基于木本根系拉拔摩阻效应的河岸崩塌预测方法及系统与流程

1.本发明属于水利工程技术领域，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。


背景技术：

2.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。
3.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。


技术实现要素：

4.本发明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。
5.第一方面，本发明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：
6.获取木本植被发育条件下河岸崩塌的河道基础资料；
7.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；
8.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；
9.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；
10.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。
11.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：
12.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；τc为河岸土体的起动切应力；γs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，ff为根土间摩阻力；n为木本根系数量；μi为第i个根系与土体间摩阻系数；di为第i个根系的直径；li为第i个根系的长度；γs为土体容重；zi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，bc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；γw为水体容重；γs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；hw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；θi为根系与土体破坏面的夹角；ff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；zi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，本发明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；τc为河岸土体的起动切应力；γs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，ff为根土间摩阻力；n为木本根系数量；μi为第i个根系与土体间摩阻系数；di为第i个根系的直径；li为第i个根系的长度；γs为土体容重；zi为第i个根系的埋深；
[0049]
第三计算单元，用于根据以下公式计算根系抗拉力：
[0050][0051]
其中，f
t
为根系抗拉力；σ
tri
为第i个根系的抗拉强度。
[0052]
进一步地，所述第三计算模块包括：
[0053]
第四计算单元，用于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：
[0054][0055]
第五计算单元，用于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：
[0056][0057]
其中，bc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；γw为水体容重；γs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；hw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；θi为根系与土体破坏面的夹角；ff为根土间摩阻力；f
t
为根系抗拉力；
[0058]
第六计算单元，用于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：
[0059][0060]
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；zi为第i个根系的埋深。
[0061]
进一步地，所述河岸崩塌预测系统，还包括：
[0062]
第四计算模块，用于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，
[0063]
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：
[0064][0065]
其中，t为在持续淘刷条件下河岸发生崩塌所需时间。
[0066]
本发明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；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。本发明公开了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，快速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。
附图说明
[0067]
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0068]
图1为本发明实施例提供的一种基于木本根系拉拔摩阻效应的河岸崩塌预测方法
的流程图；
[0069]
图2为本发明实施例提供的木本植被根系固岸示意图；
[0070]
图3为本发明实施例提供的一种基于木本根系拉拔摩阻效应的河岸崩塌预测系统的结构示意图。
具体实施方式
[0071]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0072]
如图1所示，本发明实施例部分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：
[0073]
步骤101，获取木本植被发育条件下河岸崩塌的河道基础资料。
[0074]
河道基础资料包括河道地形资料、水文资料(流量-水位过程等资料)、分层河岸土体性质和尺寸(分为受木本植被发育影响的上部粘性土层以及下部非粘性土层厚度，上部粘性土自然条件及饱和情况的重度、抗剪强度、抗拉强度参数)等基础资料。
[0075]
步骤102，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。
[0076]
如图2所示，基于河道地形、水文等资料和河流动力学理论，根据以下公式计算下部非粘性土层淘刷后侧向后退宽度：
[0077][0078]
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；τc为河岸土体的起动切应力；γs为土体容重；e为自然常数。
[0079]
步骤103，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。
[0080]
根系直径通过采集根系并使用游标卡尺测量获得；根据根-土间作用机理，根土间摩阻系数通过对原位含根土体进行根系拔出试验获得；根系抗拉强度通过单根拉拔试验获得。
[0081]
步骤104，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。
[0082]
根据以下公式计算根土间摩阻力：
[0083][0084]
其中，ff为根土间摩阻力；n为木本根系数量；μi为第i个根系与土体间摩阻系数；di为第i个根系的直径；li为第i个根系的长度；γs为土体容重；zi为第i个根系的埋深。
[0085]
根据以下公式计算根系抗拉力：
[0086]
[0087]
其中，f
t
为根系抗拉力；σ
tri
为第i个根系的抗拉强度。
[0088]
比较根土间摩阻力与根系抗拉力的大小，以判断植被根系以何种模式发挥其固土效应。若ff＜f
t
，则植被通过根土间摩阻力稳固河岸；若ff＞f
t
，则植被通过根系抗拉作用稳固河岸；若ff＝f
t
，则植被通过两种方式共同作用稳固河岸。
[0089]
