一种波动水位影响下的河岸边坡崩塌预警方法及系统

1.本发明涉及岸坡稳定性模拟技术，尤其是一种波动水位影响下的河岸边坡崩塌预警方法及系统。


背景技术：

2.目前，关于河道崩岸的预警技术及模型主要有崩岸临界高度预测模型、基于稳定坡脚的崩岸预测方法以及美国农业部开发的bstem(bank stability and toe erosion model)模型等等。这些模型及方法主要是针对河道水位变化不大的河段的，没有考虑河道水位起伏引起的岸坡内地下水位线发生波动的现象，因而此类模型具有一定的局限性，不适用于潮汐河口地区等受波动水位影响较大的河岸的边坡崩塌模拟预警。


技术实现要素：

3.发明目的：本发明的一个目的是提供一种波动水位影响下的河岸边坡崩塌预警方法。
4.本发明的另一个目的是提供一种波动水位影响下的河岸边坡崩塌预警系统。
5.技术方案：本发明的一种波动水位影响下的河岸边坡崩塌预警方法，包括以下步骤：
6.收集研究区域的水文资料以及土壤资料；
7.改进bstem模型中地下水计算相关模块，包括改进bstem模型中计算孔隙压力和滑块重力的模块；改进后孔隙压力计算方法为：在每个土层的崩塌面上插入n个坐标点，分别计算每个坐标点处的孔隙压力，最后取其平均值作为地下水在该土层上产生的孔隙压力；改进后滑块重力计算方法为：别计算每层滑块位于饱和区和非饱和区的体积，再根据收集到的每个土层的土壤饱和重度和天然重度数据，对该层滑块所受重力进行精确计算；
8.将改进后的bstem模型与sutra模型耦合为subs模型，即，将sutra模型计算得到的地下水信息传递给改进后的bstem模型使用；
9.使用subs模型对波动水位影响下的河岸边坡的稳定性进行预测分析，实现河岸边坡崩塌预警；包括：subs模型中的sutra部分计算得出预设时间段内，受波动水位影响的岸坡内地下水位线位置变化的数据，并将该数据传递给subs模型中的改进后的bstem部分，改进后的bstem部分使用收集到的岸坡土壤数据、水文数据以及sutra模型传递过来的地下水位线数据计算特定断面在预设时间段内的安全系数fs；当安全系数fs小于1.0时，此时岸坡处于不稳定状态，岸坡会发生崩塌，需要采取相应措施来对其进行加固；当其介于1.0到1.3之间时，岸坡处于条件稳定状态，此时岸坡有崩塌的可能，应加强对该时刻岸坡稳定性的监测；当其大于1.3时，岸坡处于稳定状态，不会发生崩塌。
10.进一步的，收集的水文资料以及土壤资料包括：河道水位、内陆地下水位、岸坡土壤分层情况、各层土壤的有效黏聚力、各层土壤的有效内摩擦角、各层土壤的饱和重度、各层土壤的天然重度、各层土壤的渗透系数以及植被资料。
11.进一步的，改进后孔隙压力计算公式为：
[0012][0013][0014]
其中，μ
wi
为第i层土中的孔隙水压力，μ
wi,j
为第i层土中的第j个坐标点处的孔隙水压力，β
i*
为相关点上方地下水位线坡度，h
i,j
为第i层土中的第j个坐标点与地下水位线之间的垂向高度差，ρ为水的密度，g为重力加速度。
[0015]
进一步的，改进后滑块重力计算公式为：
[0016]
wi＝γ
i satvi sat
+γ
i unsatvi unsat
[0017]
其中，wi为第i层滑块所受重力，v
i sat
为第i层滑块位于饱和区的体积，v
i unsat
为第i层滑块位于非饱和区的体积，γ
i unsat
为第i层土壤天然重度，γ
i sat
为第i层土壤饱和重度。
[0018]
进一步的，针对无悬臂结构的岸坡，其安全系数fs的计算方法为水平层法，计算公式为：
[0019][0020]
其中，i为土层编号，i为土层数量，c
′i为第i层土壤的有效黏聚力，li为崩塌面在第i层土层中的长度，μ
ai
为第i层土层中的孔隙空气压力，μ
wi
为第i层土层中的孔隙水压力，描述第i层土层中基质吸力和抗剪强度之间的关系，wi为第i层滑块所受重力，β为崩塌面角度，α为岸坡角度，pi为岸坡外部水流在第i层土层上产生的静水压力，为第i层土壤的有效内摩擦角。
