牛晨曦，張幸農(nóng)，應(yīng) 強(qiáng)，假冬冬

(南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029)

流滑型窩崩是長(zhǎng)江中下游河段經(jīng)常出現(xiàn)的一種岸灘崩塌現(xiàn)象。此類窩崩規(guī)模一般都很大，崩塌后的岸灘外表呈窩塘狀，最終在岸線形成長(zhǎng)、寬均在百米以上的窩塘，滑落的土體體積可達(dá)數(shù)十萬(wàn)甚至上百萬(wàn)立方米，造成河道洪漫灘地的塌陷或流失，不僅直接威脅堤防安全，形成防洪險(xiǎn)情，而且往往引起河床橫向變形，造成河勢(shì)動(dòng)蕩，對(duì)沿江航運(yùn)、橋梁、供水等方面均產(chǎn)生重大不利影響[1-3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自1949年以來(lái)，長(zhǎng)江江蘇段發(fā)生崩岸260多次。關(guān)于長(zhǎng)江中下游窩崩的形成與發(fā)展，存在較多觀點(diǎn)或解釋，主要是以事后經(jīng)驗(yàn)性分析為主。多數(shù)觀點(diǎn)認(rèn)為窩崩主要由水流沖刷侵蝕河岸所造成，水動(dòng)力因素在窩崩形成和發(fā)展過(guò)程中起關(guān)鍵作用。例如，陳引川等[4-7]認(rèn)為，窩崩主要是主流頂沖形成深泓貼岸所致。水流沖刷岸坡變陡是崩岸的先決條件，當(dāng)坡腳被淘刷，局部深槽楔入，造成水下坡度變陡，岸坡高度和坡度超過(guò)穩(wěn)定限值后則產(chǎn)生崩塌；余文疇等[8- 9]利用揚(yáng)州港窩崩搶護(hù)后的實(shí)測(cè)水流數(shù)據(jù)，分析得出窩塘內(nèi)主流線沿崩窩的周邊運(yùn)動(dòng)、水流做回旋運(yùn)動(dòng)時(shí)不斷擴(kuò)散耗能、窩塘內(nèi)岸邊水位升高形成類似彎道環(huán)流的次生結(jié)構(gòu)等結(jié)論。孫梅秀等[10]曾進(jìn)行過(guò)窩塘內(nèi)水流結(jié)構(gòu)和泥沙運(yùn)動(dòng)的模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在窩塘出現(xiàn)后，河道主流有一股水流沿口門下側(cè)進(jìn)入窩塘，形成回流造成近岸沖刷，隨后回流逐漸減弱形成新的淤積；余文疇等[11]通過(guò)室內(nèi)水槽試驗(yàn)研究，認(rèn)為窩塘口門內(nèi)的水流基本上是脫離主流而在崩窩內(nèi)形成回流；進(jìn)入窩塘的水流集中程度大于流出窩塘水流的集中程度。張幸農(nóng)等[12]針對(duì)流滑型窩崩進(jìn)行了初步概化模擬試驗(yàn)，分析了窩崩的變化過(guò)程，得出窩崩發(fā)展過(guò)程中回流或環(huán)流強(qiáng)度一開始持續(xù)加大，后期逐漸減小的特征。但總體而言，針對(duì)流滑型窩崩模擬試驗(yàn)的深入研究尚少，持續(xù)開展相關(guān)試驗(yàn)研究很有必要。為此，基于前人研究結(jié)果，本次試驗(yàn)將進(jìn)一步探索流滑型窩崩形成與發(fā)展過(guò)程中的水動(dòng)力和地形變化特征。

