一种天然石块构成型多级阶梯-深潭消能系统设计方法

摘要

本发明涉及一种天然石块构成型多级阶梯‑深潭消能系统设计方法，该方法通过对目标河道的地形数据或现场勘查结果确定控制性断面作为人工阶梯的摆放位置，并根据计算的人工阶梯平均间距确定各级阶梯位置，再通过计算得到设计洪水流量条件下的冲刷深度和深潭中的冲刷坑长度，使用阶梯‑深潭破坏的临界冲刷深度作为结构单元稳定性要求的量化指标，当超过临界冲刷深度时，通过缩小人工阶梯平均间距来增加人工阶梯数量以提高整体稳定性，最后经逐级迭代计算得到各级阶梯处的水流流速和水深，完成水流能量分布计算，本发明提供了兼顾结构自身稳定要求和消耗水流能量需求的综合设计方法，适用于实际山区河流生态修复和山洪防治工程项目。

说明书

技术领域

本发明涉及山区河流山洪灾害防治及山区河流生态修复技术领域，具体涉及一种天然石块构成型多级阶梯-深潭消能系统设计方法。

背景技术

目前，山洪灾害是我国山地灾害的主要类型之一，数据显示，由山洪灾害造成的死亡人数占洪涝灾害死亡人数的70％左右，由此可知，山洪灾害已成为我国严重威胁公共安全的自然灾害，严重制约当地社会经济发展，因此，山洪灾害治理以及山区河流生态修复需求已经变得越发旺盛。

山区河流天然发育河床结构有对抗洪水过程冲刷的作用，而阶梯-深潭结构是大比降(坡度>3％)山区河流普遍发育的代表性河床结构。天然阶梯-深潭结构通过石块自组织形成，阶梯结构一般横跨整个河宽，阶梯石块互锁，而阶梯下游因局部冲刷形成深潭，深潭通过水跃消耗水流能量，水流入射深潭时的动能通过水跃转化为紊动能，最终转变为热能耗散。天然形成的阶梯-深潭结构因为可以有效消耗水流能量，从而增大河床阻力，起到稳定河床、控制下切和边岸侵蚀的效果。同时，水流流经阶梯-深潭结构时先后出现射流、水跃等多种流态，水流流速、水深、紊动分布在阶梯和深潭处均呈现明显差异，提供了丰富多样的水力条件并影响泥沙分选从而提供多样的河床底质条件。因此，阶梯-深潭河道可提供较稳定且丰富的水生生物栖息地，生物多样性也显著高于坡度相似但没有阶梯-深潭结构发育的山区河流。

基于上述优点，已有模拟天然阶梯-深潭形态的人工阶梯-深潭系统应用于山区河流河道稳定及生态修复领域。通过人为对河道自身的大石块重新排布构造人工阶梯，在汛期自发冲刷形成深潭，从而形成接近天然阶梯-深潭形态的人工阶梯-深潭系统，消耗水流能量，稳定河床，控制下切，并提高当地水生生态多样性。但是，这些尝试在设计阶段仅使用了最大阻力假设，估算了河段平均的阶梯高度和间距，而最大阻力假设在世界范围内是极具争议的，后续研究表明其在很多天然阶梯-深潭系统中并不成立。因此，之前的人工阶梯-深潭系统修建尝试多为经验性的，局地性明显，并非基于对天然阶梯-深潭形成、稳定和破坏机理认识的，经验难以复制，从而极大限制了利用天然石块修建的人工阶梯-深潭系统在河流修复领域的应用。

已有一些专利技术尝试对人工阶梯-深潭规范化以扩展应用，比如，中国发明专利申请公开号CN109577283A公开了一种人工阶梯深潭单元、深潭组群及其在改善自然河流生境中的应用，人工阶梯深潭单元是由5～10个梯形体结构沿其长度方向紧固连接得到，人工阶梯深潭群组是阶梯深潭单元按鱼鳞状交错摆放于河道中，该应用适用于河宽较大、坡度较小的山区河流，无法应用于坡度较陡河宽较小的山区河流。而且，其设计阶梯宽度远小于河宽，是河道中一个孤立的阻力单元，影响的宽度范围十分有限，并非地貌及河床演变领域明确定义的阶梯-深潭形态(需横跨整个河宽)；且该专利申请并未给出其设计的科学依据，也未对人工阶梯单元的稳定性、抗洪标准进行量化，限制了其在山区河流复杂洪水条件下的应用。

