河道岸灘穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)方法

王延貴，齊梅蘭，金亞昆

（1.國(guó)際泥沙研究培訓(xùn)中心，北京 100048；2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044）

河道岸灘穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)方法

王延貴1，齊梅蘭2，金亞昆2

（1.國(guó)際泥沙研究培訓(xùn)中心，北京 100048；2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044）

為了評(píng)價(jià)河岸邊界條件和河流動(dòng)力條件對(duì)岸灘穩(wěn)定性的影響，以河道岸灘崩塌影響因子層次結(jié)構(gòu)模型和權(quán)重系數(shù)為基礎(chǔ)，將定性指標(biāo)定量化和定量指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化，構(gòu)造了枯水期和洪水期岸灘穩(wěn)定綜合評(píng)價(jià)函數(shù)，提出了考慮多種因素影響的岸灘穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)方法。對(duì)擬定的3種不同土壤性質(zhì)、邊界條件和水動(dòng)力條件的河段岸灘穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果表明，岸灘穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)過(guò)程和評(píng)價(jià)方法是合理的。

河道；岸灘穩(wěn)定性；崩岸；層次分析法；綜合評(píng)價(jià)方法

在天然沖積河流演變過(guò)程中，崩岸是一種普遍存在的自然現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)外主要河流都存在嚴(yán)重的崩岸問(wèn)題［1-5］，如中國(guó)的長(zhǎng)江中下游和黃河下游河道、美國(guó)的Ohio河、西非的Niger河和澳大利亞的Lockyer Valley。崩岸往往會(huì)給河流防洪、岸邊建筑物安全等造成嚴(yán)重威脅，特別是近些年來(lái)隨著大型水利工程的建設(shè)或運(yùn)行，河勢(shì)將發(fā)生明顯變化，崩岸強(qiáng)度會(huì)有所增強(qiáng)，如三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用以來(lái)，長(zhǎng)江中下游河道發(fā)生崩岸655次，崩岸強(qiáng)度有增大的趨勢(shì)［5］。因此，開(kāi)展河流岸灘穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)與綜合評(píng)估就顯得極為重要，通過(guò)監(jiān)測(cè)和評(píng)估可以及時(shí)掌控河流岸灘安全狀態(tài)的變化，從而采取相應(yīng)的防護(hù)措施。

不同河段岸灘水流邊界條件存在差別，對(duì)應(yīng)的岸灘穩(wěn)定性和崩塌機(jī)理也不一樣。有許多學(xué)者就岸灘穩(wěn)定性和崩塌機(jī)理進(jìn)行了研究［3-4，7-8］，還有一些學(xué)者利用數(shù)學(xué)方法對(duì)岸灘安全性進(jìn)行了分析［9-11］。王坤［9］運(yùn)用模糊決策理論對(duì)不同斷面崩岸危險(xiǎn)程度進(jìn)行了評(píng)價(jià)；廖小永等［10］采用模糊統(tǒng)計(jì)聚類(lèi)理論，建立了以岸灘安全程度為聚類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬函數(shù)，判斷得到石首河段不同斷面岸灘的安全程度；筆者［11-12］也利用層次分析法對(duì)崩岸主要影響因素的作用與權(quán)重進(jìn)行了分析。本文在前期研究的基礎(chǔ)上，建立河道岸灘安全性評(píng)估的層次結(jié)構(gòu)模型，考慮專(zhuān)家建議推求各影響指標(biāo)的權(quán)重，進(jìn)而通過(guò)模糊數(shù)學(xué)方法將影響指標(biāo)進(jìn)行量化處理，構(gòu)造岸灘穩(wěn)定綜合評(píng)價(jià)函數(shù)，并對(duì)擬定的不同河段穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估。

