[发明专利]基于木本根系拉拔摩阻效应的河岸崩塌预测方法及系统

说明书

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；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。

技术领域

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

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。

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。

发明内容

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。

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：

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。

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：

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。

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：

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：