[0021]
进一步的，针对存在悬臂结构的岸坡，其安全系数fs的计算方法为悬臂剪切崩塌法，计算公式为：
[0022][0023]
其中，i为土层编号，i为土层数量，c
′i为第i层土壤的有效黏聚力，li为崩塌面在第i层土层中的长度，μ
ai
为第i层土层中的孔隙空气压力，μ
wi
为第i层土层中的孔隙水压力，描述第i层土层中的基质吸力和抗剪强度之间的关系，ei为第i层滑块所受重力，α为岸坡角度，pi为岸坡外部水流在第i层土层上产生的静水压力，为第i层土壤的有效内摩擦角。
[0024]
进一步的，针对考虑张拉裂缝的岸坡，其安全系数fs的计算方法为垂向切片法，计算公式为：
[0025][0026]
其中，j为垂向土条编号，j为垂向土条数，nj为第j个垂向土条与相邻垂向土条间的水平条间力，cj′
为第j个垂向土条的土壤有效黏聚力，lj为崩塌面在第j个垂向土条中的长度，μ
aj
为第j个垂向土条底部的孔隙空气压力，μ
wj
为第j个垂向土条底部的孔隙水压力，描述第j个垂向土条底部的基质吸力和抗剪强度之间的关系，β为崩塌面角度，pj为岸坡外部水流在第j个垂向土条上产生的静水压力，为第j个垂向土条的土壤有效内摩擦角。
[0027]
本发明的一种波动水位影响下的河岸边坡崩塌预警系统，包括：
[0028]
数据采集模块，用于收集研究区域的水文资料以及土壤资料；
[0029]
模型构建模块，用于改进bstem模型中地下水计算相关模块，包括改进bstem模型中计算孔隙压力和滑块重力的模块；改进后孔隙压力计算方法为：在每个土层的崩塌面上插入n个坐标点，分别计算每个坐标点处的孔隙压力，最后取其平均值作为地下水在该土层上产生的孔隙压力；改进后滑块重力计算方法为：别计算每层滑块位于饱和区和非饱和区的体积，再根据收集到的每个土层的土壤饱和重度和天然重度数据，对该层滑块所受重力进行精确计算；
[0030]
模型耦合模块，用于将改进后的bstem模型与sutra模型耦合为subs模型，将sutra模型计算得到的地下水信息传递给bstem模型使用；
[0031]
以及预测分析模块，用于使用subs模型对波动水位影响下的河岸边坡的稳定性进行预测分析，实现河岸边坡崩塌预警；包括：subs模型中的sutra部分计算得出预设时间段内，受波动水位影响的岸坡内地下水位线位置变化的数据，并将该数据传递给subs模型中的bstem部分，bstem部分使用收集到的岸坡土壤数据、水文数据以及sutra模型传递过来的地下水位线数据计算特定断面在预设时间段内的安全系数fs；当安全系数fs小于1.0时，此时岸坡处于不稳定状态，岸坡会发生崩塌，需要采取相应措施来对其进行加固；当其介于1.0到1.3之间时，岸坡处于条件稳定状态，此时岸坡有崩塌的可能，应加强对该时刻岸坡稳定性的监测；当其大于1.3时，岸坡处于稳定状态，不会发生崩塌。
[0032]
本发明的一种电子设备，包括存储器和处理器，其中：
[0033]
存储器，用于存储能够在处理器上运行的计算机程序；
[0034]
处理器，用于在运行所述计算机程序时，执行如上述一种波动水位影响下的河岸边坡崩塌预警方法的步骤。
[0035]
本发明的一种存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被至少一个处理器执行时实现如上述一种波动水位影响下的河岸边坡崩塌预警方法的步骤。
[0036]
有益效果：与现有技术相比，本发明的显著技术效果为：本发明以经过多年工程实践检验的sutra模型与bstem模型为核心，构建subs模型，为波动水位影响下的河岸边坡崩塌预警提供了一种新的方法。通过改进现有bstem模型中的孔隙压力的计算方法，并将其与地下水模型sutra耦合为subs模型，可以将岸坡上浸润面的产生以及地下水的累积效应等多种地下水变化过程考虑在内，与现有的崩岸模型相比，subs模型可用于更加复杂的工程
