龔 政，唐 帥，趙 堃，張凱麗

(河海大學(xué)江蘇省海岸海洋資源開發(fā)與環(huán)境安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098)

潮溝是一種發(fā)育在潮間帶、由海洋動(dòng)力作用形成的潮汐通道[1-2]，泥灘潮溝因不斷經(jīng)歷漲、落潮交替過(guò)程，溝內(nèi)水位變幅大、頻次高，且溝壁的物質(zhì)組成多為無(wú)黏性粉砂[3]，易形成滲流。受潮汐作用和沉積物性質(zhì)影響，潮溝頻繁遷移、擺動(dòng)，引起曲流和溯源侵蝕，嚴(yán)重威脅沿海堤閘、海上風(fēng)電等海岸工程建設(shè)安全[4]，已成為學(xué)術(shù)界和工程界的前沿和焦點(diǎn)問題[5-8]。因此，亟需耦合海岸動(dòng)力學(xué)與土力學(xué)過(guò)程，揭示滲流對(duì)潮溝溝壁崩塌的作用機(jī)理[9]。

對(duì)于溝壁崩塌的成因，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍接受的觀點(diǎn)認(rèn)為，當(dāng)作用于潛在破壞面上的驅(qū)動(dòng)力(力矩)克服抵抗力(力矩)時(shí)，發(fā)生溝壁崩塌過(guò)程[10-14]。在研究潮溝溝壁崩塌時(shí)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者多采用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)[15-18]、數(shù)值模擬和物理模型等手段[19-24]。近年來(lái)有學(xué)者發(fā)現(xiàn)水位變化引起的滲流是溝壁崩塌的重要誘因，并據(jù)此建立了二維斷面模型，探究了溝壁高度、剖面形態(tài)和近岸水動(dòng)力過(guò)程等因素[22-24]的影響。然而，上述研究往往對(duì)溝壁崩塌過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化，且不難發(fā)現(xiàn)，這些研究更多是對(duì)大江大河的溝壁崩塌機(jī)理進(jìn)行探索，很少關(guān)注海岸環(huán)境中滲流對(duì)溝壁崩塌的影響機(jī)制。

本文以江蘇中部沿海泥灘潮溝為研究對(duì)象，開展?jié)B流作用下溝壁崩塌動(dòng)力機(jī)制研究。由于該區(qū)域潮溝分布廣、形態(tài)差異大、動(dòng)力過(guò)程復(fù)雜，以往采用的二維斷面模型(溝壁寬度較小模型)忽略了滲流沿潮溝寬度方向的差異，無(wú)法準(zhǔn)確復(fù)演溝壁崩塌過(guò)程。因此，本研究建立三維物理模型，重點(diǎn)關(guān)注物理模型設(shè)計(jì)、試驗(yàn)過(guò)程分析及溝壁坍塌機(jī)理探究，并提供溝壁崩塌過(guò)程的力學(xué)解釋。

1 研究區(qū)域概況

江蘇海岸帶地處中國(guó)沿海中部，北起連云港繡針河口，南抵長(zhǎng)江口北岸連興港，海岸線全長(zhǎng)為954 km，粉砂淤泥質(zhì)海岸占比90%以上。本文以江蘇中部沿海川東港南側(cè)潮灘潮溝系統(tǒng)為研究對(duì)象(圖1(a)，圖片來(lái)源于美國(guó)地質(zhì)勘探局，2022年6月)，該區(qū)域潮間帶寬度為7～10 km[25]，平均坡度為0.1%～1%[26]。潮灘沉積物呈現(xiàn)明顯的分帶性特征，由陸向海依次為潮上帶草灘、高潮位泥灘、中潮位泥砂混合灘和低潮位粉砂細(xì)砂灘[27]。研究區(qū)海岸屬于中等潮差海岸，潮汐類型為不規(guī)則半日潮，平均潮差為3.68 m，最大潮差約4 m[28]。近岸潮流為往復(fù)流且平行于海岸，漲落潮歷時(shí)比值約為0.73，普遍呈現(xiàn)漲潮歷時(shí)小于落潮歷時(shí)；漲落潮流速比值約為1.4，普遍呈現(xiàn)漲潮流速大于落潮流速。研究區(qū)波浪作用較弱，冬季有效波高較大但小于1 m，其他季節(jié)有效波高均小于0.5 m[29]。研究區(qū)域內(nèi)潮溝廣泛發(fā)育，落潮期間潮溝溝壁崩塌過(guò)程頻繁發(fā)生(圖1(b))。

