基于坡面沖刷的荊江典型岸坡穩(wěn)定性分析

陶桂蘭，譚彬政，束 梁

(1.河海大學 港口海岸與近海工程學院，南京 210098；2. 中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司， 廣州 510230；3.長江南京航道工程局，南京 210011)

基于坡面沖刷的荊江典型岸坡穩(wěn)定性分析

陶桂蘭1，譚彬政2，束 梁3

(1.河海大學 港口海岸與近海工程學院，南京 210098；2. 中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司， 廣州 510230；3.長江南京航道工程局，南京 210011)

針對荊江典型二元結(jié)構(gòu)的岸坡，采用橫向沖刷計算公式探討了不同水位升降階段中，水流流速和含沙量對岸坡橫向沖刷速率的影響以及岸坡斷面形態(tài)的變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上基于飽和-非飽和滲流理論，利用SEEP/w程序建立了二維非穩(wěn)態(tài)滲流模型，模擬了其滲流場在水位升降條件下的變化過程，并基于摩根斯坦法計算分析了在考慮與不考慮坡面沖刷2種條件下岸坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律。結(jié)果表明：在水位上升期，當不考慮坡面沖刷時，岸坡穩(wěn)定性是隨水位上升而增大的，但當考慮坡面沖刷后，岸坡坡度逐漸增大，岸坡穩(wěn)定性隨水位上升而減小；在水位下降期，岸坡穩(wěn)定性隨水位下降而減小，且考慮坡面沖刷的安全系數(shù)下降速率明顯大于未考慮沖刷時的情況。因此洪水期與水位下降末期是岸坡失穩(wěn)的危險期，需重點監(jiān)控。

岸坡穩(wěn)定；坡面沖刷；水位升降；飽和-非飽和滲流；二元土結(jié)構(gòu)

1 研究背景

荊江位于長江中游，是長江航運的瓶頸河段。每年水位均經(jīng)歷上升期和下降期，變幅較大，且荊江岸坡為典型的二元土層結(jié)構(gòu)， 當水流將下部砂土層掏空后，上部黏性土層失去支撐較容易發(fā)生失穩(wěn)破壞。航道岸坡的失穩(wěn)會破壞長江水運航道，滑落的土體會增大船只擱淺的風險，從而對過往船只的安全構(gòu)成威脅。因此有必要針對岸坡在不同水流沖刷程度下的穩(wěn)定性進行計算分析，并探討其失穩(wěn)機理。

目前，很多學者已針對岸坡的沖刷機理開展了一定的研究，夏軍強等[1]通過建立一維的非均勻懸移質(zhì)泥沙模型，計算了黏性土岸坡的橫向沖刷過程，并探討了影響河岸橫向沖刷的主要因素；Osman[2]、Nagata等[3]、Duan等[4]提出針對不同土質(zhì)的河岸沖刷數(shù)學模型，并通過物理模型試驗等方法對計算結(jié)果進行了對比驗證。王黨偉等[5]在分析3類土質(zhì)河岸沖刷的力學機理的基礎(chǔ)上，介紹了模擬河岸沖刷的經(jīng)驗方法，并提出了各自的局限性。王博等[6]基于坡腳侵蝕模型探討了水位變化條件、岸坡形態(tài)和植被類型等因素對岸坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律，研究表明水位下降速率較大時，安全系數(shù)的減小幅度也較大。張文杰等[7]運用飽和-非飽和滲流分析程序針對影響岸坡滲流的主要水力參數(shù)進行了敏感性分析；詹良通等[8]基于摩根斯坦法研究了東南沿海地區(qū)降雨對邊坡的穩(wěn)定性影響規(guī)律；鄧珊珊等[9]通過考慮潛水位的變化計算了在沖刷條件下的岸坡穩(wěn)定性的變化過程，但將滲流問題簡化為一維的非穩(wěn)定滲流，與實際情況存在一定的誤差。