问题。通过改进现有bstem模型中的滑块所受重力的计算方法，使其可在地下水位发生波动的情况下(岸坡内的饱和区和非饱和区时刻都在发生改变)，依然可以精确的计算出滑块所受重力，为subs模型计算结果的准确性提供了保证。在安全系数的计算方法上，subs模型有三种计算方式，分别是水平分层法(适用于无悬臂结构的岸坡)、悬臂剪切崩塌法(适用于存在悬臂结构的岸坡)、垂向切片法(适用于考虑张拉裂缝的岸坡稳定性计算)。
附图说明
[0037]
图1为本发明的方法流程示意图；
[0038]
图2为bstem模型孔隙压力计算示意图；
[0039]
图3为subs模型孔隙压力计算示意图；
[0040]
图4为subs模型滑块重力计算示意图；
[0041]
图5为本发明的subs模型计算流程示意图；
[0042]
图6为本发明的一个测试所选用的岸坡断面图；
[0043]
图7为本发明一个测试的计算结果图；
[0044]
图8为本发明一个测试的计算结果断面图。
具体实施方式
[0045]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0046]
本发明的一种波动水位影响下的河岸边坡崩塌预警方法，包括：收集研究区域的水文资料以及土壤资料；改进bstem模型中地下水计算相关模块；将改进后的bstem模型与sutra模型耦合为subs模型；使用subs模型对波动水位影响下的河岸边坡的稳定性进行预测分析。本发明以sutra模型和bstem模型为核心，二者在国内外经过了多年的工程实践检验，计算结果可靠，可用于受波动水位影响的均质岸坡、复合岸坡等多种形态的岸坡稳定性预测分析，为波动水位影响下的河岸边坡崩塌预警提供了一种新的方法。如图1所示，具体包括以下步骤：
[0047]
s1、收集研究区域的水文资料以及土壤资料；
[0048]
收集的水文资料以及土壤资料，包括：河道水位、内陆地下水位、岸坡土壤分层情况、各层土壤的有效黏聚力、各层土壤的有效内摩擦角、各层土壤的饱和重度、各层土壤的天然重度、各层土壤的渗透系数以及植被资料。
[0049]
s2、改进bstem模型中地下水计算相关模块；
[0050]
现有的bstem模型将岸坡内地下水位线概化为了一条水平线(如图2所示)，而在实际工程中，地下水位线往往是曲线(如图3所示)。在受波动水位影响的河段，由于地下水相对于河道水位存在一定的滞后性，因而此类岸坡内的地下水位线会出现比较明显的波动。因此，为了更加合理、准确的预测此类河岸的稳定性，需要对bstem模型进行改进。使用fortran90编程语言对现有bstem模型进行改进，修改其中计算孔隙压力和滑块重力的模块。
[0051]
孔隙压力算法改进方法如下：
[0052]
现有的bstem模型使用静水压力的计算公式来计算各土层中的孔隙压力，见公式(1)。
[0053]
μ
wi
＝ρghiꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0054]
其中，μ
wi
为第i层土中的孔隙水压力，hi为第i层土的中点(垂向)与地下水之间的水位差，ρ为水的密度，g为重力加速度。如图2所示，其中h1和h3分别为土层一和土层三的中点到地下水位线的距离(h1为负值，h3为正值，对于土层中点高于地下水位的土层，取其负的孔隙水压力作为该土层中的基质吸力)。
[0055]
改进后，在每个土层的崩塌面上插入20个坐标点，分别计算每个坐标点处的孔隙压力，如图3，最后取其平均值作为地下水在该土层上产生的孔隙压力，见公式(2)和(3)。
[0056][0057][0058]
其中，μ
wi
为第i层土中的孔隙水压力，μ
wi,j
为第i层土中的第j个坐标点处的孔隙水压力，为相关点上方地下水位线坡度，h
i,j
为第i层土中的第j个坐标点与地下水位线之间的垂向高度差，ρ为水的密度，g为重力加速度。
[0059]
滑块重力算法改进方法如下：
[0060]