比如，中国实用新型专利授权公告号CN209836921U公开了用于山区减脱水河道修复的防渗型阶梯-深潭系统，通过在砂卵质河床上构建兼具防渗、蓄水性能的阶梯-深潭系统，可为山区减脱水河道内鱼类等水生生物提供基本的避难场所，其阶梯-深潭形态参数没有考虑天然河床坡降的影响，而坡降对阶梯-深潭的形态演变、稳定性等方面均有显著影响，而且该专利也没有考虑陡涨陡落的山洪过程对结构稳定和安全的可能影响。

再比如，中国发明专利申请公开号CN103696403A公开了一种阶梯-深潭结构型泥石流排导槽及其应用，其排导槽槽底包括若干按一定间距设置的全衬砌的阶梯段和充填于上下游阶梯段之间的深潭段，其底板为钢筋混凝土结构，阶梯-深潭形状规则，与天然阶梯-深潭在外观上相似性较低，用于排导泥石流，主要是考虑泥石流调控要求，针对山洪条件考虑较少，且无生态修复功能。

综上所述，可以看出：1、传统基于混凝土的山区河流防洪工程(如拦挡坝系、堤岸或排导槽)生态友好性较差，对河流阻断效应明显，大幅降低河道连续性。可能阻断鱼类洄游和其它水生生物生境，不利于维持河道生态系统多样性。而且，传统混凝土治理工程建造、维护成本较高，修建之后与当地自然景观也格格不入。2、现有人工阶梯-深潭系统尚无依托已有科学认识的系统设计方法，仅依靠粗糙地貌经验关系确定阶梯距离和高度，地域局限性强，而近十年来对阶梯-深潭系统的演变和稳定规律、破坏阈值的科学认识并没有整合到设计体系中。3、现有人工阶梯-深潭系统设计方法不考虑地貌和水力耦合演变作用，只给阶梯的排列方法，但无法在设计阶段给出山洪条件下该种阶梯排列形式对应的水力特性，难以评估设计是否满足山区河流消能、防洪及生态需求(如鱼类洄游需求)。现有设计方法也无法在设计阶段评估人工阶梯-深潭系统是否可以在设计洪水标准下维持稳定，而人工阶梯-深潭结构一旦破坏可能引发附加灾害。

发明内容

为解决现有人工阶梯-深潭系统设计方法的诸多欠缺及不足的问题，本发明提供了一种天然石块构成型多级阶梯-深潭消能系统设计方法，从天然阶梯-深潭在洪水过程中地貌-水力耦合演变机理出发，考虑河道坡降因素来确定阶梯位置并基于计算的人工阶梯的形貌落差确定冲刷形态，还设置结构单元稳定性要求的量化指标，结合各阶梯水流能量损失和比能的迭代计算得到水流能量分布，提供兼顾结构自身稳定要求和消耗水流能量需求的综合设计方法，适用于实际山区河流生态修复和山洪防治工程项目。

本发明的技术方案如下：

一种天然石块构成型多级阶梯-深潭消能系统设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

确定阶梯位置步骤：通过目标河道的地形数据或现场勘查结果确定目标河段的平摊河宽沿程分布特点，包括确定河段的宽窄程度、河道坡降、平均平滩河宽以及沿水流方向的距离，根据河段的宽窄程度确定控制性断面作为人工阶梯的摆放位置；并根据河道坡降和平均平滩河宽计算得到人工阶梯平均间距，当河段的控制性断面之间沿水流方向的距离超过平均平滩河宽，按计算的人工阶梯平均间距对河段的控制性断面之间的河段进行内插人工阶梯以确定各级阶梯位置；

