冲积河道崩岸过程的数值计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及水利工程技术领域，具体的说是一种冲积河道崩岸过程的数值计算方 法。
【背景技术】
[0002] 崩岸是冲积河流河床变形过程的一个重要方面。大规模崩岸不仅会毁坏已建的河 道整治建筑物、增加沿岸城市的防洪压力、影响岸边涉水设施的正常运行，而且可能造成主 流及深槽摆动，破坏局部河段的河势稳定。然而，现有的崩岸模拟及监测技术尚不完善，不 能及时预测或实时观测到崩岸的发生及发展过程。因此通过数学方法对崩岸过程进行模 拟，成为研究河道崩岸规律及开展崩岸预测的一种重要手段。
[0003] 现有崩岸模拟方法通常基于河流动力学或土力学中边坡稳定理论。
[0004] 前者一般采用泥沙运动力学理论，结合实测数据分析，确定影响崩岸的关键水沙 因子，并提出河岸崩退宽度、速率等与这些水沙因子之间的经验关系，如平滩河宽与来流流 量之间的幂函数关系，河岸崩退速率与剩余水流切应力之间的幂函数关系等。这种半经验 半理论方法通常能反映长时段的河道崩岸，但由于崩岸机理的复杂性及河床形态与河岸土 体特性等方面的差异，它不适用于预测短时段内河道的崩岸过程，也无法确定崩岸发生的 时刻及规模等。
[0005] 从土力学角度出发的研究，则基于河岸崩塌的不同力学机理，提出了各类崩岸模 式及相应的河岸稳定性计算方法，并部分考虑不同的冲积及非冲积因素对河岸稳定性的影 响，如水流冲刷、河道水位升降及河岸土体特性变化等因素。这类方法能计算出一段时间内 河岸的崩退过程，包括河岸形态的变化、崩退宽度及次数等，但由于崩岸机理涉及因素较 多，要考虑各因素的综合效应目前仍具有一定难度。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种冲积河道崩岸过程的数值计算方法，能及时预测某个 特定断面的二元结构河岸在一定水沙过程作用下稳定性及岸坡形态的变化过程，如崩岸发 生时刻、崩塌次数及崩退宽度等，为崩岸预测及预警控制提供科学依据和技术支撑。
[0007] 本发明的原理为:河岸崩退与近岸水流冲刷、河岸土体特性、河道水位变化及其引 起的潜水位变化等因素密切相关，有必要综合考虑这些因素的影响。近岸水流冲刷会导致 河岸变陡及其高度增加，这通常是天然冲积河道崩岸发生的主要控制因素，如长江中下游 80%的崩岸均发生于迎流顶冲或水流剧烈冲刷的凹岸弯顶位置;而河道水位升降及其引起 的潜水位变化会改变土体的受力条件及力学特性，尤其对退水期的崩岸发生具有明显影 响。因此，本发明结合坡脚冲刷过程、潜水位变化过程与河岸稳定性三个方面的计算，提出 一种二元结构河岸崩退过程的数值计算方法。
[0008] 本发明冲积河道崩岸过程的数值计算方法，包括如下步骤：
[0009] 步骤1，根据上年汛后的实测断面地形及当年的实测或计算水位过程，确定河岸坡 顶及坡脚，计算河岸高度、初始坡度等河岸形态参数；
[0010]步骤2,计算河岸坡脚冲刷宽度及床面冲淤厚度，具体步骤如下：
[0011] 步骤2.1，计算一定时段At内的床面冲淤厚度；
[0012] 步骤2.2，计算水流对坡脚的横向冲刷宽度；
[0013] 步骤2.3，基于步骤2.1和2.2，修改河岸形态；
[0014]步骤3,计算河岸土体内潜水位变化过程，具体步骤如下：
[0015] 步骤3.1，在河岸土体内划分计算节点，确定初始起潜水位；
[0016] 步骤3.2,根据一维渗流控制方程，计算各节点在一定时段后的潜水位；
[0017]步骤3.3，基于步骤3.1-3.2，确定岸坡一定范围内潜水位的平均值；
[0018] 步骤4,计算河岸稳定安全系数，判断其是否发生崩塌，具体步骤如下：
[0019] 步骤4.1，基于步骤2，确定土体内部破坏面位置；
[0020]步骤4.2，计算潜在的滑动土体的稳定性，即河岸稳定安全系数Fs;
[0021 ]步骤4.3，对比匕与临界值的大小，判断河岸是否发生崩塌;若是，则根据破坏面修 改河岸形态，并进入步骤4.4;若否，进入步骤4.5;
[0022] 步骤4.4,河岸发生崩塌后，确定坡脚堆积体的形态；
[0023] 步骤4.5，当前时段的河岸稳定计算完成后，进入下一时段的计算，返回步骤2;
