[發明專利]沖積河道崩岸過程的數值計算方法

在審

• 申請號: 201610028057.1
• 申請日: 2016-01-15
• 公開（公告）號: CN105464040A
• 公開（公告）日: 2016-04-06
• 發明（設計）人: 夏軍強;鄧珊珊;周美蓉;宗全利;張翼
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: E02B1/00
• 分類號: E02B1/00
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 溫珊姍

技術領域

本發明涉及水利工程技術領域，具體的說是一種沖積河道崩岸過程的數值計算方法。

背景技術

崩岸是沖積河流河床變形過程的一個重要方面。大規模崩岸不僅會毀壞已建的河道整治建筑物、增加沿岸城市的防洪壓力、影響岸邊涉水設施的正常運行，而且可能造成主流及深槽擺動，破壞局部河段的河勢穩定。然而，現有的崩岸模擬及監測技術尚不完善，不能及時預測或實時觀測到崩岸的發生及發展過程。因此通過數學方法對崩岸過程進行模擬，成為研究河道崩岸規律及開展崩岸預測的一種重要手段。

現有崩岸模擬方法通常基于河流動力學或土力學中邊坡穩定理論。

前者一般采用泥沙運動力學理論，結合實測數據分析，確定影響崩岸的關鍵水沙因子，并提出河岸崩退寬度、速率等與這些水沙因子之間的經驗關系，如平灘河寬與來流流量之間的冪函數關系，河岸崩退速率與剩余水流切應力之間的冪函數關系等。這種半經驗半理論方法通常能反映長時段的河道崩岸，但由于崩岸機理的復雜性及河床形態與河岸土體特性等方面的差異，它不適用于預測短時段內河道的崩岸過程，也無法確定崩岸發生的時刻及規模等。

從土力學角度出發的研究，則基于河岸崩塌的不同力學機理，提出了各類崩岸模式及相應的河岸穩定性計算方法，并部分考慮不同的沖積及非沖積因素對河岸穩定性的影響，如水流沖刷、河道水位升降及河岸土體特性變化等因素。這類方法能計算出一段時間內河岸的崩退過程，包括河岸形態的變化、崩退寬度及次數等，但由于崩岸機理涉及因素較多，要考慮各因素的綜合效應目前仍具有一定難度。

發明內容

本發明的目的在于提供一種沖積河道崩岸過程的數值計算方法，能及時預測某個特定斷面的二元結構河岸在一定水沙過程作用下穩定性及岸坡形態的變化過程，如崩岸發生時刻、崩塌次數及崩退寬度等，為崩岸預測及預警控制提供科學依據和技術支撐。

本發明的原理為：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，有必要綜合考慮這些因素的影響。近岸水流沖刷會導致河岸變陡及其高度增加，這通常是天然沖積河道崩岸發生的主要控制因素，如長江中下游80％的崩岸均發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改變土體的受力條件及力學特性，尤其對退水期的崩岸發生具有明顯影響。因此，本發明結合坡腳沖刷過程、潛水位變化過程與河岸穩定性三個方面的計算，提出一種二元結構河岸崩退過程的數值計算方法。

本發明沖積河道崩岸過程的數值計算方法，包括如下步驟：

步驟1，根據上年汛后的實測斷面地形及當年的實測或計算水位過程，確定河岸坡頂及坡腳，計算河岸高度、初始坡度等河岸形態參數；

步驟2，計算河岸坡腳沖刷寬度及床面沖淤厚度，具體步驟如下：

步驟2.1，計算一定時段△t內的床面沖淤厚度；

步驟2.2，計算水流對坡腳的橫向沖刷寬度；

步驟2.3，基于步驟2.1和2.2，修改河岸形態；

步驟3，計算河岸土體內潛水位變化過程，具體步驟如下：

步驟3.1，在河岸土體內劃分計算節點，確定初始起潛水位；

步驟3.2，根據一維滲流控制方程，計算各節點在一定時段后的潛水位；

步驟3.3，基于步驟3.1-3.2，確定岸坡一定范圍內潛水位的平均值；

步驟4，計算河岸穩定安全系數，判斷其是否發生崩塌，具體步驟如下：

步驟4.1，基于步驟2，確定土體內部破壞面位置；

步驟4.2，計算潛在的滑動土體的穩定性，即河岸穩定安全系數F_s；

步驟4.3，對比F_s與臨界值的大小，判斷河岸是否發生崩塌；若是，則根據破壞面修改河岸形態，并進入步驟4.4；若否，進入步驟4.5；

步驟4.4，河岸發生崩塌后，確定坡腳堆積體的形態；

步驟4.5，當前時段的河岸穩定計算完成后，進入下一時段的計算，返回步驟2；

步驟5，劃分崩岸強度，具體步驟如下：

步驟5.1，記錄整個計算時段內河岸的崩塌次數N_T和崩退寬度△W，確定年均崩退寬度△w；

步驟5.2，依據年均崩退△w值，通過設定的崩岸嚴重程度等級劃分體系，確定崩岸強度等級。

本發明一種沖積河道崩岸過程的數值計算方法的有益效果在于：

(1)考慮了多種崩岸影響因素的共同作用，能同時模擬河岸崩退過程、水流對河岸坡腳的沖刷過程及河岸土體內潛水位的變化過程；