CN110286027A - 考虑红柳根系影响的河岸土体冲刷参数的量化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑红柳根系影响的河岸土体冲刷参数的量化方法，包括：第一步，以玻璃水槽为试验槽，玻璃水槽内设置断面呈梯形的试验段；第二步，试验段内进行无红柳根系覆盖冲刷试验，并拟合出起动切应力和冲刷系数的数值关系；第三步，试验段内进行有红柳根系覆盖冲刷试验，获得不同红柳根系放置方式下起动切应力和根系密集度、干密度的数值关系，以及冲刷系数和根系密集度、干密度的数值关系；第四步，根据起动切应力和根系密集度、干密度的数值关系，计算断面的起动切应力；第五步，根据冲刷系数和根系密集度、干密度的数值关系，计算断面的冲刷系数。将红柳根系的影响引入河岸土体冲刷参数的量化中，可获得更准确的量化指标。

Description

考虑红柳根系影响的河岸土体冲刷参数的量化方法

技术领域

本发明属于河岸土体冲刷参数量化技术领域，尤其涉及一种考虑红柳根系影响的河岸土体冲刷参数的量化方法。

背景技术

水流作用下，土体很容易被冲刷，尤其是河岸，湖岸等岸坡土体冲刷较为严重。在新疆塔里木河流域，以红柳为主体的典型荒漠植被正在减少，沿岸土体的冲刷较为严重，通过现场调查研究发现，含植被根系的河岸土体不易被水流冲刷。植被根系在土体中相互穿插，缠绕土体，增强了土体的抗冲能力，减弱了土体颗粒间的分散程度，使土体在水流作用下难以起动。而根系的固体效果主要的量化指标是土体的起动切应力及冲刷系数，通过计算含植被根系土体的起动切应力及冲刷系数，可以为河岸土体的冲刷研究提供相关的理论依据

目前国内外对土体的起动切应力及冲刷系数做了相关研究，也总结出了一些起动切应力及冲刷系数的经验公式。但目前还没有研究植被根系与土体共同作用下对河岸土体起动切应力及冲刷系数的具体量化指标，也没有考虑红柳根系对河岸冲刷参数的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种考虑红柳根系影响的河岸土体冲刷参数的量化方法，以获得更准确的量化指标。

本发明考虑红柳根系影响的河岸土体冲刷参数的量化方法，所述河岸土体冲刷参数包括河岸土体的起动切应力和冲刷系数；包括步骤：

第一步，以玻璃水槽为试验槽，玻璃水槽进水口设置调节流量的阀门，玻璃水槽尾部设置三角形量水堰，用来测量流量；玻璃水槽内设置断面呈梯形的试验段，试验段内取三个等间距的断面，分别记为1-1、2-2、3-3；

第二步，无红柳根系覆盖冲刷试验，具体为：

将土样在试验段中分层压实，并洒水养护，待土样自然沉降一周后开始冲刷试验；试验前分层取土样，测量土样的干密度和含水率；进行冲刷试验，获得不同含水率和干密度下起动切应力值及三个断面的冲刷系数数据，并拟合出起动切应力和冲刷系数的数值关系，记为数值关系Ⅰ；

第三步，有红柳根系覆盖冲刷试验，具体为：

将红柳根系以不同放置方式均匀植入1-1、2-2、3-3断面，并在不同的红柳根系密集度下分别行冲刷试验，分别测出不同根系密集度下每种放置方式对应的起动切应力数据；经拟合，获得不同放置方式下起动切应力和根系密集度、干密度的数值关系，该数值关系记为数值关系Ⅱ；

根据试验数据，分别对不同放置方式下冲刷系数与起动切应力之间的数值关系进行拟合，所拟合出的数值关系记为数值关系Ⅲ；结合数值关系Ⅱ和数值关系Ⅲ，获得不同放置方式下冲刷系数和根系密集度、干密度的数值关系，该数值关系记为数值关系IV；

第四步，根据断面上红柳根系放置方式，将断面上的根系密集度和干密度代入该放置方式对应的数值关系Ⅱ中，计算该断面的起动切应力；

第五步，根据断面上红柳根系放置方式，将断面上的根系密集度和干密度代入该放置方式对应的数值关系IV中，计算该断面的冲刷系数。

进一步的，试验土体取自自塔里木河干流河岸土体，且所述红柳根系取自塔里木河干流岸边自然生长的红柳幼苗。

进一步的，第二步中，拟合出起动切应力和冲刷系数的数值关系具体为：

首先，根据起动切应力数据，拟合起动切应力和干密度的数值关系；

接着，根据试验结果，获得不同含水率、干密度土样在不同水流切应力下的冲刷速率ε，根据公式ε＝k_d(τ_f-τ_c)反算冲刷系数k_d，得到各断面土样的冲刷系数k_d及起动切应力τ_c；