圖1 研究區(qū)域位置和潮溝溝壁崩塌觀測(cè)Fig.1 Location of study area and on-site bank collapse observation

2 物理模型設(shè)計(jì)及試驗(yàn)流程

本試驗(yàn)?zāi)M恒定滲流水頭作用下的潮溝溝壁崩塌過(guò)程。雖然真實(shí)條件下溝壁崩塌過(guò)程受滲流與側(cè)向流共同作用，但在落潮末期側(cè)向流較淺且多發(fā)生在潮溝中間低洼處，潮溝兩側(cè)溝壁可認(rèn)為由滲流主導(dǎo)(圖1(b))。

2.1 試驗(yàn)土體性質(zhì)

(1) 現(xiàn)場(chǎng)泥沙特性分析。將潮溝溝壁表層、中層和底層土壤進(jìn)行取樣并等量摻混，測(cè)得土體含水率ω=29.06%，土體的平均密度ρs=1.98 g/cm3。

表1 試驗(yàn)土體參數(shù)

2.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置由3部分組成：溝壁塑造區(qū)、滲流模擬區(qū)及水循環(huán)系統(tǒng)，布置如圖2所示。溝壁塑造區(qū)長(zhǎng)3.2 m，寬1.2 m，高1.0 m；滲流模擬區(qū)長(zhǎng)3.0 m，寬0.2 m，高1.0 m。溝壁塑造區(qū)正中間設(shè)置混凝土隔墻，兩側(cè)為有機(jī)玻璃，緊貼有機(jī)玻璃內(nèi)壁為混凝土墻，3塊墻體分隔出2個(gè)相同區(qū)域，可進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn)。溝壁塑造區(qū)后方為滲流模擬區(qū)，由有機(jī)玻璃板和玻璃水箱組成。為模擬滲流，有機(jī)玻璃板上設(shè)置均勻圓形孔洞，孔洞直徑為0.8 cm，相鄰孔洞圓心距為2 cm。玻璃水箱中間設(shè)置隔板，隔板兩側(cè)分別連接水循環(huán)系統(tǒng)來(lái)控制滲流水位。

傳感器位置如圖2(b)，每次試驗(yàn)左右兩邊為2組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)各選取1個(gè)斷面放置4個(gè)基質(zhì)吸力傳感器、1個(gè)土壓力傳感器和1個(gè)水分傳感器，每組試驗(yàn)斷面位置均在重塑岸壁的正中間位置，土體寬度為140 cm，傳感器斷面位置為距離左右兩邊70 cm處，斷面位置固定，位置如圖2(a)所示。

圖2 物理模型試驗(yàn)裝置和傳感器位置Fig.2 Physical model experiment device and the position of sensors

2.3 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)具體流程可分為以下4個(gè)步驟：

(1) 固定溝壁形態(tài)。試驗(yàn)開始前，在溝壁塑造區(qū)前固定木板，以實(shí)現(xiàn)溝壁各土層的緊密壓實(shí)。將塑料保鮮膜覆蓋在木板表面來(lái)減小土體和木板間的摩擦力，確保移除木板后溝壁的完整性。為減小溝壁土體與混凝土墻之間的夾持力，在其接觸的前半部分插入薄板，并涂抹凡士林，溝壁建造完成后抽出。

(2) 堆土重塑溝壁。溝壁的重塑使用現(xiàn)場(chǎng)收集的潮溝邊壁土體通過(guò)構(gòu)建一系列15 cm高土層逐步完成。對(duì)每一土層填充420 kg土體以達(dá)到預(yù)設(shè)密度(2.0 g/cm3)。土層的壓縮采用表面積分別為100 cm2和300 cm2的手錘進(jìn)行。當(dāng)土層壓縮完成后，放置12 h，使其在自重下充分排水固結(jié)。當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)的溝壁高度，將土體放置48 h。

(3) 繪制網(wǎng)格線。溝壁重塑完成后移除木板，在溝壁表面繪制一系列白色正交網(wǎng)格線，用于量化溝壁整體后退距離和局部破壞。網(wǎng)格線的橫向和縱向間距均為20 cm。

