侵蚀基面下降后复式河道河床下切突变响应临界条件预测方法

1.本发明属于水力学及河流动力学领域，涉及复式河道河床突变响应临界条件预测技术，具体涉及一种侵蚀基面下降后复式河道河床下切突变响应临界条件的预测方法。
背景技术：
：：2.近年来，随着全球气候变化、自然灾害频发与人类活动增加，河流侵蚀基面发生突变的情况日益频繁。河流的侵蚀基面一般低于河道中建筑物的底端高程。在自然因素(构造作用、气候因素、环境因素等)或人为因素(拆除大坝、河道采砂、水资源开发利用等)作用下，河流侵蚀基面相对下降，水力坡度增加，导致河床发生溯源冲刷，致使局部河床冲刷并不断向上游冲刷。3.以往学者对侵蚀基面降低后河床演变机理的研究认为，粗化作用使河道最终稳定坡度大于侵蚀基面降低前，下切深度向上游逐渐减小，溯源冲刷只能影响有限河段，称之为河道适应调整。然而，某些洪水漫滩河道在侵蚀基面下降后呈现截然不同的规律，其河道最终稳定坡度小于侵蚀基面降低前，即，上游河床下切深度甚至大于侵蚀基面下降高度，溯源冲刷持续向上游发展，称之为河道下切突变响应，这将对河流产生巨大危害。例如，四川省石亭江(沱江支流)双盛段的侵蚀基面于2013年汛期下降5米，距侵蚀基面上游仅2.5公里的河道下切深度达10米以上。2017年该河段侵蚀基面高程继续下降14米，上游河道最大下切深度达20米以上。侵蚀基面下降后引发的剧烈冲刷下切造成该河段两座桥梁基础破坏；同时，河道中的人民渠穿河涵洞(饮用水输水管道)受到严重破坏，威胁四川省绵阳市上百万人的饮水安全。4.天然冲积河流大多是具有主槽和滩地的复式河道，枯水期时水流主要在主槽中流动，洪水发生时，水流漫过主河道两侧滩地形成漫滩水流。此外，在河道整治工程中，人们也经常采用复式断面以达到更好的防洪效果。若复式河道在侵蚀基面下降之后发生突变响应，河床严重冲刷下切，河流形态将剧烈变化甚至完全重塑。这不仅严重威胁涉河桥梁等建筑物和河岸保护结构的安全稳定性，也导致河流和地下水位下降，从而影响航运、港口运行和取水口效率。同时，还会显著影响河流生境，生物栖息地异质性降低，生态系统生物多样性降低，导致生态稳定性丧失。5.因此，正确认识侵蚀基面下降后复式河道河床演变机制不仅具有重要的理论价值，也在水利、交通和生态等方面具有广泛的实际应用价值。然而，国内外目前没有能够准确预测侵蚀基面下降后复式河道河床下切突变响应临界条件的方法。技术实现要素：6.针对目前难以有效预测侵蚀基面下降后复式河道河床下切突变响应临界条件的技术现状，本发明旨在提供一种预测方法，实现对侵蚀基面下降后复式河道下切突变响应临界条件的有效预测。7.本发明所针对的是复式河道，复式河道由主槽(即主河道)及两侧滩地组成。在枯水期，水流多在主槽内流动，洪水期，水流溢出主槽漫上两侧较宽的滩地，主槽和滩地共同过流。主槽深度是指主河道河床底部至两侧滩地河床底部的高度。8.本发明提供的侵蚀基面下降后复式河道河床下切突变响应临界条件预测方法，包括以下步骤：9.s1确定复式河道主槽流量qmco；10.s2确定侵蚀基面下降后复式河道河床突变响应的临界主槽流量qmcc；11.s3确定侵蚀基面下降后复式河道突变响应的临界主槽水深hc、临界主槽宽度bc；12.s4依据临界主槽水深hc、临界主槽宽度bc，按照以下公式确定临界主槽深度hc：[0013][0014]式中，qfpc为临界滩地流量，sfp为滩地坡度，ffp为滩地阻力系数，计算方法同fmc；b为复式河道总宽度；nfp为滩地的粗糙系数；[0015]s5以临界主槽深度hc与主槽深度h0之差作为临界侵蚀基面下降高度δhbc；[0016]所述临界主槽流量qmcc和临界侵蚀基面下降高度δhbc即为复式河道河床下切突变响应临界条件。[0017]步骤s1中，侵蚀基面下降前，认为复式河道处于平衡状态。