1 水槽試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)水槽及其布置

圖1 水槽及窩崩區(qū)平面布置Fig.1 Plan layout of test flume and test area

為模擬彎道水流條件，將試驗(yàn)水槽設(shè)計(jì)成彎道形狀，水槽長(zhǎng)30.0 m，寬1.5 m。彎曲水槽共由3個(gè)彎段組成，兩反彎段之間由直線段連接。試驗(yàn)段布置在中部凹岸彎頂范圍內(nèi)，試驗(yàn)坡體高0.4 m，坡比1∶2，水槽及窩崩區(qū)平面布置如圖1所示。試驗(yàn)段以外的槽壁采用水泥粉刷的直立墻，在試驗(yàn)段上下設(shè)置石子過(guò)渡段，上段直壁逐漸變?yōu)樾逼?，下段斜坡逐漸變?yōu)橹北趬Γc試驗(yàn)沙體平順相接形成1∶2邊坡。

根據(jù)長(zhǎng)江下游眾多崩岸段岸坡土體特征，選用長(zhǎng)江下游原體細(xì)沙制作試驗(yàn)岸坡，其中值粒徑為0.225 mm，不均勻系數(shù)1.91，基本無(wú)黏性，內(nèi)摩擦角36.5°。試驗(yàn)坡體制作后，在制樣完成的沙體上取不同部位的土體進(jìn)行干濕密度測(cè)量，確保不同組次的沙體性質(zhì)相同。

1.2 試驗(yàn)組次

為研究典型流滑型窩崩不同發(fā)展階段(形成階段、發(fā)展階段、穩(wěn)定階段)窩塘形態(tài)及口門附近水流特征，按窩塘發(fā)展不同程度(25%,50%,75%和100%)設(shè)置試驗(yàn)組次，同時(shí)試驗(yàn)還分別針對(duì)水槽主流來(lái)流流速60，70和85 cm/s而進(jìn)行，其中重點(diǎn)是主流流速為85 cm/s時(shí)的4個(gè)試驗(yàn)組次。各試驗(yàn)組次的水流條件及相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)組次及水流條件Tab.1 Experiment groups and flow conditions

注：窩塘深度指崩窩向后崩退在斷面的長(zhǎng)度。

1.3 試驗(yàn)方法及步驟

(1) 制作試驗(yàn)坡體，制作過(guò)程中在坡體頂面和坡面間歇灑水促進(jìn)坡體密實(shí)，完成后在坡體上取不同部位土樣進(jìn)行干濕密度測(cè)量，確保各組次坡體土質(zhì)基本相同；

(2) 試驗(yàn)開始前先往水槽放水至水深40 cm，2 h后，開啟尾門，上游增大到相應(yīng)流量，并控制尾門至水深為40 cm，形成明渠水流，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，上游停止放水并迅速關(guān)小下游尾門，讓水槽內(nèi)的水緩慢流出以防止破壞沖刷的地形；

(3) 當(dāng)崩窩發(fā)展至預(yù)定程度時(shí)，采用水泥漿固定窩塘形態(tài)，并保持24 h；

(4) 在固定后的窩塘形態(tài)上，重復(fù)上述工況下的水流條件，采用ADV流速儀精細(xì)測(cè)量窩塘及口門附近的三維流場(chǎng)。

2 窩崩形成與發(fā)展

長(zhǎng)江中下游河段眾多流滑型窩崩實(shí)例表明，窩崩形成與貼岸水流沖刷密切相關(guān)。岸坡頂部局部邊緣受水流沖刷后退，導(dǎo)致岸坡上部土體不斷崩塌，形成窩塘并發(fā)展迅速。一般情況下，數(shù)小時(shí)后即出現(xiàn)窩塘，1～2 d 后就充分?jǐn)U展，但灘頂至深泓的整個(gè)坡體基本穩(wěn)定。與此同時(shí)窩塘附近伴隨出現(xiàn)渦流或回流，形成土體崩塌的新的動(dòng)力條件。本試驗(yàn)基本上模擬了這種現(xiàn)象，僅時(shí)間尺度上有所差異。依據(jù)表1中的1～4組試驗(yàn)照片(見圖2)，可反映流滑型窩崩的形成與發(fā)展過(guò)程。

