[发明专利]一种河流险工冲刷安全分析与岸坡稳定性判定方法

权利要求书

1.一种河流险工冲刷安全分析与岸坡稳定性判定方法，其特征在于，该方法包括以下流程：

步骤一：依据河道河势变化和堤防历史出险情况，明确研究区域地形数据与险工工段几何尺寸，将水位、流量与含沙量数据作为边界条件进行该研究区域的水文数据与含沙量数据分析，生成作为构建二维河道水/沙数值模拟模型的数据集；

步骤二：根据研究区域中河段的河流走向、河道断面、数字地形高程，险工几何尺寸，设置模型计算参数与定解条件，采用MIKE21中的水动力模块与泥沙模块构建研究区域二维水/沙数值模拟模型：

水动力模块模型：

连续性方程表达式如下：

动量方程表达式如下：

式中，t为时间；u为流速在x方向上的分量，η为河床底高程，d为静水深，h为水深，h＝d+η，g为重力加速度，f为科氏力；ρ为水的密度；s_xx,s_xy为辐射应力分量；p_a为大气压强，ρ₀为水的相对密度，S为源项，u_s,v_s为源项水流流速，为沿水深方向的流速平均值，T_ii为侧向应力；

泥沙模块模型：

悬移质非恒定不平衡输沙基本方程表达式如下：

式中，h为水深，S为悬移质含沙量，t为时间，p_mod、q_mod分别为通量修正值在x,y方向上的分量，e_x，e_y分别为x,y方向的紊动扩散系数，ɑ为恢复饱和系数，与Rouse系数有关，ω_*为泥沙沉速，S_*为悬移质挟沙力；

推移质输沙率表达式如下：

式中，T为无量纲泥沙输移系数；D_*为无量纲泥沙粒径参数；s为泥沙相对密度；d₅₀为泥沙中值粒径；

步骤三：根据不同洪水条件下的来沙情况设定多种工况，利用二维水/沙数值模型对研究区域河道水/沙输移及河床冲淤进行模拟，基于模拟结果对洪水前后险工河床进行分析，分别计算河流险工岸坡河床冲深距离和河侧向侵蚀距离；

步骤四：构建险工岸坡渗流～稳定分析有限元模型进行模拟，利用模拟结果分析河道水位、河道涨退水速率、坡脚河床冲深距离和侧向侵蚀距离对岸坡稳定性的影响，分别选定不同的水位、涨退水速率、冲深距离和河侧向侵蚀距离输入渗流稳定模型，计算岸坡稳定安全系数K，得到各因素对岸坡稳定性的影响，对单因子相关关系进行分析，采用非线性拟合方法对各自变量与因变量K间关系进行拟合，提出适用研究区域的岸坡稳定安全系数K的预测经验公式如下：

K＝αe^{(βΔZ+σΔB)}+λH^(ηV) (1)

其中，ΔZ为坡脚河床冲深、ΔB为侧蚀距离、H为相对水位、V为水位涨落速率，α、β、σ、λ、η为常数；

利用模拟结果论证公式的可靠性；定量化研究各因素与岸坡稳定安全系数间关系，如下：

当K＜1时，则岸坡稳定性较低，极有可能出现失稳破坏现象；

当K≥1时，则岸坡稳定性较高，不易发生失稳现象。

2.如权利要求1所述的一种河流险工冲刷安全分析与岸坡稳定性判定方法，其特征在于，所述步骤三中的河流险工岸坡侧向侵蚀距离计算，具体流程包括以下步骤：

步骤1、利用Shields曲线计算险工岸坡土体抗冲力，计算公式为：

τ_c＝θ_cr(ρ_s-ρ)gD (2)

其中，θ_cr为临界相对拖曳力，ρ_s、ρ分别为泥沙及水流密度；g为重力加速度；D为河岸土体的代表粒径；U_*为起动摩阻流速；

步骤2、求险工岸坡所受水流切应力，计算公式如下：

τ＝ρ₀hj (4)

式中，τ为近岸水流切应力；ρ₀为水的密度，h为水深，j为水力坡度，v为水流流速，R为水力半径，在宽浅河道计算中可取水深值，n为糙率；

步骤3、根据步骤1求出的险工岸坡土体抗冲力和步骤2求出的险工岸坡所受水流切应力，利用Osman侧蚀模式计算坡脚侧蚀距离，计算公式为：

其中，ΔB为岸坡土体在Δt时间内因水流冲刷而侵蚀的距离，C₁为横向冲刷系数，Osman根据室内实验结果得到C₁＝3.64×10^-4，τ为水流冲刷力；τ_c为岸坡土体抗冲力，γ为岸坡土体容重。