水流沖刷會對岸坡的穩(wěn)定性造成明顯的影響，而岸坡內(nèi)部滲流場的變化對其穩(wěn)定性的作用也不可忽視。因此，本文針對荊江中州子河段的典型二元結(jié)構(gòu)岸坡，采用沖刷計算公式探討了不同水位升降階段、水流流速和水流含沙量對岸坡橫向沖刷速率的影響及其岸坡斷面形態(tài)的變化規(guī)律。并在此基礎(chǔ)上，基于飽和-非飽和滲流理論建立二維的非穩(wěn)態(tài)滲流模型，模擬了岸坡內(nèi)部滲流場的變化，并通過Morgenstern等[10]提出的方法計算了在考慮坡面沖刷與不考慮坡面沖刷兩種條件下岸坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律。

2 岸坡橫向沖刷計算分析

2.1 橫向沖刷計算公式

當近岸流速超過二元結(jié)構(gòu)河岸下部砂土層的起動流速后，該土層將逐漸被近岸水流掏空；當上游來沙時，需同時考慮泥沙落淤沉降對岸坡形態(tài)的影響。學者假冬冬等[11]提出了河岸沖刷率的計算公式，能夠考慮水流泥沙的落淤影響，計算參數(shù)明確且較易獲取，因此，本文采用此公式計算岸坡水平?jīng)_刷速率，即

(1)

圖1 岸坡斷面示意圖Fig.1 Sketch of bank slope section

式中：ωb為水平?jīng)_刷速率；u為近岸處的水流流速；uc為泥沙的起動流速；ρb為河岸土體密度；λ為綜合影響系數(shù)，與岸坡土體性質(zhì)有關(guān)，由實測值確定；γb為河岸泥沙的重度，與岸體的密實度有關(guān)；γ為水的重度；ωs為泥沙沉降速度；sb為岸坡附近泥沙濃度；β為水位以下的某一高程處的岸坡坡角，如圖1所示。

2.2 荊江河段典型岸坡橫向沖刷分析

2.2.1 計算參數(shù)

由式(1)可知，影響岸坡沖刷速率的因素較多，對于岸坡固有的因素，包括河岸的土體密度、岸坡的坡度和泥沙起動流速等；對于外部水流因素，包括水流流速、含沙量和泥沙沉降速度等。具體參數(shù)確定方法如下。

2.2.1.1 荊江河段年徑流量和年均含沙量

圖2為1995—2011年枝城水文站年徑流量和年均含沙量的變化過程。由圖2可知，此期間荊江河段的徑流量變化趨勢不明顯[12]。年均含沙量在1990 年以前無明顯變化，但隨著長江上游水土保持工程的實施和干支流水庫的建設(shè)，1990—1995年期間年均含沙量出現(xiàn)明顯的下降，1995—2003年間年均含沙量有所回升。在三峽工程蓄水后，河水中大量泥沙被攔截，2003—2011 年間的年均含沙量大幅度減少，2011年的年均含沙量僅為0.14kg/m3，與1995年的年均含沙量相比，減少了約84%。

圖2 枝城水文站年徑流量和年均含沙量的變化過程Fig.2 Variations of annual runoff and annual average sediment concentration of Zhicheng hydrometric station

2.2.1.2 計算水位

長江水位基本從當年的4月份初開始上升，在7月份末達到最高，平均上升速度為0.1m/d，水位達到峰值后隨之下降或在高水位值波動后下降，在12月份初達到其最低值，平均下降速度為0.1m/d，然后水位保持相對平穩(wěn)，直到下一個水位年的水位上升期。本文以此為基礎(chǔ),概化了水位升降的模式，探討了不同來沙量條件下岸坡的橫向沖刷變化規(guī)律，計算水位上升速度和下降速度均為0.1m/d，如圖3所示。

2.2.1.3 其他參數(shù)

計算岸坡沖刷速率所涉及的參數(shù)較多，主要包括河岸土體的密度、河岸側(cè)蝕系數(shù)、泥沙臨界起動流速、水流流速和含沙量等。其中，粉細砂土層綜合影響系數(shù)取為5.1×10-6，粉質(zhì)黏土層綜合影響系數(shù)取為1.9×10-6；根據(jù)張瑞瑾泥沙沉速公式[13]計算可得泥沙沉速為0.041m/s。河流在不同水深處的流速可按指數(shù)流速公式計算，即

