二元結(jié)構(gòu)河岸崩塌機(jī)理試驗研究

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(長江科學(xué)院 a.河流研究所;b.水利部江湖治理與防洪重點實驗室，武漢 430010)

1 研究背景

崩岸作為一種災(zāi)害類型，造成的危害和損失十分嚴(yán)重。崩岸是河道發(fā)生平面變形的一種表現(xiàn)形式，崩岸的發(fā)生具有突發(fā)性。從力學(xué)機(jī)理分析，河岸主要有3種崩塌模式，即剪切崩塌、繞軸崩塌和拉伸崩塌[1]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者在崩岸機(jī)理研究方面做了許多有益的探索，開展了許多數(shù)值計算和室內(nèi)概化模型試驗研究工作，對崩岸機(jī)理的認(rèn)識達(dá)到了一定的共識[1-15]。國內(nèi)外學(xué)者主要從河流動力學(xué)和土力學(xué)2個角度開展了工作。

(1) 從河流動力學(xué)研究的角度：余文疇、岳紅艷等[2-3]曾采用模糊綜合評估的層次分析法評定長江中下游河道各因素對崩岸的影響程度，便于從宏觀上對其重要性以量的方式予以表達(dá)。同時通過開展玻璃水槽試驗初步分析了“口袋型”崩窩區(qū)內(nèi)泥沙的運動特性，試驗研究表明，回淤階段，在回流作用下，除口門上側(cè)和下側(cè)邊壁附近河床及岸腳仍出現(xiàn)局部沖刷外，窩崩區(qū)內(nèi)泥沙不斷落淤，并呈現(xiàn)出累積性的淤積特點；王延貴[6]將窩崩分為淘刷窩崩和液化窩崩，采用室內(nèi)概化模型試驗的手段對水流頂沖角、流速、水頭差等因素變化進(jìn)行了研究，提出了窩崩發(fā)生的水流條件和觸發(fā)因素；張幸農(nóng)等也對不同天然沙和黏土組成比例的彎道窩崩進(jìn)行了探索；章志強(qiáng)等[7]基于長江三江口窩崩發(fā)生前后的地形資料，分析了窩崩成因，認(rèn)為主流貼岸、退水期水位下降快，地下水位落差大是發(fā)生窩崩的重要原因。

(2) 從土力學(xué)研究的角度：許多學(xué)者進(jìn)行了穩(wěn)定性方面的研究，通過概化物理圖形，提出了各種崩塌模式和臨界判別指標(biāo)，來研究預(yù)測崩岸。如Osman and Thorne(1988)[8]首先提出黏性河岸崩體的崩塌模式，對比相對河岸高度實測值和計算值的大小，判斷河岸是否發(fā)生崩塌；王延貴[6]提出了河岸臨界崩塌高度來衡量河岸的穩(wěn)定性；Fukuoka(1996)[9]提出了混合土層的計算模式，采用上層黏性土臨界掛空長度這一指標(biāo)來判斷河岸是否崩塌。鑒于二元結(jié)構(gòu)河岸崩岸機(jī)理研究的復(fù)雜性，涉及到水力學(xué)、土力學(xué)和泥沙運動力學(xué)等諸多學(xué)科，崩岸過程與水流動力條件(包括縱向水流作用、環(huán)流、回流淘刷、波浪等)、河床邊界條件(包括河彎曲率、灘槽高差、河床河岸組成和地下水作用等)和人為因素(包括近岸挖沙、突加荷載、水工建筑物等)密切相關(guān)，試驗中動岸模擬技術(shù)和測試手段仍然有限，因此從某種程度上也制約著對不同組成河岸崩塌過程和機(jī)理的認(rèn)識。已有的一些研究成果，若用來解決河道變化劇烈或河岸組成復(fù)雜 (如二元結(jié)構(gòu))的具體實際問題，仍有一定難度。概化模型試驗對于分析三維性較強(qiáng)的水流、泥沙問題，反演或預(yù)測河道變形是一種不可或缺的手段，因此有必要開展相關(guān)水槽試驗研究工作。