1　岸灘穩(wěn)定性層次結(jié)構(gòu)模型與影響指標(biāo)權(quán)重

1.1岸灘穩(wěn)定性的層次結(jié)構(gòu)模型

對(duì)河道岸灘安全性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)時(shí)，選取岸灘穩(wěn)定性作為目標(biāo)，列為第一層，即目標(biāo)層。河流崩岸是來(lái)水來(lái)沙條件和河岸邊界條件等諸多因素共同作用的結(jié)果，故將崩岸影響因素分為河岸邊界條件和河流動(dòng)力條件兩大類(lèi)，列為第二層。河岸邊界條件包括土壤特性和岸坡形態(tài)，主要的影響因子有土壤黏聚力、內(nèi)摩擦角、干密度及邊坡形態(tài)。河流動(dòng)力條件主要為來(lái)水來(lái)沙條件，而來(lái)水來(lái)沙條件對(duì)河道的作用具體表現(xiàn)為河道沖刷，包括河岸側(cè)向沖刷和河床垂向沖刷兩個(gè)方面。另外，河流的水位變化及洪水浸泡也對(duì)崩岸有重要的影響，而洪水浸泡主要是通過(guò)對(duì)河岸浸泡時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)影響崩岸。因此，河岸側(cè)向沖刷、河床垂向沖刷、水位變化、河岸浸泡時(shí)間4個(gè)因子作為河流動(dòng)力條件中的分析對(duì)象。層次分析結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1　岸灘穩(wěn)定性評(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu)模型

1.2不同時(shí)期岸灘穩(wěn)定性影響因子權(quán)重

由于河道水位高低變化與岸灘浸泡狀況有很大的差異，河岸穩(wěn)定性也將隨之發(fā)生變化。在汛期，河道水位較高，且變化幅度較大，對(duì)岸灘浸泡作用明顯，河道岸灘崩岸往往會(huì)發(fā)生在汛末水位迅速降低過(guò)程中或之后。長(zhǎng)江中下游崩岸90%以上發(fā)生在枯水期或汛后，美國(guó)密西西比河下游大多數(shù)崩岸也發(fā)生在汛后，尤以大水年之后崩岸明顯。在枯水期，河道水位較低，河道側(cè)向沖刷明顯，特別是彎道凹岸崩塌嚴(yán)重。顯然，枯水期和洪水期河流岸灘崩塌過(guò)程中各影響因子的作用是不一樣的，相應(yīng)的權(quán)重也隨之發(fā)生改變，進(jìn)而影響岸灘安全性的綜合評(píng)價(jià)。因此，利用層次分析法分別對(duì)洪水期和枯水期河流崩岸的影響因子進(jìn)行分析，對(duì)各層次中諸影響因子兩兩比較，考慮它們之間的相對(duì)重要性，列出判斷矩陣，進(jìn)行岸灘安全性影響分析，求得枯水期和洪水期條件下岸灘穩(wěn)定性各影響因子的權(quán)重系數(shù)［11-14］，如表1所示，相應(yīng)也就得到對(duì)應(yīng)枯水期和洪水期各影響因子的權(quán)重矩陣W1、W2：

表1　河道岸灘穩(wěn)定性影響因子權(quán)重［12］

2　岸灘穩(wěn)定性影響因子的量化分析

2.1主要影響因子的量化分析方法

由于岸灘崩塌影響因子的量綱是不同的，很難有效地利用多目標(biāo)函數(shù)評(píng)價(jià)不同條件下岸灘的穩(wěn)定性，因此，對(duì)岸灘影響指標(biāo)進(jìn)行無(wú)量綱化處理是非常必要的。河道岸灘安全性影響指標(biāo)可分為定量指標(biāo)和定性指標(biāo)，如與土壤特性相關(guān)的黏聚力、內(nèi)摩擦角、干密度等皆為定量指標(biāo)，具有準(zhǔn)確的數(shù)值；河道沖刷（側(cè)向、垂向）、水位變化和河岸浸泡時(shí)間等雖然為定量指標(biāo)，但需要給出進(jìn)一步的說(shuō)明。如：側(cè)向沖刷寬度為某河段在某一時(shí)期內(nèi)側(cè)向沖刷的距離，垂向沖刷深度為某河段在某一時(shí)期內(nèi)河床垂向沖刷的深度；水位變化則是某河段在某一時(shí)期內(nèi)水位變化的幅度；河岸浸泡時(shí)間為某河段在某一時(shí)期內(nèi)河岸持續(xù)浸泡的時(shí)長(zhǎng)。

