沖積河道崩岸過程的數(shù)值計(jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及水利工程技術(shù)領(lǐng)域，具體的說是一種沖積河道崩岸過程的數(shù)值計(jì)算方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 崩岸是沖積河流河床變形過程的一個(gè)重要方面。大規(guī)模崩岸不僅會(huì)毀壞已建的河 道整治建筑物、增加沿岸城市的防洪壓力、影響岸邊涉水設(shè)施的正常運(yùn)行，而且可能造成主 流及深槽擺動(dòng)，破壞局部河段的河勢穩(wěn)定。然而，現(xiàn)有的崩岸模擬及監(jiān)測技術(shù)尚不完善，不 能及時(shí)預(yù)測或?qū)崟r(shí)觀測到崩岸的發(fā)生及發(fā)展過程。因此通過數(shù)學(xué)方法對崩岸過程進(jìn)行模 擬，成為研究河道崩岸規(guī)律及開展崩岸預(yù)測的一種重要手段。
[0003] 現(xiàn)有崩岸模擬方法通?；诤恿鲃?dòng)力學(xué)或土力學(xué)中邊坡穩(wěn)定理論。
[0004] 前者一般采用泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)理論，結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)分析，確定影響崩岸的關(guān)鍵水沙 因子，并提出河岸崩退寬度、速率等與這些水沙因子之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，如平灘河寬與來流流 量之間的冪函數(shù)關(guān)系，河岸崩退速率與剩余水流切應(yīng)力之間的冪函數(shù)關(guān)系等。這種半經(jīng)驗(yàn) 半理論方法通常能反映長時(shí)段的河道崩岸，但由于崩岸機(jī)理的復(fù)雜性及河床形態(tài)與河岸土 體特性等方面的差異，它不適用于預(yù)測短時(shí)段內(nèi)河道的崩岸過程，也無法確定崩岸發(fā)生的 時(shí)刻及規(guī)模等。
[0005] 從土力學(xué)角度出發(fā)的研究，則基于河岸崩塌的不同力學(xué)機(jī)理，提出了各類崩岸模 式及相應(yīng)的河岸穩(wěn)定性計(jì)算方法，并部分考慮不同的沖積及非沖積因素對河岸穩(wěn)定性的影 響，如水流沖刷、河道水位升降及河岸土體特性變化等因素。這類方法能計(jì)算出一段時(shí)間內(nèi) 河岸的崩退過程，包括河岸形態(tài)的變化、崩退寬度及次數(shù)等，但由于崩岸機(jī)理涉及因素較 多，要考慮各因素的綜合效應(yīng)目前仍具有一定難度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種沖積河道崩岸過程的數(shù)值計(jì)算方法，能及時(shí)預(yù)測某個(gè) 特定斷面的二元結(jié)構(gòu)河岸在一定水沙過程作用下穩(wěn)定性及岸坡形態(tài)的變化過程，如崩岸發(fā) 生時(shí)刻、崩塌次數(shù)及崩退寬度等，為崩岸預(yù)測及預(yù)警控制提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。
[0007] 本發(fā)明的原理為:河岸崩退與近岸水流沖刷、河岸土體特性、河道水位變化及其引 起的潛水位變化等因素密切相關(guān)，有必要綜合考慮這些因素的影響。近岸水流沖刷會(huì)導(dǎo)致 河岸變陡及其高度增加，這通常是天然沖積河道崩岸發(fā)生的主要控制因素，如長江中下游 80%的崩岸均發(fā)生于迎流頂沖或水流劇烈沖刷的凹岸彎頂位置;而河道水位升降及其引起 的潛水位變化會(huì)改變土體的受力條件及力學(xué)特性，尤其對退水期的崩岸發(fā)生具有明顯影 響。因此，本發(fā)明結(jié)合坡腳沖刷過程、潛水位變化過程與河岸穩(wěn)定性三個(gè)方面的計(jì)算，提出 一種二元結(jié)構(gòu)河岸崩退過程的數(shù)值計(jì)算方法。