在治理長江中游河道崩岸的過程中，主要任務(wù)是預(yù)防由縱向水流沖刷、河彎曲率較大、河床沖淤變化劇烈和河岸土質(zhì)抗沖性差所引起的崩岸，且在崩岸的各項影響因素中，縱向水流沖刷和環(huán)流作用依次排列前2名[2-3]。因此本次試驗中主要針對典型的二元結(jié)構(gòu)彎曲河岸，模擬在一定水流條件下不同河岸組成、不同坡比條件下的崩塌現(xiàn)象，觀察崩岸前后近岸河床及岸坡泥沙的運動情況，揭示崩岸機(jī)理; 分析一定水流條件下，不同上下層厚度比值、不同坡比條件下近岸泥沙沖淤變化情況、水流運動規(guī)律及其與河岸穩(wěn)定性的關(guān)系。

2 概化模型和量測儀器

2.1 概化模型

在資料收集調(diào)研的基礎(chǔ)上，采用室內(nèi)水槽試驗開展了彎曲河岸崩塌機(jī)理研究。試驗水槽總長49 m，寬9 m，試驗段長約17 m，上下游過渡段分別為16 m，彎道的曲率半徑R=47.6 m。試驗平面布置見圖1。長江中游河道多為上層黏性土、下層沙質(zhì)土的二元結(jié)構(gòu)河岸。

為使水槽中的水流運動、床沙運動能定性地反映天然情況，模型設(shè)計主要控制下列條件。

(1) 床沙需具備推移質(zhì)輸沙、河床沖刷及床面補(bǔ)給條件，水槽中床沙應(yīng)滿足起動相似。①下層粗砂：模型沙的起動流速采用長江防洪模型上所做水槽試驗的起動流速資料[16]，在水深分別為0.25，0.5 m以及中值粒徑為0.2 mm模型沙情況下，由所擬合出來的起動流速公式

式中:U少量動表示少量動狀態(tài)時的起動流速；H，d，γs和γ分別為水深、泥沙粒徑、泥沙相對密度和水的相對密度，下同)，可得對應(yīng)模型起動流速分別為u0.5 m=0.122 m/s，u0.25 m=0.111 m/s(u表示起動流速，腳標(biāo)數(shù)值為模型水深，下同)。②上層細(xì)沙：模型沙的起動流速采用長江防洪模型上所做水槽試驗的起動流速資料[16]，在水深分別為0.25，0.5 m以及中值粒徑為0.058 mm的模型沙情況下，由所擬合出來的公式

可得對應(yīng)模型起動流速分別為u0.5 m=0.131 m/s，u0.25 m=0.118 m/s。

為增大模型沙起動流速，考慮適當(dāng)增加一定比例的環(huán)氧樹脂作為粘合劑，摻混到模型沙中充分?jǐn)嚢琛?/p>

采用水槽試驗的起動流速資料，在水深分別為0.15，0.25，0.40 m時，摻混了1%環(huán)氧樹脂的中值粒徑為0.058 mm的模型沙，對應(yīng)的模型沙起動流速分別為u0.15 m=0.156 m/s,u0.25 m=0.173 m/s和u0.4 m=0.180 m/s 。

因此，為模擬天然情況下的二元結(jié)構(gòu)河岸，本次試驗首次采用2種不同粒徑的模型沙(其中上層摻混1%配比的環(huán)氧樹脂)，分別模擬天然的上層黏土和下層細(xì)砂組成的二元結(jié)構(gòu)河岸。

(2) 考慮到近岸河床及岸坡在崩坍過程中會發(fā)生沖刷變形，水槽中的床沙理論上應(yīng)基本滿足揚動相似條件，由于同時考慮上下層泥沙揚動相似難度較大，這里僅計算考慮下層粗沙揚動問題。

根據(jù)長江防洪模型所用新型復(fù)合塑料沙的水槽試驗成果[16]，可擬合出塑料合成沙揚動公式為

在水深為0.5 m情況下，新型復(fù)合塑料沙中值粒徑為0.2 mm時，其揚動流速為0.164 m/s，下層河床模型沙基本能夠滿足揚動相似要求。

綜上所述，最后確定選用中值粒徑為0.2 mm的模型沙模擬天然河岸下層細(xì)沙，中值粒徑為0.058 mm的模型沙模擬天然河岸上層黏土，模型沙的選擇可滿足本次試驗要求。

