呂慶標(biāo)，岳紅艷，朱勇輝，李凌云

(長(zhǎng)江科學(xué)院 河流研究所，武漢 430010)

1 研究背景

在沖積平原河流中，崩岸是河道橫向演變的重要表現(xiàn)形式。崩岸現(xiàn)象的頻繁發(fā)生，將嚴(yán)重威脅江河堤防安全、河勢(shì)穩(wěn)定、航運(yùn)發(fā)展和沿岸基礎(chǔ)設(shè)施安全，并造成河道兩岸土地大量喪失等[1]。三峽水庫(kù)的蓄水運(yùn)用改變了長(zhǎng)江中下游河道的水沙條件，由于來(lái)沙量大幅度減少，河道由沖淤總體基本平衡轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)時(shí)期長(zhǎng)距離的沖刷[2]，長(zhǎng)江中下游河道崩岸面臨新的嚴(yán)峻形勢(shì)。雖然兩岸護(hù)岸工程對(duì)河勢(shì)穩(wěn)定起到了積極作用，長(zhǎng)江中下游河道河勢(shì)總體較為穩(wěn)定，但受水流頂沖點(diǎn)上提或下挫的影響，部分未護(hù)河段及失去防護(hù)作用的已護(hù)岸段河勢(shì)調(diào)整劇烈，仍常有崩岸發(fā)生[3]。僅2003—2018年十多年間共發(fā)生崩岸險(xiǎn)情946處，累計(jì)崩岸長(zhǎng)度約704 km。同時(shí)，水庫(kù)的調(diào)度改變了壩下游河道的水位、流量過(guò)程，而水位的漲落與河岸的穩(wěn)定和崩岸的發(fā)生息息相關(guān)。水庫(kù)蓄水期減小出庫(kù)流量，導(dǎo)致下游河道短時(shí)期內(nèi)水位變幅較天然時(shí)期大，對(duì)岸坡穩(wěn)定產(chǎn)生一定不利影響。因而，有必要研究水位變化速率對(duì)河岸崩塌的影響，所得成果對(duì)防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義，同時(shí)也可為三峽水庫(kù)科學(xué)調(diào)度提供科技支撐。以往對(duì)于崩岸問(wèn)題的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者多從影響因素著手，借助的研究方法包括理論分析、數(shù)值計(jì)算及概化模型試驗(yàn)等。

吳玉華等[4]通過(guò)分析馬湖堤崩岸，認(rèn)為馬湖堤崩岸是水流沖刷作用、水位降落速率較快、河岸自身穩(wěn)定性較差等因素共同作用的結(jié)果。王永[5]認(rèn)為水流沖刷作用是長(zhǎng)江安徽河段崩岸的主要因素，其次是河岸地質(zhì)條件和滲流作用。余文疇[6-7]認(rèn)為影響長(zhǎng)江中下游河道崩岸的自然因素可分為水流泥沙運(yùn)動(dòng)條件和河道邊界條件2大類(lèi)，并指出崩岸的實(shí)質(zhì)首先是水流攜沙與泥沙輸移的動(dòng)態(tài)結(jié)果，其次是河道邊界條件抑制或促進(jìn)崩岸的發(fā)生。宗全利等[8]、夏軍強(qiáng)等[9]、劉昭希等[10]、王軍等[11]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采樣，研究了荊江河岸土體力學(xué)特性，認(rèn)為河岸土體組成是影響崩岸的重要因素，且河道水位變化是導(dǎo)致河岸穩(wěn)定性周期性變化的重要原因。概化模型試驗(yàn)方面，岳紅艷等[12]采用塑料模型沙填筑二元結(jié)構(gòu)河岸，通過(guò)室內(nèi)概化模型試驗(yàn)研究，提出了二元結(jié)構(gòu)河岸崩塌的5個(gè)階段，并總結(jié)了河岸坡比、上下土層厚度和流量等對(duì)崩岸的影響。宗全利等[13]通過(guò)試驗(yàn)研究了荊江河段二元結(jié)構(gòu)河岸崩塌機(jī)理，認(rèn)為上荊江崩岸以平面滑動(dòng)為主，下荊江崩岸以繞軸崩塌為主，并根據(jù)二元結(jié)構(gòu)河岸在不同時(shí)期(枯水期、高水期和退水期)的崩塌形式及過(guò)程，提出了相應(yīng)的崩塌計(jì)算模式。數(shù)值模擬多從土力學(xué)角度出發(fā)，依據(jù)各類(lèi)崩塌模式和臨界指標(biāo)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，主要以O(shè)sman和Thorne[14]提出的均質(zhì)黏土河岸穩(wěn)定性分析模型為代表，該模型考慮了沖刷作用下的河岸橫向展寬、臨界坡度、岸坡所受剪切力等因素的影響。此外，部分學(xué)者以數(shù)值模型為基礎(chǔ)進(jìn)行了河岸穩(wěn)定性分析，如馬崇武等[15]通過(guò)計(jì)算黏性土河岸穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)水位漲落對(duì)河岸穩(wěn)定性有重要影響；王博等[16]借助BSTEM模型中的岸坡穩(wěn)定性模塊，計(jì)算了不同水位條件、岸坡形態(tài)和岸頂植被對(duì)穩(wěn)定性的影響；鄧珊珊等[17]考慮了水位變化過(guò)程中河岸潛水位的變化，在此基礎(chǔ)上通過(guò)河岸穩(wěn)定性分析，研究了上荊江河岸穩(wěn)定系數(shù)隨水位變化的過(guò)程。

