塌风险逐渐累积的过程，对预防岸坡崩塌和后续 的岸坡治理提供了直观有力的科学依据和技术支持。
附图说明
图1为河道岸坡崩塌风险评估方法的流程图。
图2为河道岸坡的断面线示意图。
图3为河道近岸断面的概念化示意图。
图4为岸坡稳定系数与坡比和滩槽高程差之间的经验关系式的拟合 值和计算值对比图。
其中：1-滩地段；2-岸坡段；3-河床段。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本 发明的限定，仅做举例而已，同时通过说明，将更加清楚地理解本发 明的优点。本领域的普通的技术人员能从本发明公开的内容直接导出 或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。实施例中所述 的位置关系均与附图所示一致，实施例中其他未详细说明的部分均为 现有技术。
下面以长江澄通河段为例，对其岸坡崩塌风险评估过程进行详细 说明，评估方法的流程图如图1所示。
(1)选取河道河段并布置索引线，计算近岸断面线的起点坐标 和终点坐标。
由于河道岸坡是三维的，要量化出岸坡的形态不太容易，但是可 以通过沿河道走向提取断面，然后量化断面的形态来近似反映岸坡的 形态。
如果要尽量精细的反映岸坡的形态，那么近岸断面布置的密度就 要足够大，根据河道地形数据的测量精度，考虑至少每500m布置一 个断面，断面的布置要尽量与河道的走向垂直，才能准确的反映岸坡 的形态。
具体的操作方法为沿澄通河段左右岸河道走向各布置一条索引 线，然后将该条索引线按照间距500m进行等分，则索引线的等分点 在平面上形成了点序列(xi,yi)，其中i＝1,2,3…n，索引线的等分点即 为断面线的起点，故断面线的起点坐标为(xi,yi)，断面线与该条索引 线是垂直的，也就是断面线与索引线的切线垂直，索引线的切线斜率 为：
Figure BDA0003208476880000071
然后根据断面线的起点坐标(xi,yi)，断面线的长度l可根据实 际情况进行调整,在本实施例中，断面线的长度l＝2000m，即可求得 断面线的终点坐标(xiz,yiz)，其中i＝1,2,…n，而xiz和yiz的计算结果如 下所示：
xiz＝xi-l*cos(arctan ki)＝xi-2000*cos(arctan ki)   ②；
yiz＝yi+l*sin(arctan ki)＝yi+2000*sin(arctan ki)   ③。
通过计算，即可得到河道岸坡的所有断面线的起点坐标和终点坐 标，该河道岸坡的所有断面线如图2所示。
(2)提取近岸地形及近岸断面数据。
依据上述计算可得到的河道岸坡各个断面线的起点坐标和终点 坐标，然后依据授权公开号为CN106503154B的发明专利所述的批量 河道断面形态数据的自动化提取方法，提取近岸地形及近岸断面数据， 此处不再赘述。
(3)根据近岸断面数据，计算坡比f和滩槽高程差h。
坡比f及滩槽高程差h是影响岸坡稳定的两个重要形态特征参 数。一般而言，河道断面在纵向上的形态差异性较大，通过对大量实 测断面形态的观察可以发现，如图3所示，近岸断面的基本组成形态 包括高程较高的滩地段1、高程较低的河床段3及连接滩地段1和河 床段3之间的岸坡段2，因此，可以将近岸断面概念化为三段，第一 段为滩地段1，范围为堤防至滩唇，为近乎于水平或斜率较小的直线； 第二段为岸坡段2，范围为滩唇至河床，为倾斜的直线；第三段为河 床段3，范围为河床，为近乎于水平或斜率较小的直线，则坡比f反映的就是岸坡段2陡峻的程度，而滩槽高程差h反映的就是岸坡段2 的高度差。
根据断面曲线的特征可提取出对应岸坡段，然后计算出坡比f和 滩槽高程差h。根据上述(2)所述提取出的地形及断面数据，提取得 到的是断面线的散点数据序列(xij,zij)，其中i＝1,2,3…n；j＝1,2,3…k， 断面线应该对应某一函数为z＝f(x)，而具体的函数形式无法求得， 然而通过概念化断面的形态可以看出，岸坡段2对应的是函数两个拐 点之间的区域，也即导数值出现明显变化的两个点之间的区域，因此 分别计算每个点的前导数fq`(x)和后导数fh`(x)的值：
fq`(xij)＝(zij+1-zij)/(xij+1-xij)   ④；
fh`(xij)＝(zij-zij-1)/(xij-xij-1)   ⑤。
根据前后导数值的正负号及大小即可判别断面线的拐点，拐点的 具体判别条件为：
当fq`(xij)＞0、fh`(xij)＜0或fq`(xij)＜0、fh`(xij)＞0， 则该点为断面线的拐点；
当fq`(xij)＞＞fh`(xij)或fq`(xij)＜＜fh`(xij)，则该点也为断 面线的拐点；