2.2 試驗研究內(nèi)容和試驗方案

主要研究內(nèi)容為：利用概化水槽試驗開展彎道水流模型試驗，模擬研究在多因素組合作用下單一因素變化對岸坡穩(wěn)定性的影響，重點是河岸組成和河岸坡比對岸坡穩(wěn)定性的影響。分析一定水流條件下，不同上下層厚度比值、不同坡比條件下近岸泥沙沖淤變化情況、崩塌模式和崩塌過程。具體而言，不同流量分別選為0.09，0.12，0.18，0.24 m3/s，相應(yīng)斷面平均流速范圍為1.5～2.5 m/s，坡體坡比分別選取1∶1和1∶2，河岸上下層設(shè)計了2種不同厚度比，包括2∶1和1∶1。

各組試驗方案詳見表1，設(shè)計概化模型中岸坡河床厚30 cm，河岸厚55 cm。

表1 各種試驗方案匯總

2.3 量測儀器

試驗過程中上游來流量采用電磁流量計控制，尾門水位采用武漢大學(xué)研制的WEL-Ⅱ型水位儀自動控制；典型斷面地形采用CY-Ⅰ型測淤儀測量。

3 試驗成果分析

試驗中分別模擬了同坡比不同河岸組成和同河岸組成不同坡比2種情況下二元結(jié)構(gòu)河岸沖淤變化過程。在流量、河岸坡比相同的情況下，上黏土層與下砂土層厚度比越大，河岸崩塌幅度越小，也即越相對穩(wěn)定(見圖2(a)至圖2(d))；2種不同組成的河岸在各級流量情況下，都呈現(xiàn)出隨著流量增大河岸崩塌幅度逐漸增大的規(guī)律；在流量和上下黏土、砂土層厚度比相同的情況下，坡比為1∶1的河岸較坡比為1∶2的河岸崩塌幅度大(見圖2(e))。

圖2 不同條件下近岸河床沖淤變化圖

不同上下層厚度比和不同岸坡比二元結(jié)構(gòu)河岸呈現(xiàn)不同的崩塌模式。試驗過程中由于河岸為彎曲段，主流彎曲使水流頂沖凹岸，產(chǎn)生橫向環(huán)流，加速彎道凹岸的淘刷和侵蝕，崩岸速率加大，崩塌部位主要發(fā)生于凹岸頂部及其下游附近段。本次試驗中模擬的二元結(jié)構(gòu)岸坡主要發(fā)生了2種不同類型的崩塌型式，即窩崩和條崩。窩崩主要出現(xiàn)在上黏性土層和下砂土層厚度比為2∶1、岸坡坡比為1∶2的彎頂附近的河岸，即黏性土層覆蓋較厚、沙質(zhì)土層較薄、受水流沖刷較嚴(yán)重的河段(見圖3(a))；條崩一般出現(xiàn)上黏性土層和下砂土層厚度比為1∶2、岸坡坡比為1∶1的河岸中，即上層黏性土層較薄、沙質(zhì)土層較厚的河段。崩坍前，近岸灘面一般產(chǎn)生與岸線大致平行的裂縫，由于下部的砂土層比上部的黏性土層更易受到水流沖刷，當(dāng)下部沙性土體受沖刷而上部黏性土體自重在斷裂面上產(chǎn)生的拉力矩大于黏性土層自身產(chǎn)生的抗拉力矩時，上部土層在重力作用下會發(fā)生坍落或倒入水中，詳見圖3(b)和圖3 (c)。本次試驗中根據(jù)崩塌受力特點不同，針對二元結(jié)構(gòu)河岸將崩岸分為剪切倒塌、繞軸倒塌和拉伸倒塌3種方式。

圖3 不同類型崩岸

針對河岸坡比為1∶1，上黏性土層和下砂土層厚度比為1∶2的河岸，模擬了流量分別為0.09，0.12，0.18，0.24 m3/s時，漲落水過程中河岸土體崩塌的過程(見圖4)。