qmco可用liu等(liu,c.,shan,y.,liu,x.,&yang,k.,2016,methodforassessingdischargeinmeanderingcompoundchannels.inproceedingsoftheinstitutionofcivilengineers-watermanagement,169(1):17-29，2016)提出的滩槽流量分配计算模型计算：[0018][0019]式中，b为主槽宽度，h0为主槽水深，fmc＝8gnmc2/rmc1/3为主槽阻力系数，nmc为主槽的粗糙系数，rmc为主槽的水力半径，天然河流中近似为水深，smc为主槽坡度，g为当地重力加速度。[0020]上述步骤s2中，侵蚀基面下降前后，主槽稳定坡度可表示为：(聂锐华等，强震受损山前河流河床演变研究，工程科学与技术，2018，50(03):105-111)，smco与smc1分别为侵蚀基面下降前后主槽稳定坡度，qmco与qmc1分别是侵蚀基面下降前后主槽流量，d0与d1分别为侵蚀基面下降前后河床表层中值粒径，选取表层中值粒径d50，j为经验参数，由河段所处位置决定，山区与山麓河段取0.8～1.0，中游河段取0.5～0.8。由上式可知，smc1随qmc1增大而减小，随d1增大而增大。复式河道中，当侵蚀基面下降以后，主流归槽和床面粗化作用使qmc1和d1同时增大，所以存在一个临界状态，主槽流量的增加刚好抵消粗化作用对主槽稳定坡度的影响，即smc1＝smco。此临界条件下，河道发生平行下切，这意味着粗化表层无法对河床产生有效的保护作用，河床表层中值粒径达到极限。chin等(chin,c.o.,melville,b.w.,&raudkivi,a.j.(1994).streambedarmoring.journalofhydraulicengineering,120(8),899-918.)曾提出河床粗化表层的中值粒径极限为dmax/1.8，dmax为床沙中颗粒最大粒径。将d1＝dmax/1.8带入上式，有复式河道突变响应的临界主槽流量qmcc计算公式：[0021][0022]当计算得出的qmcc》q0，q0为河道中总流量，则水流即使全部归槽，也无法达到使复式河道突变响应的临界主槽流量，不会发生突变响应。当qmcc≤q0，侵蚀基面下降后，主流归槽过程中主槽流量可能达到或超过临界主槽流量，进一步计算侵蚀基面临界下降高度。[0023]上述步骤s3目的在于确定侵蚀基面下降后复式河道突变响应的临界主槽水深hc、临界主槽宽度bc；[0024]ikeda等(ikeda,s.,parker,g.,&kimura,y.(1988).stablewidthanddepthofstraightgravelriverswithheterogeneousbedmaterials.waterresourcesresearch,24(5),713-722)提出的稳定河道宽度计算公式在临界条件时如下：[0025][0026]式中，u为主槽断面平均流速；ks为等效糙率，根据pitlick等(pitlick,j.,marr,j.,&pizzuto,j.(2013).widthadjustmentinexperimentalgravel-bedchannelsinresponsetooverbankflows.journalofgeophysicalresearch:earthsurface,118(2),553-570)的假设，ks＝3d50。将式(3)与临界条件下的滩槽流量分配计算模型联立，消去临界主槽深度bc，可得临界主槽水深hc计算公式：[0027][0028]将s2算得的qmcc带入式(4)可反算出临界主槽水深hc，再将hc带回式(3)可求得临界主槽宽度bc。[0029]上述步骤s4，根据以下公式计算复式河道河床突变响应的临界主槽深度hc；[0030][0031]式中，qfpc为临界滩地流量，由liu等提出的滩槽流量分配计算模型计算：sfp为滩地坡度，ffp为滩地阻力系数，计算方法同fmc，ffp＝8gnfp2/rfp1/3为主槽阻力系数，nfp为主槽的粗糙系数，rfp为主槽的水力半径；b为复式河道总宽度；nfp为滩地的粗糙系数。