现有的bstem模型需要用户输入各土层的土体特性，如土壤的饱和重度等，并根据经验公式计算其天然重度，见公式(4)。最后，根据各土层的重度及滑块体积，计算各层滑块受到的重力(对于土层中点位于地下水位之上的，该土层视为其处于非饱和状态，反之则视为其处于饱和状态，分别取其天然重度和饱和重度计算该土层滑块重力)，见公式(5)。
[0061]
γ
unsat
＝γ
sat-kψ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0062][0063]
其中，γ
unsat
为土壤天然重度，γ
i unsat
为第i层土壤的天然重度，γ
sat
为土壤饱和重度，γ
i sat
为第i层土壤的饱和重度，k为折减系数取0.063，ψ为该土层基质吸力，wi为第i层滑块所受重力，vi为第i层滑块体积，eli为第i层土体中点高程，wt为地下水位高程。
[0064]
改进后，分别计算每层滑块位于饱和区和非饱和区的体积，如图4所示，再根据收集到的每个土层的土壤饱和重度和天然重度数据，对该层滑块所受重力进行精确计算，见公式(6)。
[0065]
wi＝γ
i satvi sat
+γ
i unsatvi unsat
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0066]
其中，wi为第i层滑块所受重力，v
i sat
为第i层滑块位于饱和区的体积，v
i unsat
为第i层滑块位于非饱和区的体积，γ
i unsat
为第i层土壤天然重度，γ
i sat
为第i层土壤饱和重度。
[0067]
s3、将改进后的bstem模型与sutra模型耦合为subs模型；
[0068]
使用“串联模型”的方式将sutra模型与改进后的bstem模型耦合。即：
①
初始化sutra模型；
②
运行sutra模型，并将sutra模型计算得到的地下水数据传递给改进后的bstem模型；
③
根据sutra模型传递而来的水位数据等信息，初始化bstem模型；
④
运行改进后的bstem模型，计算得到一定时间序列上的边坡安全系数(安全系数的计算方式可根据实
际情况，采用水平分层法、悬臂剪切崩塌法以及垂向切片法中的一种)。
[0069]
s4、使用subs模型对波动水位影响下的河岸边坡的稳定性进行预测分析，可以计算得到一定时间段内，岸坡稳定性变化过程。即，通过对边坡安全系数fs的观察来判断边坡的稳定情况。安全系数大于1.3时，认为边坡是稳定的；安全系数介于1.0到1.3之间时，认为其处于条件稳定状态，此时边坡有崩塌的可能；安全系数小于1.0时，认为该边坡为不稳定边坡，会发生崩塌。当模拟结果显示，某一时刻的边坡安全系数小于1.0时，说明该时刻边坡不稳定，需要采取相应措施来对其进行加固；当某一时刻边坡安全系数介于1.0到1.3之间时，边坡处于条件稳定状态，应加强对该时刻岸坡稳定性的监测；安全系数大于1.3时，边坡处于稳定状态。
[0070]
如图5所示，subs模型中的sutra部分计算得出一定时间段内，受波动水位影响的岸坡内地下水位线位置变化的数据，并将该数据传递给subs模型中的bstem部分。bstem部分使用sutra模型传递过来的地下水位线数据计算特定断面在一定时间段内的安全系数fs。安全系数的计算方法有三种，分别是水平层法、悬臂剪切崩塌法以及垂向切片法，分别见公式(7)、(8)、(9)。在模型计算过程中，可以根据实际需要自行确定使用何种方法进行安全系数的计算，其中水平层法适用于无悬臂结构的岸坡、悬臂剪切崩塌法适用于存在悬臂结构的岸坡、垂向切片法适用于考虑张拉裂缝的岸坡稳定性计算。
[0071][0072][0073][0074]
其中，i为土层编号，i为土层数量，c
′i为第i层土壤的有效黏聚力，li为崩塌面在第i层土层中的长度，μ
ai
为第i层土层中的孔隙空气压力，μ
wi