(2)

式中：v為計算點流速；vm為河流表面流速；h為水深；y為計算點水深；m為經(jīng)驗系數(shù)，取1/7。其中，歷年枯水期、中水期、洪水期的表面最大流速分別為1.88, 2.70, 2.65 m/s。岸坡泥沙的計算參數(shù)見表1[14]。

表1 計算參數(shù)

2.2.2 岸坡橫向沖刷距離

以中洲子高灘守護工程上游200 m處斷面作為初始的計算斷面，見圖4。根據(jù)荊江的含沙量變化情況[14]，分別計算了水位從24 m上升至34 m時2種含沙量條件下(0.1 kg/m3和0.2 kg/m3)岸坡橫向沖刷距離，計算結(jié)果如圖5所示。在枯水期，因為水流的流速相對較小，所以水流對岸坡的沖刷速率較小；在中水及洪水期，水流流速明顯增大，所以岸坡的沖刷速率也明顯增大。當水位上升至34 m時，含沙量0.1 kg/m3和0.2 kg/m32種工況下的累積沖刷距離分別達到13.2,6.7 m。對比圖5中2條曲線可看出，除了水流流速對沖刷速率影響較大之外，含沙量越小，在相同水位時的橫向沖刷距離越大。所以水流的含沙量同樣會對岸坡的沖刷距離產(chǎn)生較大的影響。

圖4 岸坡初始斷面Fig.4 Initial bank slope section

每年荊江水位均會經(jīng)歷枯水期、中水期和洪水期。水位由低水位上升到高水位的過程中，水流對岸坡的沖刷是一個動態(tài)的過程(圖6(a))。

由圖6(a)可知，岸坡沖刷首先由坡腳開始，在低水位時沖刷量較?。浑S著水位的上升，岸坡的沖刷范圍逐漸增大，沖刷量也同時增大；當水位上升至34 m時，因為洪水期水流流速較大，沖刷速率也較大，最大累積沖刷距離達13.3 m，出現(xiàn)在粉細砂層。而黏性土層由于水流沖刷時間較短和抗沖刷性相對較強、起動流速較大，故黏性土層的沖刷量較小，而下層砂性土沖刷量較大，這將增大了岸坡的坡度，從而大大增加黏性土層崩塌的概率。

在水位下降初期，水位仍處于較高值，黏性土層與粉細砂層均出現(xiàn)沖刷情況，但粉細砂層的沖刷距離相對較大，此時的岸坡斷面整體坡度變化不大，如圖6(b)。在水位下降的中后期，隨著水位的繼續(xù)下降，粉細砂層的沖刷距離繼續(xù)增大。當水位下降至24 m時，岸坡斷面的坡度已明顯大于沖刷前的岸坡坡度，這將極大地降低岸坡的整體穩(wěn)定性。

圖6 水位上升期和下降期岸坡斷面沖刷變化過程Fig.6 Erosion process of bank slope section in stages of water level raising and water level falling

3 考慮坡面沖刷的岸坡滲流場分析

3.1 計算模型與參數(shù)

3.1.1 計算模型

由于岸坡的斷面形態(tài)在水流沖刷的過程中是不斷變化的，故需要在不同階段對岸坡斷面分別進行建模，斷面的變化過程見圖6所示，其中初始斷面形態(tài)見圖4。初始斷面幾何長度為100 m，高54.5 m，岸坡頂面高程34.6 m，河底高程13 m。本斷面共有3個土層：第1層土為粉質(zhì)黏土，厚3.5 m；第2層土為松散-稍密粉細砂，厚17～23 m；第3層土為中密粉細砂。本文運用SEEP/w程序建立了二維非穩(wěn)態(tài)滲流數(shù)值模型，其有限元網(wǎng)格如圖7所示。

