专利名称：河岸稳定性监测分析与评估方法
技术领域：
本发明涉及水利工程技术领域，具体是一种河岸稳定性监测分析与评估方法。
背景技术：
崩岸是河道演变的一种表现形式，普遍存在于冲积平原河道中，河岸线崩塌的影响不仅只是相关地段滩地逐渐被“蚕食”消失，尤其重要的是崩岸危及建设在滩地上的堤防工程基础安全，进而威胁着堤防保护区的人们生命财产安全，影响着河道岸线资源开发利用、河道两岸水利设施的正常运用、以及堤防保护区社会经济的正常发展。河道护岸工程是维持或控制河道岸线稳定的一种有效措施，被广泛应用于冲积平原河道治理工程，同所有的建筑工程一样，河道护岸工程不是一劳永逸、也有其自然寿命，尤其是水下护岸工程，水毁破坏是影响河道护岸工程自然寿命的主要因素，失去护岸工程保护的岸坡距离发生崩岸的日子就不远了。目前河岸稳定风险处理基本上是崩岸后的治理，尚难做到防患于未燃，其结果是损失发生了，崩岸治理的难度和规模比常规性有重点要求的维护加固的难度和规模要大得多。河岸线的崩塌或河岸失稳是河岸稳定风险不断累积的过程，一般经历河岸稳定隐患的产生、累积发展、出现崩岸现象的时间过程，这也就有了一个河岸稳定风险可预测的机会。 防患于未燃，适时对河岸稳定隐患进行治理，对维护河岸的稳定的作用显著，可避免防洪等重大安全事故发生。分析评估河岸稳定风险程度，是确定河岸稳定风险处理重要依据，对河道的防洪抢险工作有指导作用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种河岸稳定性监测分析与评估方法，能及时发现冲积平原河道，尤其是水库坝下游河道的河岸稳定风险的程度和变化的趋势，直接为有安全隐患岸段的风险治理提供技术指导；为相关河段堤防工程保护区的防洪安全、河道两岸水利设施安全运行等安全管理提供技术支撑。一种河岸稳定性监测分析与评估方法，包括如下步骤步骤A :建立基于近岸河床地形图的监测导线和近岸河床水下坡度分析断面的监测数据采集网络；其中监测导线有3条，分别为冲淤监测导线、水下边坡监测起点导线、水下边坡监测终点导线；水下坡度分析断面按需要布置，一般间隔50 300m布置I个监测分析断面；步骤B:以河道近岸河床地形图为基本资料，对冲淤监测导线所在河道近岸河床位置的地形图进行数字化处理，根据所取得的数据成果资料，绘制冲淤监测导线沿顺水流方向的河床高程变化关系图，并计算各分段高程变化平均值；步骤C :以河道近岸河床地形图为基本资料，对监测导线和垂直河道水流方向的监测分析断面的交点所在河道近岸河床位置的地形图进行数字化处理，根据所取得的数据成果资料，绘制近岸河床水下边坡、坡脚内坡坡比值沿流程的变化关系图，并计算各分段坡比值平均值；步骤D :根据上述分析成果，并结合河岸的地质边界条件和河势径流外力条件、岸线状况和分析评估岸段所在河段河势演变要素，按河岸稳定风险影响因子分类等级评分细则，对分析评估岸段进行分类等级赋分，然后计算综合赋分值，其中河道岸坡地质结构和护岸情况是影响河岸线稳定的地质边界条件；按综合赋分值所在岸坡稳定性风险等级的区间，确定相应地段的岸坡稳定性风险等级。本发明具有如下有益效果(I)可全面直接反映监测岸段沿线近岸河床的冲淤变化情况，克服典型断面法分析近岸河床变化的代表局限性，达到可直接发现监测岸段近岸河床冲淤变化的沿程(顺水流方向)分布关系，具有总体量化分析的特点；(2)可全面直接反映监测岸段沿线近岸河床水下边坡和坡脚内坡的变化情况，达到可直接发现监测岸段近岸河床水下坡度变化的沿程(顺水流方向)分布关系，具有总体量化分析的特点。(3)对河岸稳定性进行客观评估，预测河岸崩岸发生的可能性，为预防河道崩岸险情和崩岸险情治理提供科学依据，为河道的安全管理提供技术支撑。