(1) 試驗(yàn)時(shí)間0～12 min，為窩崩始發(fā)期。如圖2(a)所示，岸坡局部邊緣在外側(cè)主流沖刷下略有崩塌，并形成小范圍渦流，且渦流同樣淘刷岸坡，滑落土體由主流帶向下游，但此時(shí)窩塘尚未出現(xiàn)。

(2) 試驗(yàn)時(shí)間12～58 min，為窩崩發(fā)展初期(窩崩發(fā)展程度0～25%)。隨著坡體上部邊緣不斷被淘刷，水面以上的土體產(chǎn)生剪切崩塌或繞軸崩塌。坡體邊界被突破而形成窩塘，窩塘內(nèi)開始出現(xiàn)回流，口門外則出現(xiàn)渦流，且回流范圍和強(qiáng)度也隨窩塘的擴(kuò)大而增大，致使窩塘邊緣土體繼續(xù)產(chǎn)生崩塌。此階段窩塘內(nèi)回流和口門外渦流位于窩塘上端，如圖2(b)～(c)所示；窩塘與外側(cè)主流交界處的水流橫向激烈摻混，由其產(chǎn)生的紊動(dòng)切應(yīng)力為窩塘內(nèi)回流提供動(dòng)力，回流則帶走崩落土體至口門外，岸坡土體崩塌速率由慢變快，窩塘上部擴(kuò)展面積大于窩塘下部。

(3) 試驗(yàn)時(shí)間58～94 min，為窩崩發(fā)展中期(窩崩發(fā)展程度25%～50%)。此階段窩崩發(fā)展處于快速階段，岸坡土體崩塌、窩塘擴(kuò)大速率是整個(gè)窩崩期間最大的；窩塘內(nèi)回流和口門外渦流已有下移，如圖2(d)～(e)所示，但仍基本位于窩塘上半部，并無(wú)一股水流直接由窩塘下口門進(jìn)入窩塘；窩塘內(nèi)回流則是土體崩塌窩塘擴(kuò)展的主要?jiǎng)恿Α?/p>

(4) 試驗(yàn)時(shí)間94～186 min，為窩崩發(fā)展成熟期(窩崩發(fā)展程度50%～75%)。此階段隨著窩塘面積擴(kuò)大，水流阻力增大，岸坡崩塌、窩塘擴(kuò)展速率開始變緩，窩塘內(nèi)回流和口門外渦流已下移至窩塘下半部，如圖2(f)～(g)所示，已可感覺到有一股水流由窩塘下口門進(jìn)入窩塘，窩塘內(nèi)回流強(qiáng)度則同樣不斷減小。

(5) 試驗(yàn)時(shí)間186～420 min，為窩崩發(fā)展穩(wěn)定期(窩崩發(fā)展程度75%～100%)，此階段窩崩窩塘已大幅擴(kuò)展，岸坡土體崩塌、窩塘擴(kuò)大速率緩慢，回流中心已基本位于口門下端，如圖2(h)所示，有一股水流由窩塘下口門進(jìn)入窩塘，但形成的回流范圍很大、強(qiáng)度很小。

圖2 窩崩形成與發(fā)展過(guò)程

3 窩塘內(nèi)水流運(yùn)動(dòng)和地形變化特征

3.1 窩塘內(nèi)回流特征

窩崩的發(fā)生改變了河岸邊界條件，必然導(dǎo)致近岸水流變化。從圖2中可見，隨著窩塘的擴(kuò)展，窩塘內(nèi)出現(xiàn)回流并不斷產(chǎn)生變化。依據(jù)1～4組試驗(yàn)的三維流速測(cè)量結(jié)果，可得到窩崩不同發(fā)展階段時(shí)窩塘內(nèi)流速平面分布如圖3(圖中所測(cè)流速為表層流速)，可以發(fā)現(xiàn)窩塘內(nèi)水流具有以下特征：