[0024] 步骤5,划分崩岸强度，具体步骤如下：
[0025] 步骤5.1，记录整个计算时段内河岸的崩塌次数Nt和崩退宽度AW，确定年均崩退 宽度Aw;
[0026] 步骤5.2,依据年均崩退Aw值，通过设定的崩岸严重程度等级划分体系，确定崩岸 强度等级。
[0027] 本发明一种冲积河道崩岸过程的数值计算方法的有益效果在于：
[0028] (1)考虑了多种崩岸影响因素的共同作用，能同时模拟河岸崩退过程、水流对河岸 坡脚的冲刷过程及河岸土体内潜水位的变化过程；
[0029] (2)可直接反映河岸稳定性随时间的变化过程，估计各时段崩岸发生的频率，且能 预测河岸的崩退宽度、发生时刻以及崩后的河岸形态；
[0030] (3)可依据崩岸预测结果，通过等级划分体系，确定河道的崩岸强度，为河道崩岸 险情管理提供依据。
【附图说明】
[0031] 图1为本发明计算方法的流程图。
[0032] 图2为利用枯水位及断面形态确定河岸坡脚的示意图。
[0033]图3a为河岸发生初次崩塌的概化形态；
[0034]图3b为河岸坡脚堆积的概化形态；
[0035]图3c为河岸发生二次崩塌的概化形态。
[0036]图4为崩岸强度等级划分体系的示意图。
[0037]图5为模拟的上荆江荆34断面的河岸稳定安全系数的变化过程。
[0038]图6为模拟的上荆江荆34断面的河岸崩塌过程。
【具体实施方式】
[0039] 下面结合附图，对本发明做进一步说明。如图1-图6所示，一种冲积河道崩岸过程 的数值计算方法，具体步骤如下：
[0040] 步骤1:根据上年汛后的实测断面地形及当年的实测或预测水位过程，确定河岸坡 顶及坡脚，计算河岸高度、初始坡度等河岸形态参数。
[0041] 收集上年的地形及计算年份的水位资料，确定河岸形态。考虑到河岸的坡脚通常 位于水下，难以观测到，故本发明中坡脚由断面形态和计算年份的枯水位共同确定。
[0042] 参见图2,河岸坡顶可直接依据断面地形确定，如图中的S1A，而确定坡脚的方法 为:首先计算最低枯水位A下的河槽面积A、水面宽度B及相应的平均水深H(=A/B)，此时坡 脚的高程则为Zl与H之差;然后依据地形，通过插值计算求得坡脚位置的水平坐标，如图中 的S 2点。
[0043]河岸高度Hb和坡度S分别通过以下两式进行计算：
[0044] Hb = Ztp-Zte; S = Hb/( Xtp-Xte) (1)
[0045] 其中Xtp和Ztp分别为坡顶水平坐标(m)和高程(m);Xte和Z te分别为坡脚水平坐标(m) 和高程(m)。
[0046] 步骤2:河岸坡脚冲刷计算，包括步骤2.1-2.3。该步骤重点包括两个方面，分别为 预测一段时间内河床纵向冲淤厚度和水流的横向冲刷宽度。
[0047] 步骤2.1:计算一定时段内的床面冲淤厚度
[0048] 坡脚处床面冲淤厚度计算涉及近岸水流条件和河床组成情况，本发明采用近岸处 的河床变形方程进行计算，即：
[0050]式中：At为时间（s); AZb为坡脚冲淤厚度(m);P'为床沙干密度(kg ·πΓ3);Μ为非 均匀沙的分组数;Sk、S*k*别为第k粒径组泥沙的含沙量(kg · nf3)及挟沙力(kg · nf3);ask为 第k粒径组泥沙的恢复饱和系数；c〇sk第k粒径组泥沙的有效沉速(m · ?Γ1)。其中水流挟沙力 采用张瑞瑾挟沙力公式计算，即：
[0052]式中：k为系数，m为幂指数;U为断面平均流速(m · ?Γ1); 〇^为非均匀沙的平均沉速 (m · s';H为水深(m);g为重力加速度(m · s<)。
[0053] 步骤2.2:计算水流对坡脚的横向冲刷宽度。
[0054] 坡脚处的横向冲刷宽度与水流的冲刷强度及土体的抗冲能力有关，其中水流的冲 刷强度可表示为水流的切应力，土体抗冲能力则表示为土体起动切应力，故水流对坡脚的 横向冲刷宽度AB(m)则可根据该两者来进行计算，相应表达式如下：
[0056] 式中：Δ t为时间（s) ;kd为冲刷系数(m3 · (N · s)-3 ;τ。为土体起动切应力（N · m I; Tf为水流切应力(N · πΓ2) Jf= γ URJ，γ ω为水的容重(N · nf3) ;R为水力半径(m)，近似取 水深H(m); J为水面