为第i层土层中的孔隙水压力，描述第i层土层中基质吸力和抗剪强度之间的关系，wi为第i层滑块所受重力，β为崩塌面角度，α为岸坡角度，pi为岸坡外部水流在第i层土层上产生的静水压力，为第i层土壤的有效内摩擦角，j为垂向土条编号，j为垂向土条数，nj为第j个垂向土条与相邻垂向土条间的水平条间力，c
′j为第j个垂向土条的土壤有效黏聚力，lj为崩塌面在第j个垂向土条中的长度，μ
aj
为第j个垂向土条底部的孔隙空气压力，μ
wj
为第j个垂向土条底部的孔隙水压力，描述第j个垂向土条底部的基质吸力和抗剪强度之间的关系，pj为岸坡外部水流在第j个垂向土条上产生的静水压力，为第j个垂向土条的土壤有效内摩擦角。
[0075]
本发明通过改进bstem模型中关于地下水计算有关模块，使其可以模拟岸坡内地
下水位线随河道水位起伏而发生波动的现象，并将其与sutra模型耦合为subs模型，实现了对波动水位影响下的河岸边坡崩塌预警。
[0076]
此外，本发明通过一组测试开展了方法可靠性与实用性验证。详情如下：
[0077]
假定内陆地下水恒定水头为5.0m；河口潮位在2.5m到5.5m之间波动。测试采用的岸坡断面形态如图6所示，为7.0m厚的均质砂土(为了使计算结果更加精确，将岸坡分为5层，从上至下其厚度分别为1.0m、1.0m、1.0m、2.0m、2.0m)。各层土体的力学指标如表1所示。
[0078]
表1数值模拟采用的土体力学指标(均质岸坡)
[0079][0080]
模拟结果如附图7所示，为一个潮汐周期内该岸坡的稳定性变化情况。可见在涨潮阶段，岸坡的安全系数同步升高，而在落潮阶段，岸坡的安全系数同步降低，这与以往研究结论保持高度一致，说明了本发明具有较好的可靠性与实用性。图8为subs模型在本次模拟测试中输出的某一时刻的岸坡稳定性分析结果。其中灰白色和灰色区域分别表示岸坡内饱和区以及非饱和区；虚线表示最危险滑动面，即最有可能发生崩塌的潜在崩塌面；并且在图8的上方标识了当前时刻以及相应的安全系数等信息。
[0081]
本发明的一种波动水位影响下的河岸边坡崩塌预警系统，包括：
[0082]
数据采集模块，用于收集研究区域的水文资料以及土壤资料；
[0083]
模型构建模块，用于改进bstem模型中地下水计算相关模块，包括改进bstem模型中计算孔隙压力和滑块重力的模块；改进后孔隙压力计算方法为：在每个土层的崩塌面上插入n个坐标点，分别计算每个坐标点处的孔隙压力，最后取其平均值作为地下水在该土层上产生的孔隙压力；改进后滑块重力计算方法为：别计算每层滑块位于饱和区和非饱和区的体积，再根据收集到的每个土层的土壤饱和重度和天然重度数据，对该层滑块所受重力进行精确计算；
[0084]
模型耦合模块，用于将改进后的bstem模型与sutra模型耦合为subs模型，将sutra模型计算得到的地下水信息传递给bstem模型使用；
[0085]
以及预测分析模块，用于使用subs模型对波动水位影响下的河岸边坡的稳定性进行预测分析，实现河岸边坡崩塌预警；包括：subs模型中的sutra部分计算得出预设时间段内，受波动水位影响的岸坡内地下水位线位置变化的数据，并将该数据传递给subs模型中的bstem部分，bstem部分使用收集到的岸坡土壤数据、水文数据以及sutra模型传递过来的地下水位线数据计算特定断面在预设时间段内的安全系数fs；当安全系数fs小于1.0时，此时岸坡处于不稳定状态，岸坡会发生崩塌，需要采取相应措施来对其进行加固；当其介于1.0到1.3之间时，岸坡处于条件稳定状态，此时岸坡有崩塌的可能，应加强对该时刻岸坡稳定性的监测；当其大于1.3时，岸坡处于稳定状态，不会发生崩塌。
[0086]
本发明的一种电子设备，包括存储器和处理器，其中：
[0087]
存储器，用于存储能够在处理器上运行的计算机程序；
[0088]
处理器，用于在运行所述计算机程序时，执行如上述一种波动水位影响下的河岸边坡崩塌预警方法的步骤，并能达到上述方法一致的技术效果。
[0089]