步骤105，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。
[0090]
本步骤中，当河道水位高于粘性土层地下水位时，即hw＞h
gw
，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，即剪切模式下临界挂空宽度：
[0091][0092]
当河道水位小于等于粘性土层地下水位时，即hw≤h
gw
，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，即剪切模式下临界挂空宽度：
[0093][0094]
其中，bc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；γw为水体容重；γs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；hw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；θi为根系与土体破坏面的夹角；ff为根土间摩阻力；f
t
为根系抗拉力。
[0095]
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，即绕轴模式下临界挂空宽度：
[0096][0097]
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；zi为第i个根系的埋深。
[0098]
基于二元结构河岸下部非粘性土层淘刷后侧向后退宽度b，以及河岸崩塌临界宽度值bc和b
t
，可快速判断木本植被根系影响下粘性土层河岸的稳定性；分别采用剪切模式和绕轴模式，以准确判断河岸临界失稳，只要其中一种模式失稳，则判断为失稳崩塌，即当b≤min(bc,b
t
)时，河岸稳定，否则河岸悬臂体崩塌，崩塌宽度为min(bc,b
t
)。
[0099]
可选地，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，
[0100]
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：
[0101][0102]
其中，t为在持续淘刷条件下河岸发生崩塌所需时间。
[0103]
为了使本发明的方案更清楚，本发明实施例进一步公开了具体示例。
[0104]
实施例
[0105]
1)获取需计算木本植被发育条件下河岸崩塌的河道地形资料、水文资料(流量-水位过程等资料)；分层河岸土体性质和尺寸资料包括粘性土自然条件及饱和情况下的有效粘聚力分别为20kpa和17kpa，内摩擦角分别为25
°
和23
°
，土体抗拉强度12kpa，土体重度19kn/m3，粘性土层厚度2m，悬臂体顶部裂缝深度0.2m。
[0106]
2)根据河道地形、水文等资料，依据河流动力学理论，假定淘刷时间为5天，横向淘刷系数0.0223，作用在河岸上的水流切应力为0.15n/m2，河岸土体的起动切应力为0.08n/m2，计算得到非粘性土层顶部侧向后退宽度0.52m。
[0107]
3)根据根-土间作用机理，测得上部粘性土层木本根系数量为20、直径0.008m、长度1m、埋深以0.05m为间隔从0.05至1m分布、根土间摩阻系数0.6、根系抗拉强度13mpa。
[0108]
4)依据根土间摩阻效应及根系相关参数，计算得到根土间摩阻力为3.41kn，根系抗拉力为7.87kn。
[0109]
5)比较根土间摩阻力与根系抗拉力的大小发现根土间摩阻力小于根系抗拉力(ff＜f
t
)，则可判定植被根系通过根土间摩阻力发挥其固土效应稳定河岸。
[0110]
6)依据河岸崩塌机理与力学模式，分别采用剪切模式和绕轴模式，计算木本发育河岸的临界崩塌宽度。其中：河道水位以下粘性土层厚度0.5m，粘性土层中地下水位高度0.5m，根系与土体破坏面的夹角为60
°
。计算得到剪切模式下临界挂空宽度为0.95m，绕轴模式下临界挂空宽度为0.81m。
[0111]
7)非粘性土层顶部侧向后退宽度b＝0.52m，剪切和绕轴两种崩塌模式下的临界崩塌宽度分别为0.95m和0.81m，计算结果满足b≤min(bc,b
t
)，因此判定河岸未发生崩塌。
[0112]
8)根据河岸冲刷与崩塌理论，计算得到一天内的河岸冲刷距离为0.1m，根据河岸临界崩塌宽度值即可快速预测在持续冲刷条件下河岸发生崩塌所需时间为8.1天，即在第9天发生崩塌，且崩塌宽度为0.81m。
[0113]
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种基于木本根系拉拔摩阻效应的河岸崩塌预测系统，由于该系统解决问题的原理与前述一种基于木本根系拉拔摩阻效应的河岸崩塌预测方法相似，因此该系统的实施可以参见基于木本根系拉拔摩阻效应的河岸崩塌预测方法的实施，重复之处不再赘述。
[0114]
本发明一个实施例提供的基于木本根系拉拔摩阻效应的河岸崩塌预测系统，如图3所示，包括：
[0115]
基础资料获取模块10，用于获取木本植被发育条件下河岸崩塌的河道基础资料。
[0116]
第一计算模块20，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。
[0117]
参数获取模块30，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。
[0118]
第二计算模块40，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。
[0119]
第三计算模块50，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。
[0120]
可选地，所述第一计算模块包括：
[0121]
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：
[0122][0123]
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；τc为河岸土体的起动切应力；γs为土体容重；e为自然常数。
[0124]
可选地，所述第二计算模块包括：
[0125]
第二计算单元，用于根据以下公式计算根土间摩阻力：
[0126][0127]
其中，ff为根土间摩阻力；n为木本根系数量；μi为第i个根系与土体间摩阻系数；di为第i个根系的直径；li为第i个根系的长度；γs为土体容重；zi为第i个根系的埋深。
[0128]
第三计算单元，用于根据以下公式计算根系抗拉力：
[0129][0130]
其中，f
t
为根系抗拉力；σ
tri
为第i个根系的抗拉强度。
[0131]
可选地，所述第三计算模块包括：
[0132]
第四计算单元，用于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：
[0133][0134]
第五计算单元，用于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：
[0135][0136]
其中，bc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；γw为水体容重；γs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；hw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；θi为根系与土体破坏面的夹角；ff为根土间摩阻力；f
t
为根系抗拉力。
[0137]
第六计算单元，用于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：
[0138][0139]
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；zi为第i个根系的埋深。
[0140]
可选地，所述河岸崩塌预测系统，还包括：
[0141]
第四计算模块，用于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，
[0142]
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：
[0143][0144]
其中，t为在持续淘刷条件下河岸发生崩塌所需时间。
[0145]
关于上述各个模块更加具体的工作过程可以参考前述实施例公开的相应内容，在此不再进行赘述。
[0146]
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。