對(duì)于定量指標(biāo)，某些指標(biāo)值越大，岸灘越安全，為正向指標(biāo)，如土壤黏性系數(shù)、土壤內(nèi)摩擦角；反之，為負(fù)向指標(biāo)，如土壤干密度、河岸側(cè)向沖刷、河床垂向沖刷、河道水位變化、河岸浸泡時(shí)間。為便于分析，本文統(tǒng)一約定指標(biāo)值大者為優(yōu)（即正向指標(biāo)），對(duì)指標(biāo)值小為優(yōu)者（即負(fù)向指標(biāo)）可利用指標(biāo)同趨勢(shì)化方法進(jìn)行處理，形成統(tǒng)一的正向指標(biāo)。所謂指標(biāo)同趨勢(shì)化就是將指標(biāo)通過(guò)整理變換［15］，使所有指標(biāo)轉(zhuǎn)化為同一方向，具體可采用指標(biāo)轉(zhuǎn)置的方法處理，計(jì)算公式為

式中：E′i為處理后的正向指標(biāo)值；Emax為負(fù)向指標(biāo)最大值；Emin為負(fù)向指標(biāo)最小值；Ei為原負(fù)向指標(biāo)值。

指標(biāo)進(jìn)行同趨勢(shì)化處理后，為了消除各指標(biāo)量綱的影響，需要對(duì)指標(biāo)進(jìn)行規(guī)范化或無(wú)量綱化處理，具體方法就是用同一指標(biāo)數(shù)列中的最大值去除數(shù)列中的每一個(gè)指標(biāo)值，即

式中：Eii為處理后的無(wú)量綱指標(biāo)值；Emax為正向指標(biāo)序列中的最大值；Ei為正向序列中第i個(gè)指標(biāo)。

岸灘邊坡形態(tài)作為一個(gè)定性指標(biāo)，只有定性描述或簡(jiǎn)單的等級(jí)劃分，而沒(méi)有定量數(shù)值。為了進(jìn)一步探討河岸形態(tài)對(duì)河岸穩(wěn)定的影響，通過(guò)分析不同類(lèi)型岸灘邊坡形態(tài)（圖2）的穩(wěn)定狀況，引入岸灘邊坡形態(tài)坡度參數(shù)［16］：

式中：K為岸灘邊坡形態(tài)坡度；K0為直線岸坡的坡度；Δu、Δd分別為岸坡上部凸出或凹進(jìn)的厚度（凹進(jìn)取負(fù)值），即圖2中的EF和HI；Su、Sd分別為岸坡上部凸出或凹進(jìn)部分面積（凹進(jìn)取負(fù)值）；L為直線岸坡的坡長(zhǎng)，即圖2中的AB段；a為岸坡坡度有效系數(shù)。一般說(shuō)來(lái)，岸灘邊坡形態(tài)坡度小于穩(wěn)定坡度時(shí)，岸灘處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)岸灘邊坡形態(tài)坡度介于崩塌坡度和穩(wěn)定坡度之間時(shí)，岸灘處于不穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)岸灘邊坡形態(tài)坡度大于崩塌坡度時(shí)，岸灘崩塌。