(4) 數(shù)據(jù)采集及處理。堆土過(guò)程中埋設(shè)基質(zhì)吸力、土壓力和土壤水分傳感器，用來(lái)測(cè)量溝壁崩塌過(guò)程中孔隙水壓力、總應(yīng)力和含水量的實(shí)時(shí)變化。分別在溝壁前方和上方安裝攝像機(jī)記錄試驗(yàn)過(guò)程中土體的變形和破壞，并從拍攝影像中提取圖片計(jì)算溝壁頂部后退距離以及溝壁的后退速率[24]。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 溝壁崩塌模式差異

為探究潮溝溝壁內(nèi)部滲流對(duì)溝壁崩塌的影響，共進(jìn)行4組試驗(yàn)。每組試驗(yàn)改變滲流水頭高度，并控制其他參數(shù)不變。圖3給出了試驗(yàn)期間溝壁演變過(guò)程，其中溝壁高度均為60 cm，4組試驗(yàn)的滲流水頭高度分別為15、30、45和60 cm。圖3(d)中滲流水位與溝壁高度相近，導(dǎo)致溝壁背部土體因水流漫灘被卷入滲流水箱。

由此推論，對(duì)任何一個(gè)違法亂紀(jì)者而言，查處真的是一種愛護(hù)。從這個(gè)角度講，被查處者不論受到的是處分或者處罰，都要有這種清醒認(rèn)識(shí)，做到口無(wú)怨言、心存感激。這樣，才有助于痛改前非，重新做人。

圖3 滲流作用下的潮溝溝壁崩塌過(guò)程Fig.3 Bank collapse process of tidal channel in response to seepage

試驗(yàn)一中溝壁高度設(shè)為60 cm，滲流水頭為15 cm，試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為6 h。定義試驗(yàn)開始時(shí)間為滲流水頭達(dá)到預(yù)設(shè)高度。試驗(yàn)進(jìn)行到62 min時(shí)，溝壁下部觀察到水流出滲，隨即發(fā)生小范圍的底切破壞；在隨后30 min內(nèi)，上述過(guò)程持續(xù)發(fā)生，底切破壞連結(jié)成片，形成懸臂狀的溝壁結(jié)構(gòu)；試驗(yàn)進(jìn)行到155 min時(shí)，懸臂頂部出現(xiàn)大規(guī)模的拉裂縫，隨后裂縫向下延伸，溝壁中部發(fā)生懸臂破壞，見圖3(a)、圖3(b)，在剩余時(shí)間內(nèi)沒有觀察到其他破壞。

試驗(yàn)二中溝壁高度設(shè)為60 cm，滲流水頭為30 cm，試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為6 h。試驗(yàn)進(jìn)行到36 min時(shí)，溝壁底部觀察到顯著的底切侵蝕，具體位置為中部和左右2個(gè)坡腳，2 min后，上述過(guò)程連結(jié)成片，形成懸臂狀的溝壁結(jié)構(gòu)；在隨后13 min內(nèi)，溝壁底部侵蝕加劇，導(dǎo)致頂部出現(xiàn)橫向張裂縫；隨著溝壁頂部裂縫的發(fā)育，試驗(yàn)進(jìn)行到51 min時(shí)，發(fā)生懸臂破壞，如圖3(a)、圖3(b)。在剩余時(shí)間內(nèi)沒有觀察到其他破壞。

試驗(yàn)三中溝壁高度設(shè)為60 cm，滲流水頭為45 cm，試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為3 h。試驗(yàn)進(jìn)行到26 min時(shí)，溝壁底部觀察到滲水，且頂部形成橫向裂縫，隨著溝壁頂部裂縫的發(fā)育，溝壁底部滲流侵蝕加??；不同于前2組試驗(yàn)，底切侵蝕并沒有形成懸臂狀的溝壁結(jié)構(gòu)，卻使得溝壁整體向前推移；試驗(yàn)進(jìn)行到30 min時(shí)，溝壁頂部拉裂縫寬度達(dá)到峰值，溝壁右部發(fā)生張拉破壞，2 min后左部也隨之發(fā)生張拉破壞，如圖3(c)、圖3(d)。在剩余時(shí)間內(nèi)沒有觀察到其他破壞。