[0032]上述步骤s5确定侵蚀基面下降后复式河道河床突变响应临界侵蚀基面下降高度δhbc。[0033]复式河道中，由于滩地水深较小，通常假定水动力主要集中在主槽，滩地坡度sfp不变。临界主槽深度hc与主槽深度h0之差即复式河道河床下切突变响应的临界侵蚀基面下降高度δhbc：[0034]δhbc＝hc-h0ꢀꢀꢀ(6)。[0035]综上所述，当复式河道中河床组成(中值粒径d0、最大粒径dmax)，主槽形态(水深h0、宽度b、深度h0、坡度smc)和侵蚀基面下降高度δhb等已知的情况下，可计算出临界侵蚀基面下降δhbc后判断复式河道是否发生突变响应。[0036]本发明进一步提出了复式河道河床下切突变响应的另外两个边界条件及预测步骤，具体包括：[0037]s6按照以下公式获取临界滩槽流量比：[0038][0039]式中，qfpc为临界滩地流量，qc为复式河道水流完全归槽时恰好发生突变响应的总流量，即qmcc＝q0时对应的复式河道总流量；[0040]s7按照以下公式获取临界侵蚀基面下降高度和临界滩地水深比值：[0041][0042]式中，hfpc为临界状态下的滩地水深，hfpc＝hc-hc；hfp0为滩地水深，可以通过测量得到；[0043]以临界滩涂流量比以及临界侵蚀基面下降高度和临界滩地水深比值作为复式河道河床下切突变响应临界条件。[0044]本发明进一步提供了一种侵蚀基面下降后复式河道河床下切突变响应预测方法，测量得到复式河道总流量q0和侵蚀面基面下降高度δhb，依据所述预测方法得到临界主槽流量qmcc和临界侵蚀面基面下降高度δhbc，若同时满足qmcc≤q0，且δhb≥δhbc，则侵蚀基面下降后主槽稳定坡度比稳定坡度降低，上游床面下切高度大于侵蚀基面下降高度，复式河道发生突变响应；否则复式河道不发生突变响应。[0045]为了便于工程上的测量，本发明进一步提供了另外一种侵蚀基面下降后复式河道河床下切突变响应预测方法，测量得到复式河道总流量q0和侵蚀面基面下降高度δhb，计算得到滩槽流量比及侵蚀基面下降高度和临界滩地水深比值其中，qfp0为滩地流量，qfp0＝q0-qmc0；[0046]依据所述预测方法得到临界滩涂流量比以及临界侵蚀基面下降高度和临界滩地水深比值若同时满足qfp0/q0≥qfpc/qc，且δhb/hfp0≥δjbc/hfpc，则复式河道发生突变响应；否则复式河道不发生突变响应。[0047]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：[0048]1、本发明结合冲积河流稳定坡度计算公式和复式河道滩槽流量分配计算模型，提出了侵蚀基面下降后复式河道河床下切突变响应的临界条件，填补了本领域该项技术的空白，对于保障实际工程中复式河道河势稳定具有重要意义。[0049]2、本发明从复式河道主槽流量增加和床面粗化的极限状态出发，揭示了侵蚀基面下降后复式河道适应性调整与突变响应规律，该方法可以预测不同频率洪水下复式河道临界侵蚀基面下降高度。[0050]3、本发明仅需确定复式河道中几个常见的形态学指标：河床组成、主槽水深、宽度、深度和坡度等，即可实现预测侵蚀基面下降后复式河道下切突变响应临界条件，实际情况中易于操作，在本领域具有广泛的通用性。附图说明[0051]图1为复式河道侵蚀基面下降试验水槽示意图。[0052]图2为复式河道侵蚀基面下降试验段末端挡板示意图。[0053]图3为本发明水槽试验、对比例1(2022)石亭江原型观测和对比例2(2015)试验中侵蚀基面下降后复式河道河床适应调整和突变响应情况与本发明预测方法得到的临界条件比较。具体实施方式[0054]以下将结合附图对本发明实施例的技术方案进行清晰、完整的描述，显然，所描述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明。