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基于木本根系拉拔摩阻效应的河岸崩塌预测方法及系统技术方案

技术编号：35988886 阅读：9 留言：0更新日期：2022-12-17 23:03
本发明专利技术提供一种基于木本根系拉拔摩阻效应的河岸崩塌预测方法及系统，其中方法包括获取木本植被发育条件下河岸崩塌的河道基础资料；根据河道基础资料计算目标时间内二元结构河岸下部非粘性土层淘刷后侧向后退宽度；获取上部粘性土层木本根系的参数；根据参数计算根土间摩阻力和根系抗拉力；根据根土间摩阻力和根系抗拉力分别计算剪切模式和绕轴模式下木本发育河岸的临界崩塌宽度；以剪切模式下和绕轴模式下的木本发育河岸的临界崩塌宽度中的最小值为临界崩塌宽度。本发明专利技术可有效地判断木本植被根系发育条件下，河岸是否发生崩塌，并能够预测河岸崩塌发生的时间和发生崩塌的宽度尺寸，为植被根系影响的河岸崩塌预测及河道治理与保护提供技术支撑。治理与保护提供技术支撑。治理与保护提供技术支撑。

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【技术实现步骤摘要】
基于木本根系拉拔摩阻效应的河岸崩塌预测方法及系统


[0001]本专利技术属于水利工程
，尤其涉及一种基于木本根系拉拔摩阻效应的河岸崩塌预测方法及系统。

技术介绍

[0002]河岸崩塌是涉及水力学、河流动力学、土力学及生态学等多个学科的复杂科学问题，是由水、土和滨水植被共同作用的河岸失稳破坏，也是河流演变的重要表现形式。特别是典型的二元结构河岸，下部非粘性土颗粒极易被水流淘刷而使上部粘性土层失去支撑发生崩塌，不仅影响岸线土地利用，还危及涉河工程安全。
[0003]滨河植被通过地下根系固滩护岸，稳定河势的作用逐渐被认可，植被种植也被纳入了生态护岸工程范畴，但在植被发育条件下河岸崩塌仍然频发，影响河道生态修复与治理效果。特别是根系粗壮的木本植被，其固滩护岸作用仍较为有限，在不同水位作用下河岸崩塌条件也未有较好的解释及合理的计算方法。因此，亟需了解木本植被根系护岸的内在机理，并量化其对河岸稳固的作用和贡献，进而指导植被生态护岸。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对现有技术中的不足，提供一种基于木本根系拉拔摩阻效应的河岸崩塌预测方法及系统。
[0005]第一方面，本专利技术提供一种基于木本根系拉拔摩阻效应的河岸崩塌预测方法，包括：
[0006]获取木本植被发育条件下河岸崩塌的河道基础资料；
[0007]根据河道基础资料计算目标时间内二元结构河岸下部非粘性土层淘刷后侧向后退宽度；
[0008]获取上部粘性土层木本根系的参数；所述参数包括数量、直径、长度、埋深、根土间摩阻系数和根系抗拉强度；
[0009]根据上部粘性土层木本根系的参数计算根土间摩阻力和根系抗拉力；
[0010]根据根土间摩阻力和根系抗拉力分别计算不同水位作用时剪切模式和绕轴模式下的木本发育河岸的临界崩塌宽度；以剪切模式下的木本发育河岸的临界崩塌宽度和绕轴模式下的木本发育河岸的临界崩塌宽度中的最小值为临界崩塌宽度。
[0011]进一步地，所述根据河道基础资料计算目标时间内二元结构河岸下部非粘性土层淘刷后侧向后退宽度，包括：
[0012]根据以下公式计算下部非粘性土层淘刷后侧向后退宽度：
[0013][0014]其中，B为Δt时间内二元结构河岸下部非粘性土层淘刷后侧向后退宽度；k为横向淘刷系数；τ为作用在河岸上的水流切应力；τ
c
为河岸土体的起动切应力；γ
s
为土体容重；e
为自然常数。
[0015]进一步地，所述根据上部粘性土层木本根系的参数计算根土间摩阻力和根系抗拉力，包括：