試驗(yàn)四中溝壁高度設(shè)為60 cm，滲流水頭為60 cm，試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為3 h。試驗(yàn)進(jìn)行到17 min時(shí)，溝壁底部出現(xiàn)滲水，同時(shí)頂部形成了橫向裂縫。與第3組試驗(yàn)類似，沒有觀察到懸臂結(jié)構(gòu)的溝壁形態(tài)，底切侵蝕將溝壁整體向前推移；隨著溝壁頂部裂縫的發(fā)育，裂縫前土體在滲流作用下不斷向前推移，如圖3(c)、圖3(d)。在剩余時(shí)間內(nèi)沒有觀察到其他破壞。

基于上述溝壁崩塌過(guò)程，不難發(fā)現(xiàn)存在2種破壞模式。對(duì)于試驗(yàn)一和試驗(yàn)二，由于滲流水頭較低，溝壁發(fā)生以底切破壞為顯著特征的滲流侵蝕，進(jìn)而形成懸臂狀的溝壁結(jié)構(gòu)，最終發(fā)生懸臂破壞；試驗(yàn)三和試驗(yàn)四由于滲流水頭較高，在滲流力作用下溝壁整體向前推移，溝壁頂部出現(xiàn)張裂縫，最終發(fā)生張拉破壞。

3.2 溝壁線變化過(guò)程及溝壁后退速率

圖4(a)為溝壁崩塌引起的溝壁線變化，其中，試驗(yàn)一、試驗(yàn)二和試驗(yàn)三溝壁線整體呈拱形，溝壁中部坍塌較多，兩側(cè)較少；試驗(yàn)四因滲流力作用較為均勻，溝壁線呈現(xiàn)整體后退。4組試驗(yàn)溝壁線后退距離峰值均不超過(guò)40 cm，試驗(yàn)一、試驗(yàn)二和試驗(yàn)四后退距離峰值均在38 cm左右。溝壁頂部后退距離均值與破壞模式相關(guān)，相較于張拉破壞，發(fā)生懸臂破壞時(shí)后退距離均值較大。相同破壞模式下，滲流水頭較低時(shí)后退距離均值較小。

圖4 溝壁崩塌引起的溝壁線變化和溝壁后退速率Fig.4 Bank line evolution and bank retreat rate due to bank collapse events

溝壁后退速率可由單位時(shí)間內(nèi)溝壁頂部的后退距離表示，故采用公式：

(1)

表2 溝壁后退速率

式中：E為溝壁后退速率，m/s；S為溝壁頂部坍塌面積，m2；a為頂部溝壁線的初始長(zhǎng)度，m；t為滲流的作用時(shí)長(zhǎng)[24]。溝壁后退速率的計(jì)算結(jié)果見表2。

圖4(b)為溝壁后退速率與滲流水頭的關(guān)系，可見，滲流水頭與溝壁后退速率均值存在顯著的正相關(guān)關(guān)系(R2=0.77)。在擬合曲線時(shí)發(fā)現(xiàn)，使用溝壁后退距離峰值及中位值計(jì)算所得的后退速率，與滲流水頭仍存在顯著正相關(guān)關(guān)系(R2=0.88、R2=0.81)。

3.3 土體參數(shù)變化及溝壁崩塌力學(xué)機(jī)理

溝壁崩塌過(guò)程中土體參數(shù)變化如圖5所示，圖中箭頭表示溝壁崩塌發(fā)生。

(1) 試驗(yàn)一和試驗(yàn)二。在試驗(yàn)初期，隨著滲流對(duì)溝壁作用時(shí)長(zhǎng)的增加，土壓力傳感器數(shù)值穩(wěn)步上升，接近峰值時(shí)溝壁發(fā)生底切侵蝕且坡腳土被帶出，達(dá)到峰值后溝壁上部出現(xiàn)裂縫，應(yīng)力釋放，溝壁有坍塌趨勢(shì)。試驗(yàn)一因滲流水頭低，滲流力弱，裂縫發(fā)育慢，滲流力作用一段時(shí)間后裂縫拉大，溝壁最終發(fā)生懸臂破壞。相較于試驗(yàn)一，試驗(yàn)二中滲流水頭高，裂縫發(fā)育快，在應(yīng)力釋放后裂縫隨即拉大，進(jìn)而發(fā)生懸臂破壞。類似地，試驗(yàn)初期，隨著水流入滲土體含水率緩慢上升，水分傳感器數(shù)值增加，接近峰值時(shí)發(fā)生溝壁崩塌。因基質(zhì)吸力傳感器位置較高，其數(shù)值無(wú)明顯變化。