确定冲刷形态步骤：通过计算设计洪水条件下冲淤平衡状态的河床坡降来计算得到人工阶梯的形貌落差，基于计算得到的人工阶梯的形貌落差并结合各级阶梯处的水流比能、泥沙分选系数和人工阶梯平均间距，计算得到各级人工阶梯在设计洪水流量条件下的下游冲刷深度；并基于计算得到的人工阶梯的形貌落差结合阶梯处的所述水流比能计算得到深潭中的冲刷坑长度；

确定稳定性步骤：使用阶梯--深潭破坏的临界冲刷深度作为结构单元稳定性要求的量化指标，当确定冲刷形态步骤计算得到的各级人工阶梯在设计洪水流量条件下的冲刷深度超过了所述临界冲刷深度，则通过缩小人工阶梯平均间距来增加人工阶梯数量以提高整体稳定性；

水流能量分布计算步骤：基于各级人工阶梯上的水流比能和各级阶梯处的设计洪水流量经逐级迭代计算得到各级阶梯处的水流流速和水深，进而完成水流能量分布计算。

优选地，所述确定阶梯位置步骤中根据河段的宽窄程度确定控制性断面作为人工阶梯的摆放位置是指：选择河道拥堵系数低于阈值的河段为平摊河宽较窄处，将所述平摊河宽较窄处的较窄断面作为人工阶梯摆放位置；所述控制性断面为较窄断面。

优选地，所述阈值为5，选择河道拥堵系数小于等于5的河段为平摊河宽较窄处，并从所述平摊河宽较窄处的较窄断面中确定是否为束窄断面，将束窄断面作为人工阶梯摆放位置；所述控制性断面为较窄断面或束窄断面。

优选地，所述确定阶梯位置步骤中所述河道拥堵系数通过平滩河宽与大于当地95％粒径颗粒的石块粒径比值得到，在各级阶梯位置确定后，将石块沿与水流方向垂直的直线方向排列作为各级阶梯，且所述石块在每一级阶梯布置时彼此接触，并将最大的石块布置在人工阶梯中部以及两岸。

优选地，所述确定冲刷形态步骤中所述水流比能是先通过山区河流水流阻力计算公式得到人工阶梯-深潭河段入口处的水流比能，并基于所述的水流比能计算得到的相应的冲刷深度来计算得到第一级阶梯消能率，再计算得到第一级水流能量损失，通过迭代计算得到第二级以及后续各级阶梯处的水流比能。

优选地，所述确定冲刷形态步骤是通过设计洪水流量和阶梯宽度计算得到各级人工阶梯的临界水深，并利用阶梯-深潭消能率数据库通过各级冲刷深度和各级人工阶梯的临界水深计算得到各级消能率，再通过各级消能率和冲刷深度计算得到各级水流能量损失，基于各级水流能量损失和各级阶梯落差计算得到各级水流比能。

优选地，所述确定冲刷形态步骤中还将所述冲刷坑长度去与人工阶梯平均间距和阶梯关键石块粒径的差值相比较判断是否存在梯面，且由所述冲刷坑长度、阶梯平均间距和阶梯关键石块粒径计算得到梯面的长度。

优选地，所述确定冲刷形态步骤中所述冲刷深度为所述人工阶梯顶部到深潭底部的距离。

优选地，所述水流能量分布计算步骤在计算得到各级阶梯处的水流流速和水深后，还根据各级阶梯的水流比能和水流流速判断出河宽较窄且威胁结构长期稳定的阶梯，并将此处阶梯的宽度增大，并再次进行各阶梯的水流能量分布计算，直至各级阶梯处的水流比能、流速和水深沿程分布均匀。

优选地，所述水流能量分布计算步骤的水流能量分布计算是指计算各级阶梯的水流能量指标的沿程分布，所述各级阶梯的水流能量指标包括各级阶梯处的水流总能量、水流比能、水流动能和/或水流能量损失。