滲流模型的邊界條件如下：

(1) 模型兩側(cè)地下水位以上邊界按零流量邊界處理，地下水位以下為給定水頭邊界；根據(jù)地質(zhì)勘察資料[14]，模型左側(cè)邊界取地下水位為坡頂?shù)孛嬉韵?.5 m，即高程32.1 m；模型右側(cè)坡面水位值根據(jù)河水位的變化而定，其邊界條件為1個水位變化過程函數(shù)，見圖3所示。

(2) 模型底邊取零流量邊界。

(3) 定義左邊界及右邊界豎向一列單元為無限單元，一旦設(shè)置了無限單元并在其左邊界設(shè)定了定水頭邊界，則認為距岸坡后方無限遠處的水頭不變，其邊界和水位線延伸至無窮遠處。

3.1.2 計算工況與參數(shù)

水位上升速度和下降速度均設(shè)為0.1 m/d，同時考慮岸坡在水位升降過程中因沖刷而引起的斷面形態(tài)變化。首先在河水位24 m時作穩(wěn)態(tài)滲流分析，然后再以此為初始條件作后續(xù)的非穩(wěn)態(tài)滲流分析。各土層的滲透系數(shù)曲線如圖8。

圖8 各土層的滲透函數(shù)曲線Fig.8 Function curves of permeability coefficient of different layers of soils

3.2 計算結(jié)果分析

在水位上升情況下，計算了岸坡孔隙水壓場在上升速度為0.1 m/d條件下的響應(yīng)。由圖9可知：在水位上升初期，非飽和區(qū)的范圍較大，岸坡坡腳處的孔隙水壓約為100 kPa，岸坡浸潤線(0 kPa等值線)向河內(nèi)傾斜，表明岸坡內(nèi)部存在向河內(nèi)的滲流；在水位上升中期，隨著水位的上升，非飽和區(qū)逐漸減少，岸坡坡腳處的孔隙水壓也逐漸增大，浸潤線的方向逐漸轉(zhuǎn)為向坡內(nèi)傾斜，表明存在向岸坡內(nèi)部的滲流，而且岸坡坡面的沖刷也逐漸增大，如圖9(b)、圖9(c)；當水位上升到30 m，非飽和區(qū)達到最小，岸坡底部最大孔壓也達到最大，約為170 kPa；此時岸坡坡面的沖刷程度也達到最大。

圖9 水位上升期岸坡孔隙水壓場變化情況Fig.9 Variations of pore-water pressure field in stage of water level raising

在水位下降期，計算了岸坡在水位34 m下降至24 m(下降速度0.1 m/d)過程中滲流場的變化情況。在水位下降初期，岸坡浸潤線較為平緩，岸坡坡腳處的孔隙水壓約為190 kPa，如圖10(a)；隨著水位的下降，浸潤線逐漸向河內(nèi)傾斜，非飽和區(qū)逐漸增大，表明岸坡內(nèi)產(chǎn)生了指向河內(nèi)的滲流，同時岸坡坡面的沖刷也逐漸增大，如圖10(b)和圖10(c);當水位下降至24 m，浸潤線的傾斜度達到最大值，非飽和區(qū)的范圍也同時達到最大，而岸坡坡腳的孔隙水壓只有約100 kPa，此時的岸坡坡面沖刷距離達到最大，坡度明顯比水位下降前增大，即岸坡在水位下降過程中變得更陡，這將不利于岸坡的穩(wěn)定性。

圖10 水位下降期岸坡孔隙水壓場變化情況Fig.10 Variations of pore-water pressure field in stage of water level falling

4 考慮坡面沖刷的岸坡穩(wěn)定性分析

Morgenstern法是岸坡穩(wěn)定分析條分法的一種，既能滿足力平衡又能滿足力矩平衡條件，是國際公認的較為合理的邊坡穩(wěn)定分析方法[10]。本文在考慮水位升降和岸坡沖刷條件下，利用摩根斯坦極限平衡法計算了水位變化全過程的岸坡穩(wěn)定性，分別計算與對比考慮坡面沖刷與不考慮坡面沖刷2種工況對岸坡穩(wěn)定性的影響，如圖11所示。

圖11 水位上升期和下降期岸坡安全系數(shù)的變化Fig.11 Variation of safety factor in stages of water level rising and falling