圖2　岸灘邊坡形態(tài)類(lèi)型

岸灘邊坡形態(tài)這類(lèi)指標(biāo)現(xiàn)階段還很難用準(zhǔn)確的數(shù)值表示，仍通過(guò)模糊評(píng)判法對(duì)定性指標(biāo)進(jìn)行量化處理，具體方法是根據(jù)相關(guān)專(zhuān)家對(duì)所給定的指標(biāo)按規(guī)定的評(píng)語(yǔ)進(jìn)行評(píng)判，并賦予指標(biāo)隸屬度。指標(biāo)評(píng)語(yǔ)集V為

賦予指標(biāo)評(píng)語(yǔ)的隸屬度集U為

根據(jù)專(zhuān)家對(duì)各個(gè)指標(biāo)不同方案下所給的評(píng)語(yǔ)，按其標(biāo)準(zhǔn)隸屬度進(jìn)行平均，取平均值作為該指標(biāo)的隸屬度。

2.2岸灘穩(wěn)定性影響因子的指標(biāo)量化

為便于分析比較和實(shí)際應(yīng)用，結(jié)合河流岸灘邊坡形態(tài)、土壤特性和水流條件的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了河段土體性質(zhì)和水位變化差異較大的3個(gè)不同河段進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)估，3個(gè)河段分別稱(chēng)為河段1、河段2和河段3。擬定3種河段在不同時(shí)期河岸土壤性質(zhì)、河流動(dòng)力條件和邊界條件所對(duì)應(yīng)的指標(biāo)，如表2所示。

在不同河段河道岸灘安全性綜合評(píng)價(jià)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)定性指標(biāo)和定量指標(biāo)進(jìn)行量化處理，得到層次結(jié)構(gòu)模型中底層各影響因子指標(biāo)的量化值：

式中X1、X2分別為枯水期和洪水期不同河段河道岸灘各影響因子的量化指標(biāo)矩陣。

表2　3個(gè)河段枯水期和洪水期影響指標(biāo)

3　河道岸灘穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)與分析

河道岸灘穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)就是通過(guò)岸灘穩(wěn)定性評(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu)模型和權(quán)重系數(shù)，利用模糊數(shù)學(xué)方法將定性指標(biāo)定量化和定量指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化，進(jìn)而構(gòu)造枯水期和洪水期岸灘穩(wěn)定綜合評(píng)價(jià)函數(shù)，以評(píng)價(jià)河道岸灘穩(wěn)定性。

在確定了岸灘底層各影響指標(biāo)的量化值后，根據(jù)各影響因子指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，可以構(gòu)造河道岸灘穩(wěn)定綜合評(píng)價(jià)函數(shù)，即

式中：G為河道岸灘穩(wěn)定綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)函數(shù)值，G越大，河段穩(wěn)定性越好；xi為底層各影響因子的標(biāo)準(zhǔn)量化值；wi為底層各影響因子對(duì)岸灘安全性作用的權(quán)重；n為底層影響因子的數(shù)量。

對(duì)于枯水期和洪水期的岸灘，已知不同時(shí)期各影響因子的權(quán)重矩陣W1和W2，以及不同河段影響因子的量化指標(biāo)矩陣X1和X2，便可求得枯水期和洪水期河段的河道岸灘穩(wěn)定綜合評(píng)價(jià)函數(shù)Gk和Gh，即

利用公式（11）和（12）計(jì)算枯水期和洪水期3種河段的河道岸灘穩(wěn)定綜合評(píng)價(jià)函數(shù)值，結(jié)果如表3所示。

表3　不同河段河道岸灘穩(wěn)定綜合評(píng)價(jià)函數(shù)值

結(jié)合表1和表2的實(shí)際情況，從表3可以得出：

a.枯水期河段1、河段2和河段3的岸灘穩(wěn)定綜合評(píng)價(jià)函數(shù)值分別為0.830、0.695和0.620，表明河段1最安全，河段2次之，河段3最不安全。3個(gè)河段的土壤性質(zhì)差別較大，河段1土壤性質(zhì)對(duì)應(yīng)的主要影響因子對(duì)岸灘的穩(wěn)定性最有利，河段3土壤性質(zhì)對(duì)應(yīng)的影響因子對(duì)岸灘穩(wěn)定性不利，雖然河段1的沖刷較為嚴(yán)重，其岸灘穩(wěn)定性排序仍為第一位。