上述研究表明，崩岸的發(fā)生不僅受水流沖刷作用、河岸土體組成等因素的影響，還與河道水位變化密切相關(guān)。通過(guò)數(shù)值計(jì)算可以直觀地模擬水位變化條件下河岸內(nèi)孔隙水壓力分布情況，并得到河岸穩(wěn)定系數(shù)，但較少關(guān)注河岸實(shí)際的變形情況、崩塌過(guò)程以及崩塌模式。概化模型試驗(yàn)大多采用原型沙且尺度較小，也較少結(jié)合河岸土體內(nèi)部應(yīng)力(如孔隙水壓力)監(jiān)測(cè)進(jìn)行研究。本文在以往研究的基礎(chǔ)上，采用塑料模型沙進(jìn)行概化模型試驗(yàn)，觀察河岸崩塌破壞發(fā)展過(guò)程、監(jiān)測(cè)孔隙水壓力變化情況，初步分析水位變化速率對(duì)崩岸的影響，并結(jié)合數(shù)值計(jì)算模擬不同水位變化速率條件下岸坡穩(wěn)定性的演化特征。

2 概化模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)在封閉水槽內(nèi)進(jìn)行，水槽尺寸為5 m×3 m×1 m(長(zhǎng)×寬×高)。岸坡土體橫斷面上下土層厚度比為1∶2的梯形設(shè)計(jì)，高度為54 cm，另外河床床沙厚30 cm，河岸坡比為1∶1，河岸橫斷面布置見(jiàn)圖1。河岸土體采用分層填筑，每層鋪填厚度為20 cm，以確保河岸土體的均勻性。本次試驗(yàn)在河岸內(nèi)埋設(shè)了4個(gè)孔隙水壓力傳感器，用于監(jiān)測(cè)水位變化情況下孔隙水壓力的變化過(guò)程。岸坡制模時(shí)將傳感器按相應(yīng)位置埋入，并且在土體填筑過(guò)程中要做好儀器防護(hù)以防損壞。