最后，分别对各断面的k_d与τ_c数据进行拟合，得k_d与τ_c的拟合关系，即数值关系Ⅰ。

进一步的，k_d与τ_c的拟合关系为k_d＝4.6×10^-4τ_c ^0.418。

进一步的，第三步中所述不同放置方式包括竖直放置、倾斜放置和相交放置。

进一步的，第三步中，红柳根系与土样铺设同步进行，使红柳根系与土样一同沉降固结一周形成根土复合体后开始冲刷试验。

进一步的，第三步中所述不同放置方式包括竖直放置、倾斜放置和相交放置；其中：

竖直放置方式下起动切应力τ_cr和根系密集度RVD、干密度ρ_d的数值关系为：

τ_cr＝0.083ρ_d ^5.11RVD^0.186；

倾斜放置方式下起动切应力τ_cr和根系密集度RVD、干密度ρ_d的数值关系为：

τ_cr＝0.077ρ_d ^5.11RVD^0.190；

相交放置方式下起动切应力τ_cr和根系密集度RVD、干密度ρ_d的数值关系为：

τ_cr＝0.083ρ_d ^5.11RVD^0.129。

进一步的，第三步中所述不同放置方式包括竖直放置、倾斜放置和相交放置；其中：

竖直放置方式下冲刷系数k_dr和根系密集度RVD、干密度ρ_d的数值关系为：

k_dr＝8.9×10^-4ρ_d ^-8.53RVD^-0.311；

倾斜放置方式下冲刷系数k_dr和根系密集度RVD、干密度ρ_d的数值关系为：

k_dr＝7.2×10^-4ρ_d ^-7.05RVD^-0.262；

相交放置方式下冲刷系数k_dr和根系密集度RVD、干密度ρ_d的数值关系为：

k_dr＝22.6×10^-4ρ_d ^-12.21RVD^-0.308。

本发明具有以下特点和有益效果：

本发明将红柳根系的影响引入河岸土体冲刷参数的量化中，以获得更准确的量化指标。

附图说明

图1为实施例中所采用试验装置的俯视图；

图2为实施例中试验土体的颗粒级配曲线；

图3为实施例中红柳根系的分布示意图，其中，图(a)为竖直放置示意图，图(b)为倾斜放置示意图，图(c)为相交放置示意图；

图4为实施例中根据试验数据获得的无红柳根系河岸土体τ_c与ρ_d的拟合曲线；

图5为实施例中根据试验数据获得的无红柳根系河岸土体k_d与τ_c的拟合曲线；

图6为实施例中无红柳根系河岸土体冲刷系数的模拟结果与实测结果的对比；

图7为实施例中有红柳根系河岸土体RVD与τ_cr的关系图；

图8为实施例中有红柳根系河岸土体起动切应力计算结果与实测结果对比；

图9为实施例中有红柳根系河岸土体k_dr与τ_cr的关系图。

图10为实施例中有红柳根系河岸土体冲刷系数计算结果与实测结果对比。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

本实施例在一玻璃水槽内进行，参见图1，所使用玻璃水槽长度20m，宽0.5m，高0.5m，水槽底坡坡度1‰，水槽进口设可调节流量的闸门，水槽末端的尾门可控制水位，尾部有一三角形量水堰，可以测量水槽中的流量。将试验土样分层压实于水槽中形成试验段，试验段土体坡度拟采取塔里木河沙雅大桥附近(经度82°8′39.4″纬度40°51′35.5″)一断面坡度。该试验段距离水槽进口7.5m处，试验段长度为2m，高度为0.2m，宽度为0.2m，坡度m＝2:1，试验段断面为梯形，试验段断面结构可参见图3，在试验段区间内每隔0.5m取 1-1、2-2、3-3三个断面。

试验土样来自塔里木河干流河岸土体，取样位置在新疆生产建设兵团第一师12团塔里木河老大桥以下3公里，此处土体为非粘性土体。其中沙粒含量为81.8％，粘粒含量为18.2％，所取土体颗粒级配曲线如图2所示。试验用红柳属灌木植物优势种，取自塔里木河干流岸边自然生长的红柳幼苗。

本实施例试验包括无红柳根系覆盖冲刷试验(记为试验Ⅰ)与有红柳根系覆盖冲刷试验(记为试验Ⅱ)两部分，分别进行土体的冲刷参数试验，包括起动条件和冲刷系数试验，其中冲刷系数主要通过观测单位时间内土体冲刷宽度，得到冲刷速率，并反算得到。