图I是北门口地段近岸河床监测导线和监测断面的布置图；图2是以长江荆江河段北门口地段为例，近岸河床监测断面水下边坡、坡脚内坡分区示意图；图3是以长江荆江河段北门口地段为例，近岸河床水下坡脚前沿监测导线高程沿程变化图；图4是以长江荆江河段北门口地段为例，近岸河床水下边坡坡比值沿程变化图；图5是以长江荆江河段北门口地段为例，近岸河床水下坡脚内坡坡比值沿程变化图。
具体实施例方式下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。本发明河岸稳定性监测分析与评估方法包括如下步骤步骤A :建立基于近岸河床地形图的监测导线和近岸河床水下坡度分析断面的监测数据采集网络；监测导线有3条，分别为冲淤监测导线、水下边坡监测起点导线、水下边坡监测终点导线；水下坡度分析断面按需要布置，一般间隔50 300m布置I个监测分析断面。确定所述冲淤监测导线的平面座标位置时综合考虑以下内容要素①对有河道水下护岸工程的需考虑河道护岸水下工程的宽度，冲淤监测导线的平面位置距河道护岸水下工程的外缘5 30米；②无河道护岸水下护岸工程的地段，按近岸深槽的内边缘线距多年平均枯水位线的宽度确定冲淤监测导线的平面位置，冲淤监测导线的平面位置距多年平均枯水位线60-150米；③同时考虑河道枯水位水边线的不平顺以及枯水期近岸主流线的顺畅，适当调整冲淤监测导线的平面位置，使冲淤监测导线顺畅。
确定所述水下边坡监测起点导线的平面座标位置时考虑以下内容要素导线上的控制点所在位置的河床高程低于多年平均枯水位2 3m ;确定所述水下边坡监测终点导线的平面座标位置时考虑以下内容要素导线上的控制点所在位置为坡脚附近的断面形态变化“拐点”附近；以北门口段为例(如图I所示)，北门口监测岸段总长6km，其中桩号6+000 9+000段(长3km)为护岸工程段，水下护岸工程宽度60m 80m ;桩号9+000 12+000段 (长3km)为未护岸工程段。冲淤监测导线为一条平顺的多点曲线，位于河道护岸段水下工程前沿附近和河道未护岸段近岸深槽的内边缘线附近，基本保证经过近岸深槽，其水平面位置距枯水位25. 6m (85黄海基面)线约80 120m，枯水位25. 6m为2003年6月(三峡工程蓄水运用后)至2011年12月间的每年12 次年3月的逐月水位多年年平均值。按上述布置监测导线内容要求，确定北门口段水下边坡监测起点导线、水下边坡监测终点导线、 冲淤监测导线，详见图I ;水下坡度分析断面按间隔200m布置I个监测分析断面，详见图I。步骤B:以河道近岸河床地形图为基本资料，对冲淤监测导线所在河道近岸河床位置的地形图进行数字化处理，根据所取得的数据成果资料，绘制冲淤监测导线沿顺水流方向的河床高程变化关系图，并计算各分段高程变化平均值；所述步骤B具体包括数据采集以监测导线上一个设定的点(例如监测导线上游顶端点)为原点，对应河岸堤防护岸工程桩号，沿监测导线每隔一定距离采集一个高程值。数据处理利用EXCEL、AUTOCAD程序绘制监测导线高程沿程变化图(如图3所示)；分析不同时期的监测导线高程沿程变化图，按监测导线高程变化特征分段计算各区段冲刷或淤积的幅度。步骤C 以河道近岸河床地形图为基本资料，对监测导线和垂直河道水流方向的监测分析断面的交点所在河道近岸河床位置的地形图进行数字化处理，根据所取得的数据成果资料，绘制近岸河床水下边坡、坡脚内坡坡比值沿流程的变化关系图，并计算各分段高程变化平均值；所述步骤C具体包括数据采集监测断面水下坡比值是对河道水下岸坡的分段平均概化，水下岸坡分为水下边坡和水下坡脚内坡。