圖4 水位上漲和下降不同階段

由圖4可知，在漲落水過程中岸坡局部土體發(fā)生了階段性崩塌。開始階段隨著流量的增加(流量由0.09 m3/s增為0.12 m3/s)和水位的上升(水位由0.14 m升為0.18 m)，土體含水量增幅較大。同時河岸坡面上開始出現(xiàn)裂縫，水下和水面附近表層土體發(fā)生輕度侵蝕或塌落；然后隨著流量的繼續(xù)增加(流量由0.12 m3/s增為0.18 m3/s)和水位的持續(xù)上升(水位由0.18 m升為0.21 m)，水流沖刷近岸河床坡腳后，下層砂性土體被淘空，由于上層黏土層較薄，崩塌面較陡，崩塌外型類似條崩，且灘面上出現(xiàn)沿水流方向較粗的裂紋；當(dāng)流量繼續(xù)增大至0.24 m3/s，水位繼續(xù)抬高至0.22 m時，河岸也繼續(xù)崩塌。隨后試驗還模擬了水位下降過程中河岸的穩(wěn)定性問題，隨著流量的減小，水位下降過程中對河岸側(cè)向支撐作用減小，加上之前受高水位水流浸泡后，岸灘土體抗剪強(qiáng)度和岸灘的穩(wěn)定性都減小，崩岸發(fā)生的幾率也增大。此外，水位下降過程中，由于河岸地下水位的變化滯后于河道內(nèi)水位的變化，河岸土體內(nèi)的地下水來不及排出，造成向臨水方向的滲透水壓力增加。對于可滲透岸坡而言，滲透壓力方向與河岸自身重力的下滑力方向一致，即增加了崩體的下滑力，導(dǎo)致岸坡安全系數(shù)降低，同級流量下水位下降過程中，土體崩塌的強(qiáng)度較水位上漲階段明顯，說明同級流量條件下，水位下降過程中河岸穩(wěn)定性較水位上漲過程中明顯減小。

4 結(jié) 語

本文在總結(jié)分析以往相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，通過對二元結(jié)構(gòu)彎曲河道開展概化模型試驗研究，在崩岸機(jī)理方面主要得到以下幾點認(rèn)識：

(1) 二元結(jié)構(gòu)河岸崩塌是水流和泥沙相互作用的過程，河岸崩塌的過程中伴隨著河床縱向變形和橫向變形。二元結(jié)構(gòu)河岸崩塌過程大體可分為5個崩塌階段：坡腳沖刷變陡階段→灘面裂縫形成發(fā)育階段→坡面漸進(jìn)侵蝕階段→河岸崩塌階段→河岸沖刷趨于穩(wěn)定階段。

(2) 在崩塌發(fā)生的過程中首先是下層泥沙受沖變陡，其次是上層河岸泥沙在多種因素影響下發(fā)生不同的崩塌型式。主要包括剪切倒塌、繞軸倒塌和拉伸倒塌等3種型式。

(3) 在同級流量條件下，水位下降過程中河岸穩(wěn)定性較水位上漲過程中明顯減小。

參考文獻(xiàn)：

[1] The ASCE Task Committee on Hydraulics, Bank Mechanics, and Modeling of River Width Adjustment. River Width Adjustment I： Processes and Mechanisms[J]. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 1998, (9)∶881-917.

[2] 岳紅艷. 長江河道崩岸機(jī)理的初步探討[D]. 武漢：長江科學(xué)院，2001. (YUE Hong-yan. Preliminary Research on the Mechanism of Bank Failure in the Middle and Lower Reaches of the Yangtze River[D].Wuhan: Yangtze River Scientific Research Institute, 2001.(in Chinese))

[3] 岳紅艷,余文疇. 層次分析法在崩岸影響研究中的應(yīng)用[C]∥長江護(hù)岸及堤防防滲工程論文選集.北京:中國水利水電出版社, 2003:63-68. (YUE Hong-yan, YU Wen-chou. Application of Analytic Hierarchy Process on Influence Research of Bankfailure[C]∥Collected Papers of Revetment and Dyke Seepage Control, Beijing: China Water Power Press, 2003:63-68. (in Chinese))

[4] 余文疇,岳紅艷.長江中下游崩岸機(jī)理研究中的水流泥沙運動條件[J].人民長江，2008，(2):64-66. (YU Wen-chou, YUE Hong-yan. Condition of Flow and Sediment Movement of Research of Bank Failure Mechanism in Middle and Lower Reaches of Yangtze River[J]. Yangtze River, 2008, (2):64-66.(in Chinese))