由此即可提取出断面线上属于岸坡段2的那一部分(xlij,zlij)，其 中i＝1,2,3…n；j＝1,2,3…k。
然后利用最小二乘法对(xlij,zlij)进行线性回归，直线斜率的导数 就是坡比f，直线起点与终点高程的差值就是滩槽高程差h。最小二 乘法的原理为：
z＝bx+a   ⑥；
Figure BDA0003208476880000101
a＝zliv-bxliv   ⑧；
Figure BDA0003208476880000102
Figure BDA0003208476880000103
直线斜率b的导数即为坡比f：
Figure BDA0003208476880000104
直线的起点和终点高程的差值即为滩槽高程差h：
Figure BDA0003208476880000106
通过计算即可得到河道岸坡的各个断面的坡比f和滩槽高程差 h。
(4)建立岸坡稳定系数与坡比及滩槽高程差的经验函数关系。
采用瑞典圆弧法计算岸坡稳定系数的基本公式如下：
Figure BDA0003208476880000105
公式中：K为岸坡稳定系数；W为土条重量，单位为kN；Q、 V为水平和垂直地震惯性力，V向上为负，向下为正，单位为kN； u为作用于土条底面的孔隙压力，单位为kN/m2；α为条块的重力 线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角；b为土条宽度，单位 为m；c′土条底面的有效凝聚力，单位为kN/m2；
Figure BDA0003208476880000111
为土条底面的 有效内摩擦角；Mc为水平地震力对圆心的力矩，单位为kN·m；R 为圆弧半径，单位为m。
从上式可以看出，地震力在固定区域内是基本不变的，凝聚力和 内摩擦角在固定区域内属于范围值，可以取较为不利的情况进行计算， 因此重力是影响岸坡稳定的主要因素，岸坡土体的重力W是坡比f和 滩槽高程差h的函数，即
Figure BDA0003208476880000112
而W与f和h之间的理论关 系式目前无法求得，因此K与f和h之间的理论关系也无法求得，但 可以利用图2所示的概念化断面的形态，设置一系列的f和h的值来 建立K与f和h之间的经验关系式。根据计算得到的坡比和高程差的 范围，设置坡比f的变化范围为1:1、1:2、…、1:9、1:10，设置滩槽 高程差h的变化范围为5m、10m、…、45m、50m。采用幂函数进 行拟合，得到岸坡稳定系数K与f和h之间的经验关系式为：
Figure BDA0003208476880000113
公式
Figure BDA0003208476880000114
的拟合值与计算值的对比图如图4所示，可知该拟合效 果好，公式
Figure BDA0003208476880000115
的可靠性高。
(5)采用经验函数关系依次计算每个断面的岸坡稳定系数值， 并形成岸坡崩塌风险图。
根据(3)所计算得到的河道岸坡的各个断面的坡比f和滩槽高 程差h，采用公式
Figure BDA0003208476880000121
通过计算即可得到各个断面的岸坡稳定系数值。
河道岸坡崩塌的风险大小由岸坡稳定系数的值相对于临界稳定 系数值存在有多大的富裕度来决定，临界稳定系数值在同一工况是固 定值，因此岸坡稳定系数值就可以直接代表风险值的大小，即岸坡稳 定系数值越小，富裕度就越小，风险也就越大，岸坡稳定系数值越大， 富裕度就越大，风险也就越小。
将岸坡稳定系数分不同的区间并赋予不同的颜色，风险从高到低 逐渐由红色、黄色过渡到绿色，利用vba编程即可在Autocad中形成 崩岸风险图。
(6)依据河道各个年份的地形图，重复(1)至(5)的操作，计 算并形成对应年份的岸坡崩塌风险图，进行对比就可知道河道岸坡近 年来的演变情况及岸坡崩塌风险逐渐累积的过程。
提取长江澄通河段2006年、2011年、2016年和2018年的河道 地形数据，按照(1)至(5)的操作，绘制每个年份的河道左右岸 的断面线，提取出端面数据，计算每个断面的坡比f和滩槽高程差 h，然后采用公式(14)计算每个断面的岸坡稳定系数值K，最后依 据2006年、2011年、2016年、2018年左右岸每个断面的岸坡稳定 系数K值，生成每个年份的岸坡崩塌风险图。
通过对2006年、2011年、2016年和2018年的长江澄通河段左 岸岸坡崩塌风险图的分析，可知四号港闸-又来沙闸段、新跃涵洞-小 天生港涵洞段均为中高风险岸段，标识为黄色和红色风险。实际监测 结果表明四号港闸-又来沙闸段在2009-2014年间，局部滩面严重坍 塌，崩退宽度5-14m；新跃涵洞-小天生港涵洞段在2013年前后，局 部滩地出现坍塌，滩地前沿不断后退，危及堤防安全。