圖1 橫斷面布置

為模擬天然河道二元結(jié)構(gòu)河岸，以長(zhǎng)江中游下荊江河段土體作為原型參考。本次模型試驗(yàn)主要作用力為重力、滲透力等，且重力起主導(dǎo)作用，因此需滿足重力相似準(zhǔn)則。模型沙的選取首先需要滿足運(yùn)動(dòng)相似條件，試驗(yàn)中取原型與模型的水深比尺λh=40，則流速比尺λu=λh1/2=6.32(模型沙與原型沙滿足起動(dòng)相似與揚(yáng)動(dòng)相似)。根據(jù)試驗(yàn)相似設(shè)計(jì)，試驗(yàn)中選用2種不同粒徑的新型復(fù)合塑料沙，上層為中值粒徑0.058 mm的細(xì)沙，下層及河床為中值粒徑0.2 mm的粗沙，分別模擬二元結(jié)構(gòu)河岸上層黏土和下層非黏性土。

試驗(yàn)工況包括水位快速降落和緩慢降落2種情況，以對(duì)比分析水位降落速率對(duì)河道崩岸的影響。模型邊坡制備完成后，向河道內(nèi)緩慢注水至水深45 cm，待邊坡達(dá)到飽和穩(wěn)定后，開(kāi)啟尾門(mén)排水，降水速率分別為0.1 m/h和0.3 m/h。

2.2 試驗(yàn)成果分析

2.2.1 崩塌過(guò)程及模式

圖2為不同水位降落速率條件下的近岸河床地形變化。由圖2可知水位變化速率對(duì)河岸崩塌有重要影響。通過(guò)試驗(yàn)觀測(cè)，在水位漲落過(guò)程中，河岸崩塌主要經(jīng)歷了3個(gè)階段,如圖3所示。

圖2 不同水位降落速率下近岸河床地形變化

圖3 河岸崩塌過(guò)程示意圖

第1階段，在水位緩慢上漲過(guò)程中，岸坡比較穩(wěn)定，局部坡面產(chǎn)生細(xì)微裂縫，崩岸現(xiàn)象較少發(fā)生，近岸地形變化不大，如圖3(a)所示。第2階段，隨著河道水位上漲并穩(wěn)定在高水位，河岸土體受浸泡軟化，岸頂出現(xiàn)縱向裂縫，并不斷發(fā)育展寬變長(zhǎng)，最寬處約1 cm，并且裂縫向四周發(fā)育逐步擴(kuò)展至坡面，河岸形態(tài)開(kāi)始發(fā)生變化，河岸表面部分土體沿岸坡滑落，如圖3(b)所示。第3階段，由于水位降落速率不同，觀察到河岸崩塌破壞強(qiáng)度也有所差異：在水位快速降落過(guò)程中，河道內(nèi)水位隨之急劇回落，河岸穩(wěn)定性大幅降低，河岸土體在自身重力及滲流作用下沿縱向裂縫發(fā)生崩塌，最大后退距離達(dá)20 cm，如圖3(c)所示；相比之下，在水位緩慢降落過(guò)程中，崩岸較少發(fā)生，局部岸灘上的裂縫有所展寬但并未發(fā)生崩塌，岸坡形態(tài)與高水位時(shí)期的地形相比變化不大。

2.2.2 孔隙水壓力變化特征

圖4給出了水位陡降工況下河岸內(nèi)各點(diǎn)實(shí)測(cè)孔隙水壓力和實(shí)際水深變化情況。在河道水深上升至0.45 m的過(guò)程中，孔隙水壓力也在不斷增加，靠近河岸坡面處的測(cè)點(diǎn)最先出現(xiàn)讀數(shù)，且讀數(shù)增大的幅度要明顯大于岸坡內(nèi)測(cè)點(diǎn)讀數(shù)增加的幅度。當(dāng)水位穩(wěn)定至0.45 m后，仍可見(jiàn)孔隙水壓力逐步增大，水體還在向河岸內(nèi)入滲，岸坡內(nèi)非飽和區(qū)域越來(lái)越小，當(dāng)土體飽和后各測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力基本一致，約為6.7 kPa。在水位降落階段，各點(diǎn)孔隙水壓力整體開(kāi)始下降，P-1點(diǎn)距河道較近，孔隙水壓力消散較快，其變化值基本與河道水位變化一致且變化幅度最大，而隨著河岸內(nèi)孔隙水壓力測(cè)點(diǎn)距河道的距離增大，孔隙水壓力變化幅度受河道水位變化的影響在逐步減小，孔隙水壓力變化幅度明顯小于河道水位變化幅度。如當(dāng)河道水位下降15 cm，水深為30 cm時(shí)，離河岸較遠(yuǎn)的P-3、P-4點(diǎn)測(cè)得的孔隙水壓力分別為6.25、6.51 kPa，其相應(yīng)于高水位孔隙水壓力的變化值分別為0.35、0.19 kPa，遠(yuǎn)小于水位下降15 cm所對(duì)應(yīng)的1.5 kPa，且隨著河道水位的進(jìn)一步降落，各測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力的差值也將繼續(xù)增大，差值越大，滲透坡降也越大，不利于河岸穩(wěn)定。而當(dāng)水位緩慢降落時(shí)，各點(diǎn)孔隙水壓力的差值要小很多，滲透坡降較為平緩。