b.洪水期河段1、河段2和河段3的岸灘穩(wěn)定綜合評(píng)價(jià)函數(shù)值分別為0.934、0.736和0.548，表明河段1最安全，河段2次之，河段3最不安全。同樣，雖然河段1的沖刷、水位變化和河岸浸泡時(shí)間都較大，但仍不能超過(guò)河岸土壤性質(zhì)的作用，因此河段1的安全性仍然最好；河段3由于按土壤性質(zhì)的安全性較弱，再加上水位變化和河岸浸泡時(shí)間的影響都較大，使河段3的穩(wěn)定性最差。

在利用該方法評(píng)價(jià)河道岸灘穩(wěn)定性時(shí)，需要獲得河岸邊界條件和河流動(dòng)力條件中的8個(gè)影響因子的指標(biāo)值。在實(shí)際河流中，多數(shù)情況沒(méi)有如此全面的岸灘實(shí)測(cè)資料，獲得諸多實(shí)測(cè)資料仍有很大的困難。因此，根據(jù)河道岸灘邊界水流動(dòng)力特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了3種河道岸灘，并擬定了相應(yīng)影響因子的指標(biāo)值，目的是介紹河道岸灘穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的步驟和過(guò)程。目前，河道岸灘穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)方法還沒(méi)有針對(duì)實(shí)際河流岸灘利用實(shí)測(cè)資料進(jìn)行的評(píng)價(jià)和檢驗(yàn)，也就是說(shuō)，該方法若要應(yīng)用于實(shí)際，還有許多工作需要深入研究，這也是我們努力的方向之一。

4　結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合不同時(shí)期影響河道岸灘穩(wěn)定性的主要因素及其差異，利用層次分析法研究了枯水期和洪水期各主要影響因子的作用，根據(jù)岸灘穩(wěn)定性影響因子權(quán)重和無(wú)量綱化指標(biāo)的特點(diǎn)，構(gòu)造了枯水期和洪水期河道岸灘穩(wěn)定綜合評(píng)價(jià)函數(shù)，并對(duì)設(shè)計(jì)的3種不同岸灘河段的穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。鑒于河道岸灘穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)方法還沒(méi)有應(yīng)用于實(shí)際的河道岸灘穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，以后還有許多工作需要深入研究。

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Comprehensive evaluation method for river bank stability

WANG Yangui1，QI Meilan2，JIN Yakun2
（1.International Research and Training Center on Erosion and Sedimentation（IRTCES），Beijing 100048，China；2.School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

In order to evaluate the influences of the bank boundary condition and the river dynamic condition on bank stability，through quantification of qualitative indices and standardization of quantitative indices，comprehensive evaluation functions for bank stability during the dry period and the flood period were created based on the hierarchical framework model and weight coefficients of the factors of bank failures，and a comprehensive evaluation method for bank stability，considering many factors，was put forward.The results of stability evaluation of three reach banks with different soil properties，bank boundary conditions，and river dynamic conditions show that the comprehensive evaluation function and method are suitable for bank stability evaluation.

river；bank stability；bank failure；analytic hierarchy process；comprehensive evaluation method

TV143+.3

A

10067647（2016）05005505

10.3880/j.issn.10067647.2016.05.010

國(guó)家自然科學(xué)基金（511792080）；中國(guó)水利水電科學(xué)研究院科研專(zhuān)項(xiàng)（沙基本科研1438）；“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2012BAB04B02-2）

王延貴（1963—），男，教授級(jí)高級(jí)工程師，博士，主要從事水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)研究。E-mail：wangyg@iwhr.com

（20150628 編輯：熊水斌）