水下边坡范围水下边坡监测起点导线至水下边坡监测终点导线间的区域；水下坡脚内坡范围水下边坡监测终点导线至冲淤监测导线间的区域。监测断面线与水下边坡监测起点导线、水下边坡监测终点导线的交点为水下边坡坡比值的原始数据采集点，读取每个采集点河床高程和2点间水平距离，根据采集的2交点的河床高程和水平间距计算相关监测断面水下边坡坡比值。监测断面线与水下边坡监测终点导线、冲淤监测导线的交点为水下坡脚内坡坡比值的原始数据采集点，读取每个采集点河床高程和 2点间水平距离，根据采集的2交点的河床高程和水平间距计算相关监测断面水下坡脚内坡坡比值。数据处理计算每个监测断面的水下边坡坡比值、水下坡脚内坡坡比值，利用 EXCEL、AUTOCAD程序绘制监水下边坡坡比值、水下坡脚内坡坡比值沿程变化图(详见图4、 5所示)；分析不同时期的坡比值沿程变化图，按坡比变化特征分段计算划分区段水下边坡坡比值、水下坡脚内坡坡比值的变化幅度。
步骤D :根据上述分析成果，并结合河岸的地质边界条件和河势径流外力条件、岸线状况和分析评估岸段所在河段河势演变要素，按河岸稳定风险影响因子分类等级评分细则，对分析评估岸段进行分类等级赋分，然后计算评估综合赋分值，其中河道岸坡地质结构和护岸情况是影响河岸线稳定的地质边界条件；按综合赋分值所在岸坡稳定性风险等级的区间，确定相应地段的岸坡稳定性风险等级。岸坡稳定风险评估分为4个等级一般、二级设防、一级设防、警戒等级，对应的颜色提示分别为绿色岸段、蓝色岸段、橙色预警岸段、红色预警岸段。河势是河道主流线与河岸、江心洲(滩)边缘线的相对关系。所述河势演变要素包括河道主流线平面位置的变动范围、河道防洪设防水位条件下河岸线和江心洲(滩) 边缘线的平面位置。河岸稳定风险影响因子分类等级评分细则分类等级特征评分条款细则分为条件特征条款、冲刷过程特征条款和岸线状况特征条款，每类条款的赋分如下I、条件特征评分条款条件特征评分条款分为地质边界条件和河势径流外力条件，河道岸坡地质结构和护岸情况是影响河岸线稳定的地质边界条件，河势径流特征是影响河岸线稳定外力条件。 条件特征条款的综合分值采用加权平均法，其中，地质边界条件占70 %，河势径流外力条件占30%;河岸线稳定地质边界条件的分值为O 10，其中，河道岸坡地质结构的分值为O 10，护岸情况的分值为O 7，采用分值就高计量原则；河势径流外力条件的分值为O -3。 下面对条件特征条款赋分举例说明如下I)岸坡地质结构情况等级条款地-I :上粘下砂的二元结构，赋分值O ;地-2 :粉砂层结构，赋分值O ;地-3 :壤土夹砂层结构，赋分值I ;地-4 :壤土结构，赋分值2 ；地-5 :老粘土结构，赋分值5 ；地-6岩石结构，赋分值10。2)护岸情况等级条款护-O :未护岸段，赋分值O ;护-I :1998年以前实施的护岸工程，1998年以后未加固，赋分值+2 ；护-2 :1998年以前实施的护岸工程，1999年 2003年水下加固，水上护坡工程改造，现基本完好，赋分值+3 ；护-3 :1998年以前实施的护岸工程，2006年 2009年水下加固、水上护坡工程改造，现基本完好，赋分值+5 ；护-4 :1998年以前实施的护岸工程，2010年 2011年水下加固、水上护坡工程改造，现基本完好，赋分值+4;护-5 1999年 2003年实施的新护岸工程，2003年以后未加固，水上护坡工程现基本完好，赋分值+5 ；护-6 :1999年 2003年实施的新护岸工程，2003年以后未加固，水上护坡工程出现多处破损，赋分值+4;