[0055]实施例[0056]本实施例通过水槽模拟试验、石亭江原型观测资料和前人水槽试验数据对本发明提出的侵蚀基面下降后复式河道河床下切突变响应临界条件预测方法作详细说明。[0057]1、试验目的[0058]用水槽试验结果检验侵蚀基面下降后复式河道河床下切突变响应临界条件预测方法是否准确、有效。[0059]2、试验设备[0060]主要设备如表1所示。[0061]表1复式河道侵蚀基面下降试验的仪器设备[0062][0063][0064]3、试验方法[0065]试验在长20.7m，宽1.5m，高1.0m的顺直循环水槽中进行。水槽试验段长12.5m，包含2.5m的过渡段和10.0m有效试验段。过渡段前1.0m为16～25mm的砾石，这些砾石在最大试验水流条件下不起动、不粗化，后1.5m为试验用沙。有效试验段全部铺设试验用沙。试验用沙采用0～6mm的天然沙，中值粒径d50＝2.0mm，最大粒径dmax＝6.0mm，标准差σg＝2.90，级配曲线大致符合正态分布。水槽右侧边壁为有机玻璃，用于观测下切过程。试验水槽为局部自循环水槽，水流通过离心泵在水槽内进行循环，泵流量为30l/s。水槽进口流量通过矩形薄壁堰进行计量，通过调节前池中的排水阀门进行控制。水槽进口处设有静水池与砖块砌成的消力墙，用于消能和平顺水流。试验为清水冲刷，输移至下游的泥沙进入水槽下游的沉沙池，不再进行循环。[0066]试验段末端设置挡板来模拟侵蚀基面的变化。挡板包括三个部分：一个17cm高的横跨水槽的固定挡板，保证床沙不会侵蚀至水槽底板；一个8cm高的滩地固定挡板，给滩地提供一个始终不变的侵蚀基面；四个1.5cm高的可拆卸活动挡板，用于模拟主槽侵蚀基面的历次下降。[0067]研究采取非对称试验来模拟半边复式河道的响应，在有机玻璃一侧预设主槽，主槽初始宽0.5m，深2cm。在宽深比与实际河流相似的河道中，垂直侧向边界对河道中心流速和切应力分布的影响很小，加之在试验中，主槽沿有机玻璃一侧未发生显著冲刷或淤积，表明有机玻璃对主槽水流没有产生明显影响。[0068]试验过程安排如下。各组试验开始前，将混合均匀的泥沙铺入水槽，泥沙铺设的初始坡度为5‰，试验段末端滩地铺沙厚度为25cm，主槽铺沙厚度为23cm。开水后先保持一段时间小流量，排出床面中空气，然后缓慢增加至设计流量7.5l/s，对初始河床进行塑造，直至河床达到平衡状态。待水槽中床面干燥，测量床面地形与泥沙级配。然后，重新开水至设计流量，移除一块活动挡板使河道主槽侵蚀基面下降1.5cm，保持流量不变至水槽达到新的平衡，再次测量地形与级配。继续移除活动挡板3次，使主槽侵蚀基面下降3.0cm、4.5cm和6.0cm，在每次下降后分别进行测量。之后，改变设计流量为10.0l/s和12.5l/s，并重复上述实验步骤。[0069]试验概况如表2所示。[0070]表2复式河道侵蚀基面下降试验参数汇总[0071][0072][0073]4、前人原型观测及试验资料[0074]为了进一步检验本发明提供的侵蚀基面下降后复式河道突变响应临界条件预测方法的准确性，本发明采用石亭江原型观测资料(王小凡，泥沙补给与侵蚀基面突变下山区河流河床演变特性研究，四川大学博士学位论文，2022)对比例1和大比尺水槽试验数据(马旭东，5.12汶川地震后山前区河流滩槽演变特性试验研究，四川大学博士后研究工作报告，2015)对比例2进行验证。下面具体介绍两位学者的研究方法。[0075](1)对比例1[0076]研究河段为德阳双盛镇附近石亭江长约2.5公里的河段，有4座涉水建筑物，自上游分别是人民渠穿石亭江涵洞(1956年建成)、成兰铁路大桥(2011年开工建设)、成绵复线高速公路大桥(2011年建成)和四川省道105线石亭江大桥(2017年汛期破坏，2018年重建)。研究河段在2008年5·12汶川地震前长期处于稳定状态，河道为较顺直复式河道，河道平均宽度b为350m，主槽宽度b为50m，主槽和滩地坡度均为6.25‰，主槽深度j0为1.7m。