本发明的有益效果为：

本发明提供的一种天然石块构成型多级阶梯-深潭消能系统设计方法，依次设置确定阶梯位置步骤、确定冲刷形态步骤、确定稳定性步骤和水流能量分布计算步骤，各步骤相互配合协同工作，在确定阶梯位置步骤包括确定控制性断面和确定阶梯平均间距，其考虑到了河道坡降因素所带来的影响，并在河段的控制性断面之间沿水流方向的距离超过平均平滩河宽时按计算的人工阶梯平均间距对河段的控制性断面之间的河段进行内插人工阶梯以确定各级阶梯位置，为后续阶梯-深潭的形态演变、稳定性等方面提供了基础前提；在各阶梯位置确定后，采用天然石块构成型作为各级阶梯，与天然阶梯-深潭在外观上相似性高，解决了传统基于混凝土的山区河流防洪工程设置排导槽生态友好性较差，对河流阻断效应明显并大幅降低河道连续性的问题；基于计算的人工阶梯的形貌落差确定冲刷形态，综合考虑了阶梯下游冲刷坑的形态受河床级配、流量、阶梯之间的高差和水平距离及洪水期泥沙输移影响因素，计算得到各级人工阶梯在设计洪水流量条件下的冲刷深度以及深潭中的冲刷坑长度；在深潭冲刷达到一定深度以后，阶梯将不可避免发生破坏，因此设置确定稳定性步骤使用阶梯-深潭破坏的临界冲刷深度作为结构单元稳定性要求的量化指标，当确定冲刷形态步骤计算得到的各级人工阶梯在设计洪水流量条件下的冲刷深度超过了所述临界冲刷深度，则通过缩小人工阶梯平均间距来增加人工阶梯数量以提高整体稳定性，并结合水流能量分布计算步骤进行各阶梯水流能量损失及比能的迭代计算得到水流能量分布，在设计中体现人工阶梯-深潭消能系统干预下水流能量的沿程分布，以确定阶梯-深潭结构通过消耗水流能量起到稳定河床的作用，实现天然石块构成型多级阶梯-深潭消能系统的精确设计，从天然阶梯-深潭在洪水过程中地貌-水力耦合演变机理出发，基于深潭局部冲刷理论、稳定和破坏理论及阶梯-深潭消能率量化方法，提供兼顾结构自身稳定要求和消耗水流能量需求的多级利用天然石块构成的阶梯-深潭系统的综合设计方法，适用于实际山区河流生态修复和山洪防治工程项目。

本发明上述的天然石块构成型多级阶梯-深潭消能系统设计方法，基于天然阶梯-深潭的冲刷过程、稳定和破坏机制及消能特点，得到了阶梯-深潭系统在设计洪水条件下的地貌形态和水流能量沿程分布的计算方法，并给出了保持结构稳定的临界条件确定方法，使用阶梯--深潭破坏的临界冲刷深度作为结构单元稳定性要求的量化指标，首次系统提出综合考虑阶梯-深潭结构稳定和消能效果的设计方法，计算过程科学简便，参数物理意义明确，且容易通过高精度地形模型或者野外实际勘查获得，各级阶梯具体结构简单明了，就地取材，易于施工，建设成本低廉，在保障结构体系稳定的前提下可持久正常发挥功能，后期维护成本较低，利用天然石块构成的人工阶梯-深潭系统外观与山区河流自然景观保持一致，融入度高，且维持了河流的连通性、塑造丰富多样的水生栖息地，有利于当地河流生态的恢复。