此外，通过对2006年、2011年、2016年和2018年的岸坡崩塌 风险图的分析可知，新开港-南农闸段近年来近岸河道不断的受到冲 刷，岸坡崩塌风险在逐渐累计，2006年时仅为中风险岸段，标识为黄 色风险，2018年时发展为高风险岸段，标识为红色风险，值得相关管 理部门重视，并提前采取防护措施，防止岸坡崩塌造成不必要的人员 伤亡及财产损失。
采用该评估方法可绘制出各个年份的岸坡崩塌风险图，通过对各 个年份的岸坡崩塌风险图进行对比评估，就可知道河道岸坡近年来的 演变情况以及岸坡崩塌风险逐渐累积的过程，给预防岸坡崩塌和后续 的岸坡治理提供科学依据和技术支持，给长江澄通河段的管理部门和 设计人员提供有针对性的建议。
以上结合附图及具体实施例详细描述了本发明的优选实施方式， 但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术 构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单 变型均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种河道岸坡崩塌风险评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、选取河段并布置索引线，计算近岸断面线的起点坐标和终点坐标：
将索引线按照一定间距进行等分，索引线的等分点即为断面线的起点，令断面线的起点坐标为(xi,yi)，断面线的长度为l，断面线均与索引线的切线垂直，索引线的切线斜率
Figure FDA0004105763710000011
则断面线的终点坐标(xiz,yiz)中，xiz＝xi-l*cos(arctanki)，yiz＝yi+l*sin(arctanki)，其中i＝1,2,3…n；
步骤二、提取近岸地形及近岸断面数据；
步骤三、根据近岸断面数据，计算坡比和滩槽高程差：
所述近岸断面包括滩地段(1)、岸坡段(2)和河床段(3)，所述的岸坡段(2)的陡峻的程度为坡比f，岸坡段(2)的高度差为滩槽高程差h，
所述的岸坡段(2)是对应断面线函数两个拐点之间的区域，也即断面线函数的导数值出现明显变化的两个点之间的区域，(xij,zij)是根据步骤二提取出的地形及断面数据所提取得到的断面线的散点数据序列，i＝1,2,3…n；j＝1,2,3…k；断面线函数每个点的前导数fq`(xij)＝(zij+1-zij)/(xij+1-xij)，断面线函数每个点的后导数fh`(xij)＝(zij-zij-1)/(xij-xij-1)，则拐点的具体判别条件为：
当fq`(xij)＞0、fh`(xij)＜0或fq`(xij)＜0、fh`(xij)＞0时，该点为断面线的拐点，
当fq`(xij)＞＞fh`(xij)或fq`(xij)＜＜fh`(xij)时，该点也为断面线的拐点，
由此即可提取出断面线上属于岸坡段的那一部分(xlij,zlij)，坡比f和滩槽高程差h的计算方法为采用最小二乘法对岸坡段(xlij,zlij)进行线性回归，直线斜率的导数就是坡比f，直线起点与终点高程的差值就是滩槽高程差h，所述的最小二乘法的原理为：
z＝bx+a、
Figure FDA0004105763710000021
a＝zliv-bxliv、
Figure FDA0004105763710000022
Figure FDA0004105763710000023
则坡比f为直线斜率b的导数：
Figure FDA0004105763710000024
则滩槽高程差h为直线起点和终点高程的差值：h＝|zlik-zli0|，
其中i＝1,2,3…n，j＝1,2,3…k；
步骤四、建立岸坡稳定系数与坡比及滩槽高程差的经验函数关系；
步骤五、采用经验函数关系依次计算每个断面的岸坡稳定系数值，并形成岸坡崩塌风险图。
2.根据权利要求1所述的一种河道岸坡崩塌风险评估方法，其特征在于：所述的步骤四中，岸坡稳定系数K与坡比f及滩槽高程差h的经验函数关系为：K＝f-0.631+h-0.406-0.590。
3.根据权利要求1或2所述的一种河道岸坡崩塌风险评估方法，其特征在于：还包括步骤六、依据河道各个年份的地形图，重复步骤一至步骤五的操作，计算并形成对应年份的岸坡崩塌风险图，进行对比就可知道河道岸坡近年来的演变情况及岸坡崩塌风险逐渐累积的过程。
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