(1)试验Ⅰ

首先在水槽中将试验土样分层压实，其次洒水养护使试验土体与原状土体相接近，土体自然沉降一周后开始试验。试验开始前用环刀分层取试验土体，经烘箱烘干后测出各层土体的干密度及含水率，不同层土体的干密度及含水率是不同的；试验主要进行起动条件及冲刷系数试验，从而获得在不同土体干密度下的起动切应力值及三个断面的冲刷系数试验结果。

试验Ⅰ共分为6组，分别在干密度为1.26g/cm³，1.30g/cm³，1.33g/cm³，1.38g/cm³，1.42g/cm³，1.46g/cm³下进行试验，测出6组起动切应力值。起动切应力指泥沙少量动时水流对土体的切应力，当泥沙表面出现一阵烟雾状且泥沙表面出现少许凹坑即判断为少量动。针对每一种土体，分别测出土体的冲刷宽度，根据冲刷宽度计算冲刷速率，根据冲刷速率反推冲刷系数。

水流对土体的切应力τ_f采用公式(1)计算获得，起动切应力即泥沙少量动时的水流切应力：

τ_f＝γRJ (1)

式(1)中，τ_f为水流切应力，单位：N/m²；γ为水的容重，单位：N/m³；R为水力半径，单位：m；J为水力坡度。

(2)试验Ⅱ

将红柳根系每隔1.5cm覆盖试验土体上，其中1-1断面竖直放置、2-2断面倾斜放置、 3-3断面相交放置，竖直放置指红柳根系呈90度***断面的种植面，参见图3(a)所示；倾斜放置指红柳根系呈45度***断面的种植面，参见图3(b)所示；相交放置指断面种植面的同一点倾斜***两根相交的红柳根系，参见图3(c)所示。在不同红柳根系密集度和不同红柳根系分布方式下，分别测出试验土体起动流速及冲刷宽度，这样就可以获得不同性质指标下试验土样三个断面的冲刷参数试验结果。其中，起动流速的计算方法为：利用量水堰测量起动时流量，根据流量反算各断面平均流速，即起动流速；起动即泥沙少量动时状态；冲刷宽度由测针直接测量。

为保证根系在土体中发挥较好的固土作用，将根系与土体铺设同步进行，根系与试验土体一同沉降固结一周形成根土复合体后开始试验。

将红柳根系覆盖在干密度为1.30g/cm³的试验土样上，按照表1所示的红柳根系分布方式与红柳根系体积密度进行试验，根系体积密度指单位土体体积中根系的体积。试验Ⅱ共计 5组(试验土体1-1断面根系竖直放置，2-2断面根系倾斜放置，3-3断面根系相交放置)。分别测出每种红柳根系分布方式下不同根系体积密度对应的起动切应力及冲刷速率，并计算得到冲刷系数。

表1红柳根系体积密度与分布方式表

下面将对河岸土体冲刷参数的计算进行详细说明。

一、无红柳根系河岸土体冲刷参数计算

(1)土体起动切应力计算

根据试验结果，得到无红柳根系土体起动切应力τ_c与干密度ρ_d间的关系如图4所示，将两者关系进行拟合得到：

τ_c＝0.046ρ_d ^5.11 (2)

式(2)中，τ_c为起动切应力，单位：N/m²；ρ_d为土体干密度，单位：g/cm³。拟合相关系数R₂＝0.936。

(2)河岸土体冲刷系数计算

河岸土体的冲刷速率主要由水流作用(水流切应力的大小)与土体的抗冲刷作用(土体起动切应力及冲刷系数)决定。水流对河岸的冲刷速率ε可表示为

ε＝k_d(τ_f-τ_c) (3)

式(3)中，ε为冲刷速率，单位：m/s；k_d为土体的冲刷系数，单位：m³/(N·s)；τ_f为水流切应力，单位：N/m²。

根据试验结果(试验结果见表2)，可得到不同含水率、干密度土体在不同水流切应力下的冲刷速率值ε，其中，冲刷速率为土体单位时间的冲刷宽度。根据式(3)反算得到冲刷系数k_d，即：

k_d＝ε/(τ_f-τ_c) (4)

表2试验Ⅰ的试验结果

根据式(4)分别得到1-1断面、2-2断面、3-3断面土体的冲刷系数k_d与起动切应力τ_c之间的关系曲线，如图5所示。

分别对1-1断面、2-2断面、3-3断面土体的冲刷系数k_d与起动切应力τ_c之间的关系进行拟合可得：

k_d＝4.6×10^-4τ_c ^0.418 (5)