[0016]根据以下公式计算根土间摩阻力：
[0017][0018]其中，F
f
为根土间摩阻力；n为木本根系数量；μ
i
为第i个根系与土体间摩阻系数；d
i
为第i个根系的直径；l
i
为第i个根系的长度；γ
s
为土体容重；z
i
为第i个根系的埋深；
[0019]根据以下公式计算根系抗拉力：
[0020][0021]其中，F
t
为根系抗拉力；σ
tri
为第i个根系的抗拉强度。
[0022]进一步地，所述根据根土间摩阻力和根系抗拉力分别计算不同水位作用时剪切模式和绕轴模式下的木本发育河岸的临界崩塌宽度，包括：
[0023]当河道水位高于粘性土层地下水位时，根据以下公式计算剪切模式下的木本发育河岸的临界崩塌宽度：
[0024][0025]当河道水位小于等于粘性土层地下水位时，根据以下公式计算剪切模式下的木本发育河岸的临界崩塌宽度：
[0026][0027]其中，B
c
为剪切模式下的木本发育河岸的临界崩塌宽度；c'为粘性土饱和情况下的有效粘聚力；c为粘性土自然条件下的有效粘聚力；为粘性土饱和情况下的内摩擦角；为粘性土自然条件下的内摩擦角；γ
w
为水体容重；γ
s
为土体容重；H为粘性土层厚度；H
t
为悬臂体顶部裂缝深度；h
w
为河道水位以下粘性土层厚度；h
gw
为粘性土层中地下水位高度；θ
i
为根系与土体破坏面的夹角；F
f
为根土间摩阻力；F
t
为根系抗拉力；
[0028]根据以下公式计算不同水位作用时绕轴模式下的木本发育河岸的临界崩塌宽度：
[0029][0030]其中，B
t
为绕轴模式下的木本发育河岸的临界崩塌宽度；σ
t
为土体的抗拉强度；z
i
为第i个根系的埋深。
[0031]进一步地，所述河岸崩塌预测方法，还包括根据目标时间内二元结构河岸下部非粘性土层淘刷后侧向后退宽度、剪切模式和绕轴模式下的木本发育河岸的临界崩塌宽度，计算在持续淘刷条件下河岸发生崩塌所需时间；其中，
[0032]根据以下公式计算在持续淘刷条件下河岸发生崩塌所需时间：
[0033][0034]其中，T为在持续淘刷条件下河岸发生崩塌所需时间。
[0035]第二方面，本专利技术提供一种基于木本根系拉拔摩阻效应的河岸崩塌预测系统，包括：
[0036]基础资料获取模块，用于获取木本植被发育条件下河岸崩塌的河道基础资料；
[0037]第一计算模块，用于根据河道基础资料计算目标时间内二元结构河岸下部非粘性土层淘刷后侧向后退宽度；
[0038]参数获取模块，用于获取上部粘性土层木本根系的参数；所述参数包括数量、直径、长度、埋深、根土间摩阻系数和根系抗拉强度；
[0039]第二计算模块，用于根据上部粘性土层木本根系的参数计算根土间摩阻力和根系抗拉力；
[0040]第三计算模块，用于根据根土间摩阻力和根系抗拉力分别计算不同水位作用时剪切模式和绕轴模式下的木本发育河岸的临界崩塌宽度；以剪切模式下的木本发育河岸的临界崩塌宽度和绕轴模式下的木本发育河岸的临界崩塌宽度中的最小值为临界崩塌宽度。
[0041]进一步地，所述第一计算模块包括：
[0042]第一计算单元，用于根据以下公式计算下部非粘性土层淘刷后侧向后退宽度：
[0043][0044]其中，B为Δt时间内二元结构河岸下部非粘性土层淘刷后侧向后退宽度；k为横向淘刷系数；τ为作用在河岸上的水流切应力；τ
c
为河岸土体的起动切应力；γ
s
为土体容重；e为自然常数。
[0045]进一步地，所述第二计算模块包括：
[0046]第二计算单元，用于根据以下公式计算根土间摩阻力：
[0047][0048]其中，F
f
为根土间摩阻力；n为木本根系数量；μ
i
为第i个根系与土体间摩阻系数；d
i
为第i个根系的直径；l
i
为第i个根系的长度；γ