在水位上升期，由圖11(a)可知，當不考慮水流對岸坡的沖刷時，岸坡的安全系數(shù)隨水位的上升而上升。在水位上升的過程中，雖然岸坡非飽和區(qū)的范圍不斷減少，但是產(chǎn)生了指向坡內(nèi)的滲流，且在上升中后期滲流強度有增大的趨勢，有利于岸坡穩(wěn)定性，所以岸坡的整體穩(wěn)定性在水位上升期明顯增大。當考慮了水流對岸坡的沖刷時，岸坡安全系數(shù)的變化呈現(xiàn)出相反的趨勢，表現(xiàn)為隨水位上升而明顯下降。

結(jié)合圖6(a)、圖9(a)可知，在水位上升初期(水位24～26 m)，水流的沖刷強度較小且主要集中在坡腳處，加之岸坡內(nèi)部仍存在指向河內(nèi)的滲流，故岸坡穩(wěn)定性在下降；在水位上升中后期(水位26～34 m)，結(jié)合圖6(b)、圖9中的(c)和(d)可知，雖然坡內(nèi)的滲流方向已轉(zhuǎn)為指向岸坡內(nèi)部，指向坡內(nèi)的滲流會增加岸坡的抗滑移力，有利于岸坡整體穩(wěn)定性，但是隨著水位的上升，水流的沖刷強度與沖刷范圍在增大，岸坡坡度不斷變大，岸坡的滑移力也隨之增大，這將極大地降低岸坡的穩(wěn)定性。相對于坡內(nèi)反向滲流對岸坡穩(wěn)定的有利貢獻，岸坡穩(wěn)定性對平均坡度變化的敏感性更大，增加的滑移力大于增加的抗滑移力，所以岸坡因坡度增大而降低的穩(wěn)定性明顯大于反向滲流增加的穩(wěn)定性。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計資料[15]，洪水期的河岸穩(wěn)定性較差，荊江河岸監(jiān)測斷面在2009年和 2010 年河岸分別監(jiān)測到3次和6次的崩岸。因此，在水流沖刷的條件下，岸坡在洪水期也較容易發(fā)生失穩(wěn)，需重點監(jiān)控。

在水位下降期，由圖11(b)可知，當水位下降至33 m的過程中，考慮與不考慮沖刷的岸坡安全系數(shù)的差別不大；隨著水位的繼續(xù)下降，由于受到?jīng)_刷的影響，岸坡坡度在增大，岸坡安全系數(shù)的下降速率明顯增大，在水位下降后期(26～24 m)，下降速率有所減緩，但安全系數(shù)仍持續(xù)降低，最終降幅達0.53；而對于不考慮水流沖刷的情況，當水位下降至26 m后，岸坡穩(wěn)定性下降速率明顯變小，最后趨于平緩，安全系數(shù)下降幅度為0.3。因為在水位下降的過程中，雖然非飽和區(qū)不斷增大，土體的基質(zhì)吸力在增加，土體的強度也隨之增大，有利于岸坡穩(wěn)定性，但坡內(nèi)產(chǎn)生指向河內(nèi)的滲流(見圖10)，指向河內(nèi)的滲流會增大岸坡滑移力，極大地降低了岸坡的穩(wěn)定性，相對于土體強度對抗滑移力的貢獻，滲流所引起滑移力的增大更明顯，所以岸坡穩(wěn)定性隨水位下降而降低。

當考慮水流的沖刷后，岸坡安全系數(shù)變化同樣表現(xiàn)出隨水位下降而降低的趨勢，但是其減少的幅度更大，約為 0.52。因為水流沖刷使平均坡度增大(圖6(b))，滑移力受坡度的影響較大，這將降低的岸坡穩(wěn)定性，所以考慮了水流沖刷后岸坡的失穩(wěn)概率會大大增大。因此，同時考慮水流沖刷的條件下，水位下降末期為岸坡穩(wěn)定的危險時期，根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計資料[15]，荊江岸坡監(jiān)測斷面在2009年和2010年落水期均發(fā)生了1次崩塌。長江水位在每年的11月份與12月份為水位下降的末期，岸坡在這個時期的失穩(wěn)概率較大，應(yīng)重點監(jiān)控。