[0008] 本發(fā)明沖積河道崩岸過程的數(shù)值計(jì)算方法，包括如下步驟：
[0009] 步驟1，根據(jù)上年汛后的實(shí)測斷面地形及當(dāng)年的實(shí)測或計(jì)算水位過程，確定河岸坡 頂及坡腳，計(jì)算河岸高度、初始坡度等河岸形態(tài)參數(shù)；
[0010]步驟2,計(jì)算河岸坡腳沖刷寬度及床面沖淤厚度，具體步驟如下：
[0011] 步驟2.1，計(jì)算一定時(shí)段At內(nèi)的床面沖淤厚度；
[0012] 步驟2.2，計(jì)算水流對坡腳的橫向沖刷寬度；
[0013] 步驟2.3，基于步驟2.1和2.2，修改河岸形態(tài)；
[0014]步驟3,計(jì)算河岸土體內(nèi)潛水位變化過程，具體步驟如下：
[0015] 步驟3.1，在河岸土體內(nèi)劃分計(jì)算節(jié)點(diǎn)，確定初始起潛水位；
[0016] 步驟3.2,根據(jù)一維滲流控制方程，計(jì)算各節(jié)點(diǎn)在一定時(shí)段后的潛水位；
[0017]步驟3.3，基于步驟3.1-3.2，確定岸坡一定范圍內(nèi)潛水位的平均值；
[0018] 步驟4,計(jì)算河岸穩(wěn)定安全系數(shù)，判斷其是否發(fā)生崩塌，具體步驟如下：
[0019] 步驟4.1，基于步驟2，確定土體內(nèi)部破壞面位置；
[0020]步驟4.2，計(jì)算潛在的滑動(dòng)土體的穩(wěn)定性，即河岸穩(wěn)定安全系數(shù)Fs;
[0021 ]步驟4.3，對比匕與臨界值的大小，判斷河岸是否發(fā)生崩塌;若是，則根據(jù)破壞面修 改河岸形態(tài)，并進(jìn)入步驟4.4;若否，進(jìn)入步驟4.5;
[0022] 步驟4.4,河岸發(fā)生崩塌后，確定坡腳堆積體的形態(tài)；
[0023] 步驟4.5，當(dāng)前時(shí)段的河岸穩(wěn)定計(jì)算完成后，進(jìn)入下一時(shí)段的計(jì)算，返回步驟2;
[0024] 步驟5,劃分崩岸強(qiáng)度，具體步驟如下：
[0025] 步驟5.1，記錄整個(gè)計(jì)算時(shí)段內(nèi)河岸的崩塌次數(shù)Nt和崩退寬度AW，確定年均崩退 寬度Aw;
[0026] 步驟5.2,依據(jù)年均崩退Aw值，通過設(shè)定的崩岸嚴(yán)重程度等級劃分體系，確定崩岸 強(qiáng)度等級。
[0027] 本發(fā)明一種沖積河道崩岸過程的數(shù)值計(jì)算方法的有益效果在于：
[0028] (1)考慮了多種崩岸影響因素的共同作用，能同時(shí)模擬河岸崩退過程、水流對河岸 坡腳的沖刷過程及河岸土體內(nèi)潛水位的變化過程；
[0029] (2)可直接反映河岸穩(wěn)定性隨時(shí)間的變化過程，估計(jì)各時(shí)段崩岸發(fā)生的頻率，且能 預(yù)測河岸的崩退寬度、發(fā)生時(shí)刻以及崩后的河岸形態(tài)；
[0030] (3)可依據(jù)崩岸預(yù)測結(jié)果，通過等級劃分體系，確定河道的崩岸強(qiáng)度，為河道崩岸 險(xiǎn)情管理提供依據(jù)。
【附圖說明】
[0031] 圖1為本發(fā)明計(jì)算方法的流程圖。
[0032] 圖2為利用枯水位及斷面形態(tài)確定河岸坡腳的示意圖。
[0033]圖3a為河岸發(fā)生初次崩塌的概化形態(tài)；
[0034]圖3b為河岸坡腳堆積的概化形態(tài)；