附图说明

图1为本发明天然石块构成型多级阶梯-深潭消能系统设计方法的流程图。

图2为本发明人工阶梯系统初步布置之后形态侧视图。

图3为本发明人工阶梯系统在经历洪水前形态俯视图。

图4为本发明阶梯-深潭系统在设计洪水中冲刷稳定后预测形态侧视图。

本发明的附图标号列示如下：

1—人工阶梯，2—深潭，3—梯面，4—岸石，5—石块。

具体实施方式

为了更清楚的理解该发明的内容，将结合附图和实施例详细说明。

本发明涉及的一种天然石块构成型多级阶梯-深潭消能系统设计方法，其流程如图1所示，包括：确定阶梯位置步骤，通过目标河道的地形数据或现场勘查结果确定目标河段的平摊河宽沿程分布特点，包括确定河段的宽窄程度、河道坡降、平均平滩河宽以及沿水流方向的距离，根据河段的宽窄程度确定较窄断面作为人工阶梯的摆放位置；并根据河道坡降和平均平滩河宽计算得到人工阶梯平均间距，当河段的较窄断面之间沿水流方向的距离超过平均平滩河宽，按计算的人工阶梯平均间距对河段的较窄断面之间的河段进行内插人工阶梯以确定各级阶梯位置；确定冲刷形态步骤，通过计算设计洪水条件下冲淤平衡状态的河床坡降来计算得到人工阶梯的形貌落差，基于计算得到的人工阶梯的形貌落差并结合各级阶梯处的水流比能、泥沙分选系数和人工阶梯平均间距，计算得到各级人工阶梯在设计洪水流量条件下的下游冲刷深度；并基于计算得到的人工阶梯的形貌落差结合阶梯处的所述水流比能计算得到深潭中的冲刷坑长度；确定稳定性步骤，使用阶梯--深潭破坏的临界冲刷深度作为结构单元稳定性要求的量化指标，当确定冲刷形态步骤计算得到的各级人工阶梯在设计洪水流量条件下的冲刷深度超过了所述临界冲刷深度，则通过缩小人工阶梯平均间距来增加人工阶梯数量以提高整体稳定性；水流能量分布计算步骤，基于各级人工阶梯上的水流比能和各级阶梯处的设计洪水流量经逐级迭代计算得到各级阶梯处的水流流速和水深，进而完成水流能量分布计算。本发明基于天然阶梯-深潭的冲刷过程、稳定和破坏机制及消能特点，提供兼顾结构自身稳定要求和消耗水流能量需求的多级利用天然石块构成的阶梯-深潭系统的综合设计方法，适用于实际山区河流生态修复和山洪防治工程项目。

一、具体地，在确定阶梯位置步骤中，可理解为包括确定控制性断面步骤和确定阶梯平均间距步骤。

确定控制性断面步骤：通过目标河道的高分辨率三维地形数据或现场勘查结果，确定目标河段的平摊河宽沿程分布特点，选择河道拥堵系数低于阈值的河段为平摊河宽较窄处，将该平摊河宽较窄处的较窄断面作为人工阶梯的可能摆放位置，此时的控制性断面即为较窄断面。更进一步地，阈值优选为5，选择河道拥堵系数小于等于5的河段为平摊河宽较窄处，在此处作为人工阶梯的摆放位置，河道拥堵系数表达式为：

W

上式中，W

在河道拥堵系数小于等于5且从平摊河宽较窄处的较窄断面中确定其是否为束窄断面(即河段是不是收窄)，将束窄断面优选作为人工阶梯摆放位置，其表达式为：

上式中，Δx为沿水流方向的一个较小距离，如0.5m，ΔW

确定阶梯平均间距步骤：根据河道坡降和平均平滩河宽计算得到人工阶梯平均间距，也就是说，沿水流方向的阶梯平均分布距离按下式计算，该式基于世界范围的阶梯-深潭地貌数据得到：

L

上式中，S为河道坡降，(W

当河段的较窄断面或者束窄断面之间的沿水流方向的距离如果超过平均平滩河宽，按公式(3)计算的人工阶梯平均间距对河段的较窄断面或束窄断面之间进行内插人工阶梯以确定各级阶梯位置。

在各级阶梯位置确定后，使用D

各级阶梯位置和基本形式确定后，其宽度、间距、粒径和落差z(相邻两级阶梯顶部高程差)就均已确定。

二、在确定冲刷形态步骤中，阶梯下游冲刷坑的形态受河床级配、流量、阶梯之间的高差和水平距离及洪水期泥沙输移影响，式(4)综合考虑了前述因素，因此作为计算各级阶梯在某种流量(含设计洪水流量)条件下的冲刷深度(阶梯顶部到深潭底部的距离)的公式为：

上式中，h

式中，D

深潭中的冲刷坑长度L

式(4)和式(6)中形貌落差a

a

上式中，S

上式中，q为单宽流量，q＝Q

冲刷坑在一定水流超过一定强度后才会发育到下一级阶梯，而如果冲刷并没有发展到下一级阶梯，则冲刷坑出口到下一级阶梯之间存在相对平整的河段，称为梯面(tread)，第i级阶梯下游梯面存在的判断标准为：