本发明的一种存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被至少一个处理器执行时实现如上述一种波动水位影响下的河岸边坡崩塌预警方法的步骤，并能达到上述方法一致的技术效果。

技术特征：
1.一种波动水位影响下的河岸边坡崩塌预警方法，其特征在于，包括以下步骤：收集研究区域的水文资料以及土壤资料；改进bstem模型中地下水计算相关模块，包括改进bstem模型中计算孔隙压力和滑块重力的模块；改进后孔隙压力计算方法为：在每个土层的崩塌面上插入n个坐标点，分别计算每个坐标点处的孔隙压力，最后取其平均值作为地下水在该土层上产生的孔隙压力；改进后滑块重力计算方法为：别计算每层滑块位于饱和区和非饱和区的体积，再根据收集到的每个土层的土壤饱和重度和天然重度数据，对该层滑块所受重力进行精确计算；将改进后的bstem模型与sutra模型耦合为subs模型，即，将sutra模型计算得到的地下水信息传递给改进后的bstem模型使用；使用subs模型对波动水位影响下的河岸边坡的稳定性进行预测分析，实现河岸边坡崩塌预警；包括：subs模型中的sutra部分计算得出预设时间段内，受波动水位影响的岸坡内地下水位线位置变化的数据，并将该数据传递给subs模型中的改进后的bstem部分，改进后的bstem部分使用收集到的岸坡土壤数据、水文数据以及sutra模型传递过来的地下水位线数据计算特定断面在预设时间段内的安全系数f
s
；当安全系数f
s
小于1.0时，此时岸坡处于不稳定状态，岸坡会发生崩塌，需要采取相应措施来对其进行加固；当其介于1.0到1.3之间时，岸坡处于条件稳定状态，此时岸坡有崩塌的可能，应加强对该时刻岸坡稳定性的监测；当其大于1.3时，岸坡处于稳定状态，不会发生崩塌。2.根据权利要求1所述的一种波动水位影响下的河岸边坡崩塌预警方法，其特征在于，收集的水文资料以及土壤资料包括：河道水位、内陆地下水位、岸坡土壤分层情况、各层土壤的有效黏聚力、各层土壤的有效内摩擦角、各层土壤的饱和重度、各层土壤的天然重度、各层土壤的渗透系数以及植被资料。3.根据权利要求1所述的一种波动水位影响下的河岸边坡崩塌预警方法，其特征在于，改进后孔隙压力计算公式为：改进后孔隙压力计算公式为：其中，μ
wi
为第i层土中的孔隙水压力，μ
wi,j
为第i层土中的第j个坐标点处的孔隙水压力，β
i*
为相关点上方地下水位线坡度，h
i,j
为第i层土中的第j个坐标点与地下水位线之间的垂向高度差，ρ为水的密度，g为重力加速度。4.根据权利要求1所述的一种波动水位影响下的河岸边坡崩塌预警方法，其特征在于，改进后滑块重力计算公式为：w
i
＝γ
i satvi sat
+γ
i unsatvi unsat
其中，w
i
为第i层滑块所受重力，v
i sat
为第i层滑块位于饱和区的体积，v
i unsat
为第i层滑块位于非饱和区的体积，γ
i unsat
为第i层土壤天然重度，γ
i sat
为第i层土壤饱和重度。5.根据权利要求1所述的一种波动水位影响下的河岸边坡崩塌预警方法，其特征在于，针对无悬臂结构的岸坡，其安全系数f
s
的计算方法为水平层法，计算公式为：
其中，i为土层编号，i为土层数量，c
′
i
为第i层土壤的有效黏聚力，l
i
为崩塌面在第i层土层中的长度，μ
ai
为第i层土层中的孔隙空气压力，μ
wi
为第i层土层中的孔隙水压力，描述第i层土层中基质吸力和抗剪强度之间的关系，w
i
为第i层滑块所受重力，β为崩塌面角度，α为岸坡角度，p
i
为岸坡外部水流在第i层土层上产生的静水压力，为第i层土壤的有效内摩擦角。6.根据权利要求1所述的一种波动水位影响下的河岸边坡崩塌预警方法，其特征在于，针对存在悬臂结构的岸坡，其安全系数f
s
的计算方法为悬臂剪切崩塌法，计算公式为：其中，i为土层编号，i为土层数量，c
i
′
为第i层土壤的有效黏聚力，l
i
为崩塌面在第i层土层中的长度，μ
ai
为第i层土层中的孔隙空气压力，μ
wi
为第i层土层中的孔隙水压力，描述第i层土层中的基质吸力和抗剪强度之间的关系，w
i