[5] 岳紅艷,余文疇. 長江河道崩岸機(jī)理[J].人民長江， 2002，(8): 20-22. (YUE Hong-yan, YU Wen-chou. Bank Failure Mechanism of Changjiang Reaches[J]. Yangtze River, 2002, (8): 20-22.( in Chinese))

[6] 王延貴. 沖積河流岸灘崩塌機(jī)理的理論分析及試驗研究[D]. 北京：中國水利水電科學(xué)研究院, 2003. (WANG Yan-gui. Theoretical Analysis and Experimental Researches of River Bank Failure Mechanism in Alluvial Stream[D]. Beijing: China Institute of Water Resources and Hydropower Research, 2003.(in Chinese))

[7] 章志強(qiáng)，藏英平，仲 琳，等. 三江口窩崩及搶護(hù)[J]. 水利水運工程學(xué)報，2011，2(6)：71-76. (ZHANG Zhi-qiang, ZANG Ying-ping, ZHONG Lin，etal. Pit Collapse and Emergency Protection at the Sanjiangkou Riverbank[J]. Hydro-science and Engineering, 2011,2(6): 71-76. (in Chinese))

[8] OSMAN A M, THORNE C R. Riverbank Stability Analysis I: Theory[J]. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 1988,114(2): 134-150.

[9] FUKUOKA, SHOJI. 自然堤岸沖蝕過程的機(jī)理(趙渭軍譯)[J]. 水利水電快報, 1996,(2): 29-33. (FUKUOKA, SHOJI. Mechanism on the Erosive Process of Natural Embankment(Translated by ZHAO Wei-jun)[J]. Express Water Resources and Hydropower Information,1996,(2):29-33. (in Chinese))

[10] 張幸農(nóng), 應(yīng) 強(qiáng), 陳長英. 長江中下游崩岸險情類型及預(yù)測預(yù)防[J]. 水利學(xué)報, 2007,10(增1): 246-250.(ZHANG Xing-nong, YING Qiang, CHEN Chang-ying．Forecast and Prevention Measurement on Some Kinds of Bank Collapses in the Middle-Lower Reach of the Yangtze River[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2007,10(Sup.1): 246-250.(in Chinese))

[11] NAGATA N,HOSODA T,MURANOTO Y. Numerical Analysis of River Channel Processes With Bank Erosion[J]. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 2000,126(4): 243-251.

[12] 夏軍強(qiáng). 河岸沖刷機(jī)理研究及數(shù)值模擬 [D].北京：清華大學(xué)水利水電工程系，2002.(XIA Jun-qiang. Numerical Simulation on the Erosion Mechanism of Riverbank[D]. Beijing: Department of Hydroelectric Engineering of Tsinghua University, 2002.(in Chinese))

[13] 許全喜，談廣鳴，張小峰. 長江河道崩岸預(yù)測模型的研究與應(yīng)用[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版), 2004,(6):9-12,21. (XU Quan-xi, TAN Guang-ming, ZHANG Xiao-feng. Research and Application of Prediction Model for River Bank-failure[J]. Engineering Journal of Wuhan University,2004, (6): 9-12,21.(in Chinese))

[14] 王路軍. 長江中下游崩岸機(jī)理的大型室內(nèi)試驗研究 [D].南京：河海大學(xué)，2005.(WANG Lu-jun. Large-scale Laboratory Test on Mechanism of Bankfailure in the Middle and Lower Reaches of Yangtze River[D]. Nanjing: Hohai University, 2005.(in Chinese))

[15] 張幸農(nóng)，應(yīng) 強(qiáng)，陳長英,等. 江河崩岸的概化模擬試驗研究[J]. 水利學(xué)報，2009，40(3)：263-267.(ZHANG Xing-nong, YING Qiang, CHEN Chang-ying,etal．Generalized and Simulation Experiment of River Bankfailure[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2009，40(3)：263-267.(in Chinese))

[16] 孫貴洲，魏國遠(yuǎn)，汪明娜. 親水性樹脂基復(fù)合模型沙力學(xué)特性試驗研究[J]. 長江科學(xué)院院報,2007,(1):4-7,15.(SUN Gui-zhou, WEI Guo-yuan, WANG Ming-na. Experimental Research on Physical Characteristics of Compound Model Sands Made of Hydrophilic Resin[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2007,(1):4-7,15.(in Chinese))