(L

上式中，D

如果梯面存在，则其长度表达式为：

(L

梯面的坡降一般为冲淤平衡坡降，即为S

三、在确定稳定性步骤中，当深潭冲刷达到一定深度以后，阶梯将不可避免发生破坏，因此使用阶梯-深潭破坏的临界冲刷深度作为结构单元稳定性要求的量化指标，临界冲刷深度的计算方法为：

上式中，h

如果确定冲刷形态步骤中计算得到的各级人工阶梯在设计洪水流量条件下的冲刷深度超过了临界冲刷深度(即单元结构能保持稳定的最大深度)，则该级阶梯不能保持稳定，需要通过缩小人工阶梯平均间距来增加人工阶梯数量提高整体稳定性。

四、在水流能量分布计算步骤中，除了考虑设计洪水条件下阶梯-深潭的稳定性要求，也需要在设计中体现人工阶梯-深潭系统干预下水流能量的沿程分布，以确定阶梯-深潭结构通过消耗水流能量起到稳定河床的作用，本发明设计方法可计算各级人工阶梯处(断面位于阶梯石块处，如果该阶梯上游有梯面发育则与上游梯面出口为同一断面，如果没有梯面发育则与上游深潭出口为同一断面)的水流能量。该步骤是基于各级人工阶梯上的水流比能h

对于第i级级人工阶梯，临界水深计算如下：

式中，Q

该级消能率η计算方法如下，该式是在世界范围内现有阶梯-深潭消能率数据库基础上建立的。

第i级水流能量损失(h

(h

该级阶梯上的水流比能为：

上式中，z

水流比能还为动能与水深之和：

该级阶梯处的水流连续性方程为：

Q

联立式(16)和式(17)可以得到：

解此一元三次方程可得阶梯上的断面平均流速，绝对值较小的实根对应着缓流条件，与一般深潭出口处流态特点对应，因此作为阶梯处水流流速的解，再利用式(17)计算该位置的水深，经过逐级计算之后即可得到整个人工阶梯-深潭系统中各级阶梯处的水深流速及总水流能量和能量损失。

需要说明的是，在确定冲刷形态步骤中计算冲刷深度H

水流能量分布计算步骤在计算得到各级阶梯处的水流流速和水深后，还根据计算得到的各级阶梯的水流比能h

实施例一：

如图2、3和4所示，分别为本发明人工阶梯系统初步布置之后形态侧视图、在经历洪水前形态俯视图以及在设计洪水中冲刷稳定后预测形态侧视图。目标河段位于四川省凉山彝族自治州热水河的一级支流，自西向东流入热水河，该沟主要分为三汊，最南侧支汊沟头曾发生较大规模滑坡，仍在不断溯源侵蚀，降水汇流将滑坡产生的物源不断输送到下游并在沟口落淤形成堆积扇，为控制夏季集中降水引起的侵蚀下切，拟对该沟流通段和沉积段进行山洪防治及生态修复整治，该支汊流域面积0.35km

确定阶梯位置步骤，通过现场调研，确定流通段范围，即没有明显河漫滩的河段，河谷的横向约束较强，河谷宽度小于7m，确定目标河段50m，利用无人机垂直摄影测量获取目标河段的三维地形，测量得到该河段平均坡降S为12.8％，并查看目标河段槽宽沿程变化情况，其中平均平摊河宽(W

确定冲刷形态步骤，利用式(4)和式(6)分别计算在设计洪水条件下各级阶梯下游冲刷坑的长度L

确定稳定性步骤，采用式(11)对全部各级阶梯下游冲刷坑最大深度进行检验，计算显示全部阶梯下游最大冲刷深度均小于式(11)计算出的阶梯破坏临界值，表明现有设计可以保障多级人工阶梯在设计洪水条件下保持稳定，不需要再增设人工阶梯进行加密，至此，人工阶梯在设计洪水条件下发育的连续多级阶梯-深潭系统的基本纵断面形态就可以确定了。

水流能量分布计算步骤，使用式(12)到(18)计算设计洪水条件下各级阶梯处的水流比能h

本实施例最终的人工阶梯-深潭系统的几何和水力参数如表1所示。

表1实施例-人工阶梯-深潭系统设计参数及水力计算结果

表中h

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。