护-7 2006年 2009年实施的新护岸工程或加固工程，水上护坡工程现基本完好；赋分值+6 ；护-8 2010年 2011年实施的新护岸工程，现完好，赋分值+7。3)河势径流外力条件情况等级条款河-O :监测段所在河段(范围监测段上端的上游5km至监测段下端的下游3km， 下同)河势稳定，监测区域非主流贴岸区，赋分值O ;河-I :监测段所在河段河势稳定，季节性贴流的顺直过渡段，赋分值-I ；河-2 :监测段所在河段河势基本稳定，季节性贴流顶冲弯道段，赋分值-2 ；河-3 :监测段所在河段河势有明显调整，常年贴流顶冲弯道段，赋分值_3。2、冲刷过程特征评分条款分为近岸河床冲刷程度和水下岸坡变化情况，总分值为O -10，其中，近岸河床冲刷程度(即上述步骤B中计算出的冲刷或淤积的幅度)的分值为O _7，水下岸坡变化情况(即上述步骤C中计算出的水下边坡坡比值、水下坡脚内坡坡比值的变化幅度)的分值为O _3，冲刷过程特征条款的分值采用算术求和计量原则。下面对冲刷过程特征条款赋分举例说明如下I)近岸河床冲刷程度等级条款冲-O 2006年5月至2011年10 12月期间，水下坡脚前沿淤积段，赋分值O。冲-I 2006年5月至2011年10 12月期间，水下坡脚前沿平均冲深2. Om以内， 最大冲深3. Om以内，赋分值-I ；冲-2 2006年5月至2011年10 12月期间，水下坡脚前沿平均冲深2. O 4. 0m、 最大冲深4. O 6. Om以内，赋分值-3 ；冲-3 2006年5月至2011年10 12月期间，水下坡脚前沿平均冲深4. O 6. Om ; 最大冲深6. O 9. Om,赋分值-5 ；冲-4 2006年5月至2011年10 12月期间，水下坡脚前沿平均冲深6. Om以上； 最大冲深9. Om以上，赋分值-7 ；冲-5 2006年5月至2010年10 12月期间，水下坡脚前沿平均冲深4. O 6. Om, 并且，2008年10 12月至2011年10 12月3个水文期均冲刷，赋分值-5 ；冲-6 1998年9月以来，矶头冲刷坑呈冲刷扩大趋势，2011年冲刷坑面积达到或接近有记录以来的最大值，赋分值-7 ；冲-7 1998年9月以来，矶头冲刷坑呈冲深趋势，2011年冲刷坑最低点高程达到或接近有记录以来的最低点，赋分值-7 ；2)近岸河床坡度情况等级条款坡-I :2007年10月至2011年12月期间，水下边坡平均坡度值小于O. 33(1 3)， 近3年没有变陡趋势；坡脚内坡平缓，赋分值O ;坡-2 :2007年10月至2011年12月期间，水下边坡平均坡度值小于O. 33(1 3)， 近3年有变陡趋势；或坡脚内坡有变陡趋势；赋分值-I ；坡-3 2007年10月至2011年12月期间，水下边坡平均坡度值O. 33
0.5(1 2)，近3年没有变陡趋势；坡脚内坡没有变陡趋势，赋分值-2 ；坡-4 2007年10月至2011年12月期间，水下坡脚内坡近3年有变陡趋势，赋分值_2。坡-5 :2007年10月至2011年12月期间，水下边坡平均坡度值大于O. 5(1 2)， 近3年有变陡趋势，赋分值_3。3、岸线状况特征评分条款为河岸线崩塌情况，河岸线崩塌是河岸线稳定风险集中爆发的结果，岸线状况特征条款(河岸线崩塌)的分值为O -10。