(1) 窩塘內(nèi)回流屬于典型的空腔回流。主要由口門外主流與窩塘內(nèi)靜水摩擦而產(chǎn)生，具有明顯的回流中心和邊緣。中心流速可達(dá)35～45 cm/s，為口外主流的41%～53%。

(2) 回流形態(tài)、范圍和強(qiáng)度隨窩崩的發(fā)展而不斷變化。窩崩始發(fā)期至發(fā)展中期(發(fā)展程度25%～50%)時(shí)，窩塘深度不大，回流平面基本呈橢圓形，明顯縱向長(zhǎng)、橫向短，縱向基本可至整個(gè)窩塘，橫向則可發(fā)展至外側(cè)主流區(qū)域，回流中心強(qiáng)度處于上升狀態(tài)，窩崩程度25%時(shí)為40 cm/s以上，窩崩程度50%時(shí)回流強(qiáng)度最大可超過(guò)45 cm/s；窩崩成熟期至穩(wěn)定期(發(fā)展程度75%～100%)時(shí)，窩塘深度擴(kuò)大，回流平面已趨向圓形，縱向上范圍仍至整個(gè)窩塘，但橫向上已處于窩塘內(nèi)，充分發(fā)展時(shí)口門外主流甚至已侵入窩塘，回流中心強(qiáng)度則不斷減小，窩崩程度75%時(shí)仍可為35 cm/s左右，窩崩程度100%時(shí)回流強(qiáng)度已衰減至30 cm/s左右。

(3) 回流中心也隨窩崩的發(fā)展而明顯變化。隨著窩崩發(fā)展窩塘擴(kuò)大，基本表現(xiàn)出回流中心向下和離岸的遷移規(guī)律。窩崩初始至中間階段(發(fā)展程度25%～50%)時(shí)，回流中心偏于窩塘上側(cè)，并且距離岸邊很近；窩崩后期階段(發(fā)展程度75%～100%)時(shí)，回流中心明顯下移和遠(yuǎn)離岸邊。這說(shuō)明窩崩發(fā)展初期，回流動(dòng)力主要沖刷窩塘上部，致使上半側(cè)和中間部位岸坡坍塌嚴(yán)重，窩崩發(fā)展后期，回流動(dòng)力已位于口門下端，正如以往研究[4]所述，有股水流從口門下方進(jìn)入窩塘，造成窩塘下部沖刷崩塌更為嚴(yán)重。

圖3 窩崩不同發(fā)展階段窩塘內(nèi)流速平面分布

3.2 窩塘地形變化

圖4 窩塘邊緣發(fā)展過(guò)程Fig.4 Development process of nest pond edge

隨著窩崩的發(fā)生，窩塘附近地形也出現(xiàn)重大變化，圖2中已反映其平面上的變化。同樣依據(jù)1～4組試驗(yàn)結(jié)果，得到窩崩發(fā)展過(guò)程中岸坡邊緣的變化(圖4)，以及窩塘上下典型斷面(圖4)的變化(圖5)(圖中起點(diǎn)距的原點(diǎn)為試驗(yàn)開始時(shí)的岸坡，當(dāng)岸坡向內(nèi)崩退，以負(fù)值計(jì)算)。從圖4和5中可以發(fā)現(xiàn)窩塘地形變化具有以下特征：

(1) 從平面變化看，在窩崩初期，窩塘基本上是上下均有所擴(kuò)展，但之后窩塘的擴(kuò)展主要是在下半部分，說(shuō)明初期之后，隨著窩塘內(nèi)回流下移，窩塘內(nèi)側(cè)邊緣的淘刷崩塌主要在下半部分。