拟合曲线的相关系数R₂为0.959。

用式(5)计算不同土样起动切应力下的冲刷系数，并与实测结果进行对比，结果如图6所示。两者最大绝对误差为4.4％，最小绝对误差为0.1％，平均误差为2.0％，绝对误差均小于5％，说明公式(5)的计算结果完全满足精度要求。

二、有红柳根系河岸土体冲刷参数计算

(1)红柳根系对起动切应力的影响

根据试验结果得到了红柳不同分布方式及分布密度下的起动切应力值，参见图7，反映了红柳根系影响下起动切应力τ_cr与植被密集度RVD、分布方式之间的关系。从图中可以看出，起动切应力τ_cr随着植被密集度RVD的增大而增大。导致这种现象的原因是由于植被根系体积密度越大，根系对土体的结合力也增大，因此土体不易起动，即土体的起动切应力τ_cr就会增大。

在有红柳根系影响下河岸土体的起动切应力τ_cr可表示为：

τ_cr＝aρ_d ^bRVD^d (6)

式(6)中，RVD为红柳根系体积密度；ρ_d为土体干密度，单位：g/cm3；a为系数；b 和d为指数。

根据试验结果进行拟合，获得不同红柳根系分布方式下河岸土体起动切应力τ_cr和RVD、ρ_d的数值关系，见公式(7)～(9)所示：

①竖直放置：

τ_cr＝0.083ρ_d ^5.11RVD^0.186 (7)

②倾斜放置：

τ_cr＝0.077ρ_d ^5.11RVD^0.190 (8)

③相交放置：

τ_cr＝0.083ρ_d ^5.11RVD^0.129 (9)

式(7)～(9)对应的拟合相关系数分别R₂为0.979，0.940，0.969。

用式(7)～(9)分别计算不同红柳根系体积密度和不同干密度下的土体起动切应力值，并与实测结果进行对比，结果如图8所示。两者最大绝对误差为3.5％，最小绝对误差为0.3％，平均误差为1.34％，绝对误差均小于5％，说明公式(7)～(9)的计算结果完全满足精度要求。

(2)红柳根系对河岸土体冲刷系数的影响

将红柳根系分别以竖直、倾斜、相交布置在土体中，根据式(4)分别计算得到竖直放置、倾斜放置、相交放置下土体的冲刷系数k_dr与起动切应力τ_cr之间的关系曲线，如图9所示。从图9可以看出，有红柳根系的土体冲刷系数k_dr随着起动切应力τ_cr的增大而减小。这主要是因为在有根系护挡作用下土体难以起动，当起动切应力越大时，土体较难起动，冲刷系数也就随之减小。

根据试验结果(试验结果见表3)，分别对竖直放置、倾斜放置、相交放置土体的冲刷系数k_dr与起动切应力τ_cr之间的数值关系进行拟合，见公式(10)～(12)。

表3试验Ⅱ的试验结果

不同根系分布方式下的拟合方程如下：

①竖直放置：

k_dr＝1.4×10^-5τ_cr ^-1.67 (10)

②倾斜放置：

k_dr＝2.1×10^-5τ_cr ^-1.38 (11)

③相交放置：

k_dr＝0.59×10^-5τ_cr ^-2.39 (12)

式(10)～(12)对应的拟合相关系数R₂分别为0.877，0.861，0.875。

将式(7)～(9)分别对应带入式(10)～(12)，可得不同红柳根系分布方式下河岸土体冲刷系数k_dr和RVD、ρ_d的数值关系：

①竖直放置：

k_dr＝8.9×10^-4ρ_d ^-8.53RVD^-0.311 (13)

②倾斜放置：

k_dr＝7.2×10^-4ρ_d ^-7.05RVD^-0.262 (14)

③相交放置：

k_dr＝22.6×10^-4ρ_d ^-12.21RVD^-0.308 (15)

用式(13)～(15)分别计算不同红柳根系体积密度和不同干密度下的土体冲刷系数值，并与实测结果进行对比，结果如图10所示。两者平均误差为5.1％，绝对误差略大于5％，公式(13)～(15)的计算结果基本能够满足精度要求。

上述实施例仅为多种实施例中的一种，对于本领域内的技术人员，在上述说明基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动，而这些属于本发明实质精神而衍生出的其他变化或变动仍属于本发明保护范围。

Claims (8)