5 結(jié) 論

本文針對荊江典型二元結(jié)構(gòu)的岸坡，分別計算了水位上升期和下降期的坡面沖刷距離，并在此基礎(chǔ)上模擬了岸坡滲流場的響應(yīng)和穩(wěn)定性的變化規(guī)律，結(jié)論如下：

(1) 河道岸坡沖刷為一個動態(tài)過程，其沖刷率受多種外界因素的影響。其中，水流流速和含沙量為兩大影響因素，即沖刷率隨水流流速的增大而增大，隨含沙量的增大而減少。

(2) 考慮坡面沖刷與不考慮坡面沖刷的岸坡滲流的變化規(guī)律類似。岸坡浸潤線隨水位上升而上升，在上升期向坡內(nèi)傾斜，隨水位下降而下降，在下降期向河內(nèi)傾斜。

(3) 當考慮坡面沖刷后，岸坡整體坡度逐漸增大，在水位上升期，岸坡安全系數(shù)隨水位上升而減小，即在洪水期容易發(fā)生失穩(wěn)；在水位下降期，岸坡安全系數(shù)的隨水位下降而減小，且安全系數(shù)下降速率明顯大于未考慮沖刷時的下降速率。

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(編輯：占學軍)

長江科學院等單位組成國家防總湖北省工作組赴湖北省指導防汛工作

遵照國家防汛抗旱總指揮部(以下簡稱“國家防總”)指示，長江防汛抗旱總指揮部委派以長江科學院副院長林紹忠(組長)、長江防汛抗旱辦公室調(diào)度處副調(diào)研員陳炯宏、河流研究所防洪減災(zāi)室副主任李凌云一行3人組成國家防總湖北省工作組，于2016年6月30日至2016年7月7日，前往湖北境內(nèi)長江干堤、重要水庫、湖泊、涵閘、險情點等現(xiàn)場，檢查指導防汛工作，確保安全度汛。

(摘自：長江水利科技網(wǎng))

Stability Analysis of Typical Bank Slope Based onSlope Erosion in Jingjiang River

TAO Gui-lan1, TAN Bin-zheng2, SHU Liang3

(1.College of Harbor，Coastal and Offshore Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China; 2.CCCC Fourth Harbor Consultants Co., Ltd., Guangzhou 510230, China; 3.Nanjing Changjiang Waterway Engineering Bureau, Nanjing 210011, China)

According to the features of typical dual soil structure in the Jingjiang River, the calculation formula of transverse erosion was employed to study the influences of flow velocity and sediment concentration on transverse erosion rate of bank slope, as well as the variation law of morphologic changes of bank slope under fluctuation of water level.On the basis of saturated-unsaturated seepage theory, a two-dimensional unsteady seepage model was established by using SEEP/w program and the change process of seepage field of bank slope was simulated. Furthermore, on the basis of calculation of pore-water pressure field, the change law of slope stability in consideration of bank erosion or not was analyzed by using Morgenstern’s method.Results show that when bank erosion is not considered, slope stability increases with the raise of water level and declines with the drawdown of water level; but when bank erosion is considered,slope stability decreases both with the raise and the drawdown of water level, and the falling rate of safety factors is obviously larger than that without considering bank erosion. In conclusion, the flood period and the final stage of water level falling are two dangerous periods of slope stability, which should be monitored specially.

bank slope stability; slope erosion; water level fluctuation; saturated-unsaturated seepage; dual soil structure

2016-05-20；

2016-07-07

陶桂蘭(1962-)，女，江蘇南通人，副教授，博士，研究方向為港口航道工程， (電話)13915964118(電子信箱)gltao@hhu.edu.cn。

譚彬政(1990-)，男，廣東云浮人,助理工程師，碩士，研究方向為港航工程結(jié)構(gòu)及邊坡穩(wěn)定，(電話)15161463708(電子信箱)yngao@126.com。

10.11988/ckyyb.20160500

2017,34(8):30-35

P642.22

A

1001-5485(2017)08-0030-06