[0035]圖3c為河岸發(fā)生二次崩塌的概化形態(tài)。
[0036]圖4為崩岸強(qiáng)度等級劃分體系的示意圖。
[0037]圖5為模擬的上荊江荊34斷面的河岸穩(wěn)定安全系數(shù)的變化過程。
[0038]圖6為模擬的上荊江荊34斷面的河岸崩塌過程。
【具體實(shí)施方式】
[0039] 下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。如圖1-圖6所示，一種沖積河道崩岸過程 的數(shù)值計(jì)算方法，具體步驟如下：
[0040] 步驟1:根據(jù)上年汛后的實(shí)測斷面地形及當(dāng)年的實(shí)測或預(yù)測水位過程，確定河岸坡 頂及坡腳，計(jì)算河岸高度、初始坡度等河岸形態(tài)參數(shù)。
[0041] 收集上年的地形及計(jì)算年份的水位資料，確定河岸形態(tài)?？紤]到河岸的坡腳通常 位于水下，難以觀測到，故本發(fā)明中坡腳由斷面形態(tài)和計(jì)算年份的枯水位共同確定。
[0042] 參見圖2,河岸坡頂可直接依據(jù)斷面地形確定，如圖中的S1A，而確定坡腳的方法 為:首先計(jì)算最低枯水位A下的河槽面積A、水面寬度B及相應(yīng)的平均水深H(=A/B)，此時(shí)坡 腳的高程則為Zl與H之差;然后依據(jù)地形，通過插值計(jì)算求得坡腳位置的水平坐標(biāo)，如圖中 的S 2點(diǎn)。
[0043]河岸高度Hb和坡度S分別通過以下兩式進(jìn)行計(jì)算：
[0044] Hb = Ztp-Zte; S = Hb/( Xtp-Xte) (1)
[0045] 其中Xtp和Ztp分別為坡頂水平坐標(biāo)(m)和高程(m);Xte和Z te分別為坡腳水平坐標(biāo)(m) 和高程(m)。
[0046] 步驟2:河岸坡腳沖刷計(jì)算，包括步驟2.1-2.3。該步驟重點(diǎn)包括兩個(gè)方面，分別為 預(yù)測一段時(shí)間內(nèi)河床縱向沖淤厚度和水流的橫向沖刷寬度。
[0047] 步驟2.1:計(jì)算一定時(shí)段內(nèi)的床面沖淤厚度
[0048] 坡腳處床面沖淤厚度計(jì)算涉及近岸水流條件和河床組成情況，本發(fā)明采用近岸處 的河床變形方程進(jìn)行計(jì)算，即：
[0050]式中：At為時(shí)間（s); AZb為坡腳沖淤厚度(m);P'為床沙干密度(kg ·πΓ3);Μ為非 均勻沙的分組數(shù);Sk、S*k*別為第k粒徑組泥沙的含沙量(kg · nf3)及挾沙力(kg · nf3);ask為 第k粒徑組泥沙的恢復(fù)飽和系數(shù)；c〇sk第k粒徑組泥沙的有效沉速(m · ?Γ1)。其中水流挾沙力 采用張瑞瑾挾沙力公式計(jì)算，即：
[0052]式中：k為系數(shù)，m為冪指數(shù);U為斷面平均流速(m · ?Γ1); 〇^為非均勻沙的平均沉速 (m · s';H為水深(m);g為重力加速度(m · s<)。
[0053] 步驟2.2:計(jì)算水流對坡腳的橫向沖刷寬度。
[0054] 坡腳處的橫向沖刷寬度與水流的沖刷強(qiáng)度及土體的抗沖能力有關(guān)，其中水流的沖 刷強(qiáng)度可表示為水流的切應(yīng)力，土體抗沖能力則表示為土體起動(dòng)切應(yīng)力，故水流對坡腳的 橫向沖刷寬度AB(m)則可根據(jù)該兩者來進(jìn)行計(jì)算，相應(yīng)表達(dá)式如下：
[0056] 式中：Δ t為時(shí)間（s) ;kd為沖刷系數(shù)(m3 · (N · s)-3 ;τ。為土體起動(dòng)切應(yīng)力（N · m I; Tf為水流切應(yīng)力(N · πΓ2) Jf= γ URJ，γ ω為水的容重(N · nf3) ;R為水力半徑(m)，近似取 水深H(m); J為水面