下面对岸线状况特征条款赋分举例说明如下崩-O:未护岸段最近5年(水文年度，下同)内未出现崩岸，已护岸段最近5年内未出现明显水毁或岸坡滑挫，赋分值O ;崩-I :离民堤工程200m以外，未护岸段最近3年内出现少量崩岸点；已护岸段最近3年内出现少量水毁或枯水平台前沿吊坎，并且崩岸点未修复，赋分值-2 ；崩-2 :离干堤工程200m以外，未护岸段最近3年内出现少量崩岸点；已护岸段最近3年内出现少量水毁或岸坡滑挫，并且崩岸点未修复，赋分值-3 ；崩-3 :离民堤工程100 200m，未护岸段近3年内出现较多崩岸点，已护岸段近3 年内出现少量岸坡滑挫，崩岸或岸坡滑挫点上下游各250m的范围内，赋分值-4 ；崩-4 :离干堤工程100 200m，未护岸段近3年内出现较多崩岸点，已护岸段近 3年内出现少量岸坡或枯水平台滑挫，崩岸或岸坡滑挫点上下游各250m的范围内，赋分值-5 ；崩-5 :离民堤工程100以内，未护岸段前3年内出现较多崩岸点，已护岸段近3年内出现少量岸坡滑挫，崩岸或岸坡滑挫点上下游各250m的范围内，赋分值-6 ；崩-6 :离干堤工程200m以外，未护岸段最近3年内出现大量崩岸点，赋分值_7 ；崩-7 :离民堤工程200m以外，未护岸段最近3年内出现大量崩岸点，赋分值_6 ；崩-8 :离干堤工程100以内，未护岸段前3年内出现较多崩岸点，已护岸段前3年内出现少量岸坡或枯水平台滑挫，崩岸或岸坡滑挫点上下游各250m的范围内，赋分值-7 ；崩-9 :当年出现崩岸，离民堤工程IOOm以内的岸线，赋分值_7。崩-10 :当年出现崩岸，离干堤工程IOOm以内的岸线，赋分值_8。崩-11 :当年出现崩岸或岸坡滑挫，离民堤工程50m以内的岸线，赋分值_9。崩-12 :当年出现崩岸或岸坡滑挫，离干堤工程50m以内的岸线，赋分值_10。岸坡稳定性综合分值计算方法根据影响岸坡稳定风险的因素和不同阶段风险所表现出的特征，分为条件特征条款、冲刷过程特征条款和岸线状况特征条款评估赋分值，按条件(权重30% )、过程(权重 30% )和结果条款(权重40% )加权平均法对河岸线稳定性进行评估。见表I。表I岸坡稳定性因素分值评估权重分布表 河道岸坡稳定性风险等级划分方法监测岸段岸坡稳定性风险等级综合评估根据监测岸段的岸坡稳定性综合评估分值，对应各岸段的实际情况，确定河道岸坡稳定性风险等级综合评估分值范围，见表2。
表2河道岸坡稳定性风险等级综合评估分值范围统计表
权利要求
1.ー种河岸稳定性监测分析与评估方法，其特征在于包括如下步骤步骤A :建立基于近岸河床地形图的监测导线和近岸河床水下坡度分析断面的监测数据采集网络；其中监测导线有3条，分别为冲淤监测导线、水下边坡监测起点导线、水下边坡监测終点导线；水下坡度分析断面按需要布置，一般间隔50 300m布置I个监测分析断面；步骤B :以河道近岸河床地形图为基本资料，对冲淤监测导线所在河道近岸河床位置的地形图进行数字化处理，根据所取得的数据成果资料，绘制冲淤监测导线沿顺水流方向的河床高程变化关系图，并计算各分段高程变化平均值；步骤C :以河道近岸河床地形图为基本资料，对监测导线和垂直河道水流方向的监测分析断面的交点所在河道近岸河床位置的地形图进行数字化处理，根据所取得的数据成果资料，绘制近岸河床水下边坡、坡脚内坡坡比值沿流程的变化关系图，并计算各分段坡比值平均值；步骤D :根据上述分析成果，并结合河岸的地质边界条件和河势径流外力条件、岸线状况和分析评估岸段所在河段河势演变要素，按河岸稳定风险影响因子分类等级评分细则， 对分析评估岸段进行分类等级赋分，然后计算综合赋分值，其中河道岸坡地质结构和护岸情况是影响河岸线稳定的地质边界条件；按综合赋分值所在岸坡稳定性风险等级的区间， 确定相应地段的岸坡稳定性风险等级。