(2) 從斷面變化看，窩崩初期岸坡主要受主流頂沖，岸線整體沖刷崩塌后退，初期之后窩塘形成，岸坡后退現(xiàn)象逐漸減弱，但窩塘周邊土體在回流的淘刷下繼續(xù)崩塌，窩塘邊緣陡立，土體處于極不穩(wěn)定狀態(tài)，不斷發(fā)生剪切崩塌或繞軸崩塌，其中窩塘中部最為明顯。因而，從整體上看，最終的岸坡保持基本穩(wěn)定，但上層土體崩塌并被水流搬運(yùn)，形成向內(nèi)橫向拓展的半圓形窩塘。

(3) 從時(shí)間過(guò)程看，在窩崩初期和中期窩塘擴(kuò)展迅速，在全過(guò)程前1/4時(shí)間內(nèi)窩崩發(fā)展程度即達(dá)50%，之后發(fā)展速率減緩，尤其是窩崩發(fā)展程度75%后，窩塘內(nèi)水流動(dòng)力已不足以將崩塌的土體帶入主流，因而窩塘上游端崩塌土體下滑至坡腳處，甚至出現(xiàn)淤積現(xiàn)象(見圖5)。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)典型窩崩水槽概化模擬試驗(yàn)，分析研究了窩崩形成與發(fā)展，以及窩塘水流運(yùn)動(dòng)和地形變化，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1) 流滑型窩崩主要是由水流沖刷和岸坡上部土體持續(xù)崩塌所形成，并且發(fā)展迅速，天然原型窩崩1～2 d后就充分?jǐn)U展。

(2) 流滑型窩崩發(fā)展過(guò)程主要有始發(fā)期、發(fā)展初期、發(fā)展中期、發(fā)展成熟期和發(fā)展穩(wěn)定期等階段，其中始發(fā)期僅局部邊緣略有崩塌，并形成小范圍渦流；窩崩發(fā)展初期，岸坡崩塌、窩塘擴(kuò)展速率由慢變快,窩塘內(nèi)回流和口門外渦流位于窩塘上端；窩崩發(fā)展中期，岸坡崩塌、窩塘擴(kuò)展速率最大，窩塘內(nèi)回流和口門外渦流已明顯下移；窩崩發(fā)展成熟期，岸坡崩塌、窩塘擴(kuò)展速率開始變緩，窩塘內(nèi)回流和口門外渦流已下移至窩塘下半部；窩崩發(fā)展穩(wěn)定期，岸坡崩塌、窩塘擴(kuò)大速率緩慢，窩塘回流中心已基本位于口門下端。

(3) 窩塘內(nèi)回流屬于典型的空腔回流，其形態(tài)、范圍和強(qiáng)度隨窩崩發(fā)展而不斷變化；窩崩始發(fā)展至中間階段，回流平面基本呈橢圓形，回流中心強(qiáng)度處于上升狀態(tài)，窩崩程度50%時(shí)回流強(qiáng)度最大；窩崩成熟期和穩(wěn)定期，回流平面趨向圓形，回流中心強(qiáng)度則不斷減小。

(4) 窩塘地形同樣隨窩崩發(fā)展而變化。窩崩發(fā)展初期，窩塘平面上是上下均有所擴(kuò)展，斷面上岸線整體沖刷崩塌后退；之后，窩塘的擴(kuò)展主要在下半部分，最終岸坡保持基本穩(wěn)定，但上層土體崩塌并被水流搬運(yùn)，形成向內(nèi)橫向拓展的半圓形窩塘。

本次研究采用水槽試驗(yàn)的研究手段，分階段研究了流滑型窩崩不同發(fā)展階段水流運(yùn)動(dòng)和地形變化的規(guī)律，試驗(yàn)研究結(jié)果進(jìn)一步揭示了水流侵蝕岸坡的機(jī)理，不僅填補(bǔ)了天然窩崩觀測(cè)資料缺失的空白，也將促進(jìn)沖積河流河床橫向變形的研究，有利于豐富和發(fā)展河流動(dòng)力學(xué)理論。