1.考虑红柳根系影响的河岸土体冲刷参数的量化方法，所述河岸土体冲刷参数包括河岸土体的起动切应力和冲刷系数；其特征是，包括步骤：

第一步，以玻璃水槽为试验槽，玻璃水槽进水口设置调节流量的阀门，玻璃水槽尾部设置三角形量水堰，用来测量流量；玻璃水槽内设置断面呈梯形的试验段，试验段内取三个等间距的断面，分别记为1-1、2-2、3-3；

第二步，无红柳根系覆盖冲刷试验，具体为：

将土样在试验段中分层压实，并洒水养护，待土样自然沉降一周后开始冲刷试验；试验前分层取土样，测量土样的干密度和含水率；进行冲刷试验，获得不同含水率和干密度下起动切应力值及三个断面的冲刷系数数据，并拟合出起动切应力和冲刷系数的数值关系，记为数值关系Ⅰ；

第三步，有红柳根系覆盖冲刷试验，具体为：

将红柳根系以不同放置方式均匀植入1-1、2-2、3-3断面，并在不同的红柳根系密集度下分别行冲刷试验，分别测出不同根系密集度下每种放置方式对应的起动切应力数据；经拟合，获得不同放置方式下起动切应力和根系密集度、干密度的数值关系，该数值关系记为数值关系Ⅱ；

根据试验数据，分别对不同放置方式下冲刷系数与起动切应力之间的数值关系进行拟合，所拟合出的数值关系记为数值关系Ⅲ；结合数值关系Ⅱ和数值关系Ⅲ，获得不同放置方式下冲刷系数和根系密集度、干密度的数值关系，该数值关系记为数值关系IV；

第四步，根据断面上红柳根系放置方式，将断面上的根系密集度和干密度代入该放置方式对应的数值关系Ⅱ中，计算该断面的起动切应力；

第五步，根据断面上红柳根系放置方式，将断面上的根系密集度和干密度代入该放置方式对应的数值关系IV中，计算该断面的冲刷系数。

2.如权利要求1所述的量化方法，其特征是：

所述试验土体取自自塔里木河干流河岸土体，且所述红柳根系取自塔里木河干流岸边自然生长的红柳幼苗。

3.如权利要求1所述的量化方法，其特征是：

第二步中，拟合出起动切应力和冲刷系数的数值关系具体为：

首先，根据起动切应力数据，拟合起动切应力和干密度的数值关系；

接着，根据试验结果，获得不同含水率、干密度土样在不同水流切应力下的冲刷速率ε，根据公式ε＝k_d(τ_f-τ_c)反算冲刷系数k_d，得到各断面土样的冲刷系数k_d及起动切应力τ_c；

最后，分别对各断面的k_d与τ_c数据进行拟合，得k_d与τ_c的拟合关系，即数值关系Ⅰ。

4.如权利要求3所述的量化方法，其特征是：

k_d与τ_c的拟合关系为k_d＝4.6×10^-4τ_c ^0.418。

5.如权利要求1所述的量化方法，其特征是：

第三步中所述不同放置方式包括竖直放置、倾斜放置和相交放置。

6.如权利要求1所述的量化方法，其特征是：

第三步中，红柳根系与土样铺设同步进行，使红柳根系与土样一同沉降固结一周形成根土复合体后开始冲刷试验。

7.如权利要求1所述的量化方法，其特征是：

第三步中所述不同放置方式包括竖直放置、倾斜放置和相交放置；其中：

竖直放置方式下起动切应力τ_cr和根系密集度RVD、干密度ρ_d的数值关系为：

τ_cr＝0.083ρ_d ^5.11RVD^0.186；

倾斜放置方式下起动切应力τ_cr和根系密集度RVD、干密度ρ_d的数值关系为：

τ_cr＝0.077ρ_d ^5.11RVD^0.190；

相交放置方式下起动切应力τ_cr和根系密集度RVD、干密度ρ_d的数值关系为：

τ_cr＝0.083ρ_d ^5.11RVD^0.129。

8.如权利要求1所述的量化方法，其特征是：

第三步中所述不同放置方式包括竖直放置、倾斜放置和相交放置；其中：

竖直放置方式下冲刷系数k_dr和根系密集度RVD、干密度ρ_d的数值关系为：

k_dr＝8.9×10^-4ρ_d ^-8.53RVD^-0.311；

倾斜放置方式下冲刷系数k_dr和根系密集度RVD、干密度ρ_d的数值关系为：

k_dr＝7.2×10^-4ρ_d ^-7.05RVD^-0.262；

相交放置方式下冲刷系数k_dr和根系密集度RVD、干密度ρ_d的数值关系为：

k_dr＝22.6×10^-4ρ_d ^-12.21RVD^-0.308。