圖4 孔隙水壓力隨時(shí)間變化過(guò)程

3 河岸穩(wěn)定性計(jì)算模型

在進(jìn)行水位變化情況下的岸坡穩(wěn)定性分析時(shí)，需要考慮在水位變化過(guò)程中滲流對(duì)崩岸的影響。對(duì)于水位升降引起的非穩(wěn)定滲流，國(guó)內(nèi)外學(xué)者多采用假定邊界條件隨時(shí)間變化的滲流自由面的方式確定浸潤(rùn)線，進(jìn)而通過(guò)極限平衡法計(jì)算岸坡穩(wěn)定系數(shù)。本文擬采用理正巖土軟件進(jìn)行岸坡穩(wěn)定性分析，先進(jìn)行水位隨時(shí)間變化的滲流分析計(jì)算，從而得到不同時(shí)段岸坡內(nèi)浸潤(rùn)線、孔隙水壓力分布情況，再進(jìn)行岸坡穩(wěn)定性分析。

表1 土體力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

3.1 滲流分析計(jì)算

基于非飽和土理論和基本滲流理論，二維非穩(wěn)定滲流微分控制方程為

(1)

式中：H為總水頭；Kx和Ky分別為水平和豎直方向的滲透系數(shù)；Q為施加的邊界流量，當(dāng)不考慮降雨入滲時(shí)可取為0；Ss為單位儲(chǔ)水系數(shù)(當(dāng)潛水面上升時(shí)為飽和差，下降時(shí)為給水度)；t為時(shí)間。

對(duì)于二維滲流分析計(jì)算模型，通常采用有限元法求解，滲流有限元方程形式為

(2)

式中：[K]為滲透系數(shù)矩陣；{H}為總水頭向量；[M]為單位儲(chǔ)水矩陣；{Q}為流量向量。

在計(jì)算過(guò)程中，初始?jí)毫λ^取初始水位形成的穩(wěn)定滲流的結(jié)果，認(rèn)為流量邊界q(x,y,t)恒為0。

3.2 岸坡穩(wěn)定性計(jì)算

岸坡穩(wěn)定分析采用極限平衡法中的瑞典圓弧法。假設(shè)河岸崩塌形式為圓弧滑動(dòng)，采用瑞典圓弧滑動(dòng)法，將河岸土體劃分為1 m寬的土條，且滑動(dòng)面上各點(diǎn)同時(shí)達(dá)到極限平衡狀態(tài)。岸坡穩(wěn)定系數(shù)F可以由滑動(dòng)面上抗滑力FR與滑動(dòng)力FS之比表示，即F=FR/FS，當(dāng)F低于某一臨界值即可認(rèn)為河岸發(fā)生崩塌。

抗滑力FR主要由土體黏聚力及重力、浮力和滲透力等在滑動(dòng)面法向上的合力的函數(shù)構(gòu)成，即

FR=∑{c′bsecθ+[(W1+W2)cosθ-

(u-Zγw)bsecθ]tanφ′} 。

(3)

其中u=γwZ′。滑動(dòng)力FS主要由重力及滲透力在滑動(dòng)方向分量的合力組成，即

FS=∑(W1+W2)sinθ。

(4)

