河岸稳定性监测分析与评估方法

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。

说明书

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1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：

(1)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。

附图说明

图1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1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1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1；水下坡度分析断面按间隔200m 布置1个监测分析断面，详见图1。

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：

1、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0～10，其中，河道岸坡地质结构 的分值为0～10，护岸情况的分值为0～7，采用分值就高计量原则； 河势径流外力条件的分值为0～-3。下面对条件特征条款赋分举例说 明如下：

1)岸坡地质结构情况等级条款：

地-1：上粘下砂的二元结构，赋分值0；

地-2：粉砂层结构，赋分值0；

地-3：壤土夹砂层结构，赋分值1；

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-0：未护岸段，赋分值0；

护-1：1998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-0：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 0；

河-1：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-1；

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0～-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0～-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0～ -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：

1)近岸河床冲刷程度等级条款：

冲-0：2006年5月至2011年10～12月期间，水下坡脚前沿淤积 段，赋分值0。

冲-1：2006年5月至2011年10～12月期间，水下坡脚前沿平均 冲深2.0m以内，最大冲深3.0m以内，赋分值-1；

冲-2：2006年5月至2011年10～12月期间，水下坡脚前沿平均 冲深2.0～4.0m、最大冲深4.0～6.0m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4.0～6.0m；最大冲深6.0～9.0m，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6.0m以上；最大冲深9.0m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4.0～6.0m，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-1：2007年10月至2011年12月期间，水下边坡平均坡度值 小于0.33(1∶3)，近3年没有变陡趋势；坡脚内坡平缓，赋分值0；

坡-2：2007年10月至2011年12月期间，水下边坡平均坡度值 小于0.33(1∶3)，近3年有变陡趋势；或坡脚内坡有变陡趋势；赋分 值-1；

坡-3：2007年10月至2011年12月期间，水下边坡平均坡度值 0.33～0.5(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0.5(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0～-10。下面对岸线 状况特征条款赋分举例说明如下：

崩-0：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0；

崩-1：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100m以内的岸线，赋分值-7。

崩-10：当年出现崩岸，离干堤工程100m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1。

表1岸坡稳定性因素分值评估权重分布表

  条款名称   条件特征条款   冲刷过程特征条款   岸线状况特征条款   权重   30％   30％   40％

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

  稳定性风险等级   一般岸段   二级设防岸段   一级设防岸段   警戒岸段   颜色预警提示   绿色岸段   蓝色岸段   橙色预警岸段   红色预警岸段   综合分值范围   大于0   0～-2.0   -2.0～-3.0   小于-3.0

按照上述河岸稳定风险影响因子分类等级评分细则，对照北门口段 的具体情况，综合评估河道岸坡条件特征、冲刷过程特征、岸线状况 特征对该段岸坡稳定影响的等级赋分值、并计算综合分值。详见表3。

表3北门口段河道岸坡稳定性风险影响评估赋分值统计表

按表2河道岸坡稳定性风险等级综合评估分值范围和表3的北门 口段河道岸坡稳定性风险影响评估赋分值划分北门口段河道岸坡的 稳定等级。详见表4。

表4北门口段河道岸坡的稳定等级统计表

应用实例

目前该方法已开始应用于长江中游荆江河段的河势监测分析工 作，用来分析评估三峡水库蓄水运用后对荆江河岸稳定性的影响，为 河道崩岸灾害防治规划提供服务。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并 不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范 围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。