为第i层滑块所受重力，α为岸坡角度，p
i
为岸坡外部水流在第i层土层上产生的静水压力，为第i层土壤的有效内摩擦角。7.根据权利要求1所述的一种波动水位影响下的河岸边坡崩塌预警方法，其特征在于，针对考虑张拉裂缝的岸坡，其安全系数f
s
的计算方法为垂向切片法，计算公式为：其中，j为垂向土条编号，j为垂向土条数，n
j
为第j个垂向土条与相邻垂向土条间的水平条间力，c
j
′
为第j个垂向土条的土壤有效黏聚力，l
j
为崩塌面在第j个垂向土条中的长度，μ
aj
为第j个垂向土条底部的孔隙空气压力，μ
wj
为第j个垂向土条底部的孔隙水压力，描述第j个垂向土条底部的基质吸力和抗剪强度之间的关系，β为崩塌面角度，p
j
为岸坡外部水流在第j个垂向土条上产生的静水压力，为第j个垂向土条的土壤有效内摩擦角。8.一种波动水位影响下的河岸边坡崩塌预警方法及系统，其特征在于，包括：数据采集模块，用于收集研究区域的水文资料以及土壤资料；模型构建模块，用于改进bstem模型中地下水计算相关模块，包括改进bstem模型中计算孔隙压力和滑块重力的模块；改进后孔隙压力计算方法为：在每个土层的崩塌面上插入n个坐标点，分别计算每个坐标点处的孔隙压力，最后取其平均值作为地下水在该土层上产生的孔隙压力；改进后滑块重力计算方法为：别计算每层滑块位于饱和区和非饱和区的体积，再根据收集到的每个土层的土壤饱和重度和天然重度数据，对该层滑块所受重力进行
精确计算；模型耦合模块，用于将改进后的bstem模型与sutra模型耦合为subs模型，将sutra模型计算得到的地下水信息传递给bstem模型使用；以及预测分析模块，用于使用subs模型对波动水位影响下的河岸边坡的稳定性进行预测分析，实现河岸边坡崩塌预警；包括：subs模型中的sutra部分计算得出预设时间段内，受波动水位影响的岸坡内地下水位线位置变化的数据，并将该数据传递给subs模型中的bstem部分，bstem部分使用收集到的岸坡土壤数据、水文数据以及sutra模型传递过来的地下水位线数据计算特定断面在预设时间段内的安全系数f
s
；当安全系数f
s
小于1.0时，此时岸坡处于不稳定状态，岸坡会发生崩塌，需要采取相应措施来对其进行加固；当其介于1.0到1.3之间时，岸坡处于条件稳定状态，此时岸坡有崩塌的可能，应加强对该时刻岸坡稳定性的监测；当其大于1.3时，岸坡处于稳定状态，不会发生崩塌。9.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器，其中：存储器，用于存储能够在处理器上运行的计算机程序；处理器，用于在运行所述计算机程序时，执行如权利要求1-7任一项所述一种波动水位影响下的河岸边坡崩塌预警方法的步骤。10.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被至少一个处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述一种波动水位影响下的河岸边坡崩塌预警方法的步骤。

技术总结
本发明的一种波动水位影响下的河岸边坡崩塌预警方法及系统，包括：收集研究区域的水文资料以及土壤资料；改进BSTEM模型中地下水计算相关模块；将改进后的BSTEM模型与SUTRA模型耦合为SUBS模型，将SUTRA模型计算得到的地下水信息传递给BSTEM模型使用；使用SUBS模型对波动水位影响下的河岸边坡的稳定性进行预测分析，实现河岸边坡崩塌预警。本发明将改进后的BSTEM模型与SUTRA模型耦合为SUBS模型，可用于受波动水位影响的均质岸坡、复合岸坡等多种形态的岸坡稳定性预测分析，为波动水位影响下的河岸边坡崩塌预警提供了一种新的方法。下的河岸边坡崩塌预警提供了一种新的方法。下的河岸边坡崩塌预警提供了一种新的方法。


技术研发人员：孔俊 周侗 朱杭勇 常钰章
受保护的技术使用者：河海大学
技术研发日：2023.05.30
技术公布日：2023/8/13