2.如权利要求I所述的河岸稳定性监测分析与评估方法，其特征在于所述步骤A中确定所述冲淤监测导线的平面座标位置时综合考虑以下内容要素①对有河道水下护岸エ 程的地段，冲淤监测导线的平面位置距河道护岸水下工程的外缘5 30米；②无河道护岸水下护岸工程的地段，按近岸深槽的内边缘线距多年平均枯水位线的宽度确定冲淤监测导线的平面位置，冲淤监测导线的平面位置距多年平均枯水位线60-150米；③同时考虑河道枯水位水边线的不平顺以及枯水期近岸主流线的顺畅，适当调整冲淤监测导线的平面位置，使冲淤监测导线顺畅；所述步骤A中确定所述水下边坡监测起点导线的平面座标位置时综合考虑以下内容要素导线上的控制点所在位置的河床高程低于多年平均枯水位2 3m ;所述步骤A中确定所述水下边坡监测终点导线的平面座标位置时综合考虑以下内容要素导线上的控制点所在位置为坡脚附近的断面形态变化“拐点”附近。
3.如权利要求I所述的河岸稳定性监测分析与评估方法，其特征在于所述步骤B具体包括数据采集以冲淤监测导线上ー个设定的点为原点，对应河岸堤防护岸工程桩号，沿监测导线每隔一定距离采集ー个高程值；数据处理利用EXCEL、AUTOCAD程序绘制冲淤监测导线高程沿程变化图；分析不同时期的冲淤监测导线处河床高程沿程变化图，按冲淤监测导线处河床高程变化特征分段计算冲刷或淤积的幅度。
4.如权利要求I所述的河岸稳定性监测分析与评估方法，其特征在于所述步骤C具体包括数据采集监测断面水下坡比值是对河道水下岸坡的分段平均概化，水下岸坡分为水下边坡和水下坡脚内坡，水下边坡范围水下边坡监测起点导线至水下边坡监测终点导线间的区域；水下坡脚内坡范围水下边坡监测终点导线至冲淤监测导线间的区域，监测断面线与水下边坡监测起点导线、水下边坡监测终点导线的交点为水下边坡坡比值的原始数据采集点，根据采集的2交点的河床高程和水平间距计算相关监测断面水下边坡坡比值， 监测断面线与水下边坡监测终点导线、冲淤监测导线的交点为水下坡脚内坡坡比值的原始数据采集点，根据采集的2交点的河床高程和水平间距计算相关监测断面水下坡脚内坡坡比值；数据处理计算每个监测断面的水下边坡坡比值、水下坡脚内坡坡比值，利用EXCEL、 AUTOCAD程序绘制水下边坡坡比值、水下坡脚内坡坡比值沿程变化图；分析不同时期的坡比值沿程变化图，按坡比变化特征分段计算划分区段水下边坡坡比值、水下坡脚内坡坡比值的变化幅度。
5.如权利要求I所述的河岸稳定性监测分析与评估方法，其特征在于所述岸坡稳定风险评估分为4个等级一般、二级设防、一级设防、警戒等级，对应的颜色提示分别为绿色岸段、蓝色岸段、橙色预警岸段、红色预警岸段。
全文摘要
一种河岸稳定性监测分析与评估方法，包括建立基于近岸河床地形图的监测导线和近岸河床水下坡度分析断面的监测数据采集网络；以河道近岸河床地形图为基本资料，对冲淤监测导线所在河道近岸河床位置的地形图进行数字化处理，对水下边坡监测起点和终点导线、冲淤监测导线与监测分析断面的交点所在河道近岸河床位置的地形图进行数字化处理，根据所取得的数据成果资料，绘制冲淤监测导线沿流程的河床高程变化关系图和绘制近岸河床水下边坡、坡脚内坡坡比值沿流程的变化关系图，计算各分段平均值；根据上述成果和河岸地质边界条件等技术参数对应各段进行分类等级特征条款评分细则赋分，然后计算评估综合分值，并评估相应地段的岸坡稳定性风险等级。
文档编号G01D21/02GK102607646SQ20121006761
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月15日 优先权日2012年3月15日
发明者何广水, 姚仕明, 朱勇辉, 渠庚, 范北林 申请人:长江水利委员会长江科学院