式中：b為土條的寬度(m)；W1為水位以上土條的重力(kN)，浸潤(rùn)線以上取重度，以下取飽和重度；W2為水位以下土條重力(kN)；Z為水位高出土條底面中心點(diǎn)的距離(m)；Z′為浸潤(rùn)線到土條底面中點(diǎn)的距離(m)；u為孔隙水壓力(kPa)；θ為重力方向與通過(guò)土條中心點(diǎn)半徑的夾角；γw為水的重度(kN/m3)；c′和φ′為土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

3.3 計(jì)算參數(shù)選取

選取的計(jì)算參數(shù)包括岸坡形態(tài)、土層結(jié)構(gòu)、土體力學(xué)特性及水位變化情況。北門(mén)口河段位于下荊江，河岸為上層粉質(zhì)黏土與下層細(xì)砂組成的典型二元結(jié)構(gòu)河岸，并且河岸下部砂土層較厚，下部砂土層又可分為松散-稍密粉細(xì)砂和中密粉細(xì)砂。如圖5，根據(jù)北門(mén)口河段岸坡土體情況，岸坡形態(tài)可概化為如下：河底高程15 m，坡比為1∶2.5，并根據(jù)土體性質(zhì)不同分為上下2層，上部黏性土厚度約4.2 m，下部細(xì)砂層厚33.8 m，另外假設(shè)同類(lèi)土體都為均勻分布。

圖5 北門(mén)口河段岸坡概化形態(tài)

河岸土體力學(xué)特性參數(shù)，包括土體黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ、重度γ、滲透系數(shù)k等通過(guò)查閱相關(guān)資料得到(詳見(jiàn)表1)。

為研究水位變化速率對(duì)崩岸的影響，根據(jù)北門(mén)口上游石首站實(shí)測(cè)資料獲得的2017年5—9月份逐日水位過(guò)程(見(jiàn)圖6)，模擬從水位上漲階段至水位降落階段，設(shè)計(jì)概化水位變化工況如下。水位上升階段：水位從31 m上升至36 m，水位上升速率0.2 m/d，持續(xù)時(shí)間25 d；高水位階段：水位維持在36 m，持續(xù)時(shí)間20 d；水位降落階段：水位從36 m降至32 m，水位下降速率0.2 m/d，持續(xù)時(shí)間20 d。

圖6 2017年石首站水位變化情況

4 岸坡穩(wěn)定性分析

4.1 岸坡穩(wěn)定系數(shù)隨水位變化過(guò)程

根據(jù)上述岸坡概化形態(tài)和水位變化過(guò)程，借助數(shù)值模擬開(kāi)展?jié)B流和岸坡穩(wěn)定性計(jì)算分析，得到岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)的變化規(guī)律(見(jiàn)圖7)。下面按照漲水階段、高水位階段、落水階段分別進(jìn)行分析。

圖7 穩(wěn)定系數(shù)和水位隨時(shí)間的變化曲線

4.1.1 水位上漲階段

在水位上漲過(guò)程中，河道岸坡的穩(wěn)定系數(shù)隨著水位升高而變大。當(dāng)水位上漲時(shí)，側(cè)向水壓力增加，河道向岸坡內(nèi)的滲流可以抵消一部分坡體的滑動(dòng)力；其次在開(kāi)始階段孔隙水壓力變化不大，河岸內(nèi)的基質(zhì)吸力還較大；同時(shí)水位上升導(dǎo)致岸坡含水率變大、抗剪強(qiáng)度減小的幅度較小，從而岸坡的穩(wěn)定系數(shù)隨著水位上漲而變大，河岸較穩(wěn)定，此階段崩岸發(fā)生概率不大。