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于木本根系拉拔摩阻效应的河岸崩塌预测方法，其特征在于，包括：获取木本植被发育条件下河岸崩塌的河道基础资料；根据河道基础资料计算目标时间内二元结构河岸下部非粘性土层淘刷后侧向后退宽度；获取上部粘性土层木本根系的参数；所述参数包括数量、直径、长度、埋深、根土间摩阻系数和根系抗拉强度；根据上部粘性土层木本根系的参数计算根土间摩阻力和根系抗拉力；根据根土间摩阻力和根系抗拉力分别计算不同水位作用时剪切模式和绕轴模式下的木本发育河岸的临界崩塌宽度；以剪切模式下的木本发育河岸的临界崩塌宽度和绕轴模式下的木本发育河岸的临界崩塌宽度中的最小值为临界崩塌宽度。2.根据权利要求1所述的河岸崩塌预测方法，其特征在于，所述根据河道基础资料计算目标时间内二元结构河岸下部非粘性土层淘刷后侧向后退宽度，包括：根据以下公式计算下部非粘性土层淘刷后侧向后退宽度：其中，B为Δt时间内二元结构河岸下部非粘性土层淘刷后侧向后退宽度；k为横向淘刷系数；τ为作用在河岸上的水流切应力；τ
c
为河岸土体的起动切应力；γ
s
为土体容重；e为自然常数。3.根据权利要求1所述的河岸崩塌预测方法，其特征在于，所述根据上部粘性土层木本根系的参数计算根土间摩阻力和根系抗拉力，包括：根据以下公式计算根土间摩阻力：其中，F
f
为根土间摩阻力；n为木本根系数量；μ
i
为第i个根系与土体间摩阻系数；d
i
为第i个根系的直径；l
i
为第i个根系的长度；γ
s
为土体容重；z
i
为第i个根系的埋深；根据以下公式计算根系抗拉力：其中，F
t
为根系抗拉力；σ
tri
为第i个根系的抗拉强度。4.根据权利要求3所述的河岸崩塌预测方法，其特征在于，所述根据根土间摩阻力和根系抗拉力分别计算不同水位作用时剪切模式和绕轴模式下的木本发育河岸的临界崩塌宽度，包括：当河道水位高于粘性土层地下水位时，根据以下公式计算剪切模式下的木本发育河岸的临界崩塌宽度：当河道水位小于等于粘性土层地下水位时，根据以下公式计算剪切模式下的木本发育河岸的临界崩塌宽度：
其中，B
c
为剪切模式下的木本发育河岸的临界崩塌宽度；c'为粘性土饱和情况下的有效粘聚力；c为粘性土自然条件下的有效粘聚力；为粘性土饱和情况下的内摩擦角；为粘性土自然条件下的内摩擦角；γ
w
为水体容重；γ
s
为土体容重；H为粘性土层厚度；H
t
为悬臂体顶部裂缝深度；h
w
为河道水位以下粘性土层厚度；h
gw
为粘性土层中地下水位高度；θ
i
为根系与土体破坏面的夹角；F
f
为根土间摩阻力；F
t
为根系抗拉力；根据以下公式计算不同水位作用时绕轴模式下的木本发育河岸的临界崩塌宽度：其中，B
t
为绕轴模式下的木本发育河岸的临界崩塌宽度；σ
t
为土体的抗拉强度；z
i
为第i个根系的埋深。5.根据权利要求1所述的河岸崩塌预测方法，其特征在于，还包括根据目标时间内二元结构河岸下部非粘性土层淘刷后侧向后退宽度、剪切模式和绕轴模式下的木本发育河岸的临界崩塌宽度，计算在持续淘刷条件下河岸发生崩塌所需时间；其中，根据以下公式计算在持续淘刷条件下河岸发生崩塌所需时间：其中，T为在持续淘刷条件下河岸发生崩塌所需时间。6.一种基于木本根...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝由之，王军，张凤丽，鞠文昌，张清明，张卓，张传凯，陈志敏，杨春雷，吴光宇，假冬冬，陈长英，张幸农，应强，杨俊，张红梅，高文廉，吴磊，仓濯缨，
申请(专利权)人：黑龙江省航道事务中心黑龙江省松花江航运枢纽建设运行中心黑龙江和松辽水系航运规划办公室黑龙江省水上交通救援中心，
类型：发明
国别省市：

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