圖5 土體參數(shù)變化過(guò)程Fig.5 Variation in soil properties

圖6 不同模式溝壁崩塌過(guò)程的示意Fig.6 Sketch of bank collapse for different modes

(2) 試驗(yàn)三和試驗(yàn)四。在試驗(yàn)初期，土壓力傳感器數(shù)值快速上升，達(dá)到峰值后溝壁上部開始出現(xiàn)張拉裂縫，此時(shí)應(yīng)力釋放，土壓力傳感器數(shù)值下降。相較于試驗(yàn)一，后續(xù)3組試驗(yàn)中土壓力數(shù)值上升速度較快，且破壞后土壓力數(shù)值減小較多。由于底切侵蝕沒有將溝壁土體帶出形成懸臂，隨著底切侵蝕擴(kuò)大，溝壁整體向前推移。觀察到基質(zhì)吸力傳感器T2和T4的測(cè)數(shù)快速下降，表明土體含水率的升高，由此可知溝壁崩塌前土體抗拉強(qiáng)度降低。

由3.1可知，溝壁崩塌模式與滲流相關(guān)，結(jié)合上述土體參數(shù)的變化過(guò)程可分析溝壁崩塌的力學(xué)機(jī)理如圖6所示。由圖6可以看出：溝壁崩塌模式可以分為2種，一是滲流較低時(shí)發(fā)生的懸臂破壞，二是滲流較高時(shí)發(fā)生的張拉破壞；2種破壞模式均經(jīng)歷3個(gè)階段，與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的落潮不同階段的溝壁崩塌過(guò)程吻合。

當(dāng)滲流較低時(shí)(落潮末期)，溝壁坡腳首先發(fā)生底切侵蝕。隨著坡腳土體被出滲水流帶出，溝壁底部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，溝壁上部形成懸臂。在懸臂重力驅(qū)動(dòng)下，溝壁頂部形成張裂縫，隨著裂縫發(fā)育，發(fā)生懸臂破壞(圖6(a))。

在滲流較高時(shí)(落潮初期)，滲流的作用使溝壁坡腳處的土體強(qiáng)度降低，底部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。進(jìn)一步，隨著滲流入滲，溝壁內(nèi)部土體強(qiáng)度逐步降低(表現(xiàn)為基質(zhì)吸力的降低，見圖5(c)和圖5(d))。當(dāng)滲流力大于土體顆粒間的摩擦力時(shí)，溝壁頂部出現(xiàn)張拉裂縫，隨即裂縫向下延伸，溝壁最終發(fā)生張拉破壞(圖6(b))。

綜上所述，2種破壞模式的轉(zhuǎn)折點(diǎn)取決于滲流力與土體摩擦力的相對(duì)大小，因此，滲流是影響潮溝溝壁崩塌的關(guān)鍵因素。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)滲流對(duì)潮溝溝壁穩(wěn)定性的影響機(jī)制，建立了三維物理模型試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)影像和傳感器數(shù)據(jù)的分析，研究了滲流作用下潮溝溝壁崩塌的力學(xué)機(jī)理，主要結(jié)論如下：

(1) 溝壁崩塌模式與滲流相關(guān)。低滲流水頭時(shí)，溝壁首先發(fā)生底切侵蝕，形成的懸臂最終因頂部裂縫的發(fā)育而破壞；高滲流水頭時(shí)，土體的抗拉強(qiáng)度因含水率的增加而降低，當(dāng)滲流力大于土體顆粒間的摩擦力時(shí)，發(fā)生張拉破壞。

(2) 基于試驗(yàn)影像獲取的溝壁線變化過(guò)程可計(jì)算溝壁后退速率，且溝壁后退速率與滲流水頭存在顯著正相關(guān)關(guān)系。

(3) 揭示了在滲流作用下潮溝因滲流水頭不同導(dǎo)致最終崩塌模式不同的力學(xué)機(jī)理，進(jìn)而解釋了現(xiàn)場(chǎng)潮溝從落潮初期(高滲流水頭)到落潮末期(低滲流水頭)的溝壁崩塌過(guò)程，通過(guò)比較土體破壞模式的差異，發(fā)現(xiàn)滲流是影響潮溝溝壁崩塌的關(guān)鍵因素。