4.1.2 高水位階段

此過(guò)程河道內(nèi)水位達(dá)到較高值，側(cè)向水壓力對(duì)河岸土體的支撐作用達(dá)到最大；隨之孔隙水壓力達(dá)到穩(wěn)定，基質(zhì)吸力變小，以及土體含水率較高(或達(dá)到飽和)，土體抗剪強(qiáng)度小，岸坡穩(wěn)定系數(shù)出現(xiàn)變小的情況，將促進(jìn)崩岸發(fā)生，隨著時(shí)間的持續(xù)，岸坡內(nèi)浸潤(rùn)線與坡外水位一致時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)開(kāi)始保持穩(wěn)定?？傮w來(lái)說(shuō)，在高水位階段岸坡穩(wěn)定系數(shù)為先減小后不變。

4.1.3 水位降落階段

在退水期，岸坡穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)一步減小，且趨于平緩。在這個(gè)過(guò)程中，水位降落導(dǎo)致岸坡側(cè)向水壓力逐漸消失；岸坡內(nèi)的水流滲透方向由岸坡指向河道，滲透坡降隨著水位降落而增大，且岸坡下層細(xì)砂可能發(fā)生潛蝕，將使岸坡土體的滑動(dòng)力增加；岸坡土體被高水位浸泡后，坡體軟化抗剪強(qiáng)度降低，這些因素都不利于岸坡穩(wěn)定，從而使岸坡穩(wěn)定系數(shù)變小，崩岸發(fā)生機(jī)率增大。

需要指出的是，在此計(jì)算中并未考慮水流沖刷作用對(duì)崩岸的影響。以往研究表明，水流沖刷作用是河道崩岸的最主要因素，故若考慮水流條件，岸坡穩(wěn)定系數(shù)將進(jìn)一步降低。可見(jiàn)，在沖刷作用劇烈的洪水期和沖刷稍弱的落水期都很容易引發(fā)崩岸。

4.2 水位不同降落速率對(duì)崩岸的影響

在水位降落過(guò)程中，不同水位降落速率V對(duì)崩岸的影響不同，圖8給出了水位降落速率在上述基礎(chǔ)上(V=0.2 m/d)及增大1倍和減小1倍后，對(duì)岸坡穩(wěn)定系數(shù)的影響。由圖8可知，水位降落速率越小，河岸穩(wěn)定系數(shù)隨水位降落減小的幅度越小。這是由于水位下降得越慢，岸坡向河道方向的滲透坡降越小，坡體的滑動(dòng)力也相對(duì)偏小。但隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，岸坡內(nèi)的水不斷被排出，指向河道方向的力逐漸減弱，穩(wěn)定系數(shù)反而有所增大。

圖8 不同水位降落速率下的穩(wěn)定系數(shù)

以上研究表明，河道水位降落速率加快將不利于岸坡的穩(wěn)定，導(dǎo)致河道崩岸機(jī)率增加。

5 結(jié) 論

本文通過(guò)概化模型試驗(yàn)初步分析了不同水位變化速率對(duì)河道崩岸的影響，并結(jié)合數(shù)值分析計(jì)算水位變化對(duì)岸坡穩(wěn)定性的影響，得出如下結(jié)論:

(1)通過(guò)概化模型試驗(yàn)研究總結(jié)出了二元結(jié)構(gòu)河岸在水位變化情況下的一般崩塌模式；孔隙水壓力監(jiān)測(cè)表明，岸坡內(nèi)孔隙水壓力消散的滯后作用是導(dǎo)致河岸失穩(wěn)的重要原因，且水位降落速率越快，這種滯后現(xiàn)象越明顯。

(2)河岸穩(wěn)定系數(shù)基本隨水位漲落而變化，隨著水位上升而增大，隨著水位降落而減小，在水位降落階段，水位下降速率越大，穩(wěn)定系數(shù)越小，這與試驗(yàn)中觀測(cè)到的河岸崩塌情況比較一致。

(3)由于受試驗(yàn)條件和時(shí)間的限制，試驗(yàn)考慮的因素還較少，今后也還有很多工作要做，如沖刷條件下的試驗(yàn)研究還未能完全開(kāi)展，模型沙與原型沙力學(xué)性質(zhì)的相似模擬還需進(jìn)一步完善等。