q0分别为石亭江2年一遇洪水600m3/s，以及实测最大洪峰流量2710m3/s，对应的主槽水深h0分别为3.17m和6.15m。主槽和滩地粗糙系数n取0.06，参数j取0.8。主槽以沙卵石为主，具有发育良好的粗化表层，粒径介于50～200mm之间，平均粒径约100mm；滩地为卵石河床，床面中值粒径约300mm，床面最大粒径达600～800mm。[0077]研究者2009年汛前与2013年汛后使用real-timekinematic(rtk)技术分别对研究河段沿程10个断面高程进行了测量，断面间隔约250m。又于2016年与2020年汛后分别使用大疆phantom3(摄像头具有1240万有效像素)无人机和mavic2(2000万有效像素)无人机对研究河段进行了航拍。通过图像拼接软件agisoftmetashape对航拍照片进行多视图三维重建，获取了研究河段数字高程模型(dem)和数字正射影像(dom)。使用rtk测量数据进行精度校核，dem高程误差在1m以内。原型观测主要设备如表3所示。[0078]震后研究河段河道形态发生了剧烈变化2009～2020年纵剖面的变化趋势总体分为三个阶段：(1)2009～2013年，侵蚀基面高程下降5m，上游建筑物分别下切15m、7m和8m。研究河段平均坡度从6.25‰减小至3.57‰。(2)2013～2016年，侵蚀基面保持稳定，河道深泓线变化不大。(3)2016～2020年，由于105线石亭江大桥下游gcs破坏，侵蚀基面在2017年又下降14m，至2020年上游建筑物下切累计25m、20m和22m，河段平均坡度约3.97‰。在洪水与侵蚀基面突降耦合作用下，研究河段的下切响应与以往单一河道的研究结果出现明显差异。侵蚀基面下降后研究河段河道坡度不增反减，下切在溯源发展过程中逐渐加剧，造成上游河道下切深度大于侵蚀基面下降高度，同本发明中的突变响应模式一致。[0079]表3复式河道侵蚀基面下降试验的仪器设备[0080][0081](2)对比例2[0082]试验基于研究河段2013年实测地形，模拟区域覆盖石亭江双盛段自人民渠穿石亭江涵洞上游800m至四川省道105线石亭江大桥长约3.3km的河段。为保证模型试验与原型的一致性，试验采用原型河流的正态模型对试验水槽及试验方案进行设计。几何比尺λl＝λh＝80，试验水槽长约45m，宽6m。主槽宽度b、主槽深度h0、主槽和滩地坡度、主槽和滩地粗糙系数n、参数j取均与对比例1一致。试验用沙通过推移质运动相似得出，采用8～160mm的天然沙，中值粒径d50＝45.8mm，最大粒径dmax＝160.0mm，标准差σg＝2.02。试验模拟了在侵蚀基面高程突降时不同频率洪水作用下研究河段河床演变趋势及重点涉水建筑物的下切深度，对不同频率洪水及不同侵蚀基面高程作用下研究河段的河床演变规律进行了探究。[0083]试验概况如表4所示。[0084]表4对比例2试验工况汇总[0085][0086]5、理论预测结果[0087]本发明实施例中，ρs为泥沙的密度(＝2650kg/m3)，ρ为水的密度(＝1000kg/m3)，g为当地重力加速度(＝9.8m/s2)。[0088]将本发明水槽试验数据、对比例1石亭江原型观测资料和对比例2水槽试验数据带入侵蚀基面下降后复式河道河床下切突变响应临界条件预测方法步骤s1-s5中，以临界滩槽流量比((qfp0/q0)/(qfpc/qc)))与临界滩槽流量比下的临界侵蚀基面下降高度((δhb/hfp0)/(δhbc/hfpc))作为无量纲参数进行归一化，计算结果如附图3。可见本发明计算的复式河道河床下切突变响应临界条件对于模型试验及天然河流均有较好的预测效果，说明本发明提出的侵蚀基面下降后复式河道河床下切突变响应临界条件预测方法能够准确预测不同频率洪水下复式河道临界侵蚀基面下降高度。[0089]本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。当前第1页12当前第1页12