劉月樓 何士華 陳進(jìn)佳

摘要在綜述國內(nèi)外岸灘側(cè)向淘刷及崩塌研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，了解其沖刷機(jī)理及其成因，總結(jié)出其沖刷過程的3種模擬方法，即經(jīng)驗(yàn)?zāi)M法、極值假說模擬法和力學(xué)模擬技術(shù)。論述岸灘側(cè)向淘刷及崩塌模擬的過程以及存在的問題，并分析了3種模擬技術(shù)的適用條件及優(yōu)缺點(diǎn)。最后，對其淘刷機(jī)理及崩塌模擬技術(shù)有待進(jìn)一步解決的問題和改進(jìn)意見進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞岸灘淘刷；崩塌機(jī)理；模擬技術(shù)

中圖分類號TV143文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2017）05-0207-04

AbstractBased on the proceedings of simulation technology of lateral beach scour and collapse at home and abroad， according to the erosion mechanism and its origin， three main simulation methods were identified， which were empirical simulation method， extreme hypotheses simulation method， mechanics simulation technology. The simulation process of lateral beach scour and collapse and existent problems were reviewed， the applicable conditions and advantages and disadvantages of three methods were analyzed. At last， the further problems and improving suggestions of simulation technology of lateral beach scour and collapse were prospected.

Key wordsBeach scour；Collapse mechanism；Simulation technology

基金項(xiàng)目國家自然科學(xué)資金項(xiàng)目（51369013）。

作者簡介劉月樓（1992—），男，安徽合肥人，碩士研究生，研究方向：水工結(jié)構(gòu)。*通訊作者，教授，博士，從事流體動力學(xué)分析與計(jì)算研究。

收稿日期2016-12-31

岸灘側(cè)向淘刷及崩塌在沖積平原河流中時有發(fā)生，是指河岸在天然情況或者人為因素影響下產(chǎn)生沖刷或崩塌使河寬增加的過程，它不但影響河岸土地的綜合規(guī)劃利用，而且影響堤防的安全和穩(wěn)定。因此，研究沖積河道在天然情況或人為因素干擾下岸灘側(cè)向淘刷及崩塌的模擬技術(shù)，具有十分重要的意義。盡管人們對此方面的研究取得了一定的進(jìn)展，但未對其進(jìn)行系統(tǒng)的闡述與分析。筆者對岸灘側(cè)向淘刷及崩塌研究機(jī)理、影響因素以及模擬方法進(jìn)行全面的分類和總結(jié)，針對各類方法的適用范圍、優(yōu)缺點(diǎn)及該領(lǐng)域未來研究問題提出具體的建議。

1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

研究岸灘側(cè)向淘刷及崩塌的機(jī)理不僅能夠預(yù)測其變化趨勢、豐富河床演變的理論，還能夠?qū)拥拦こ痰恼芜M(jìn)行指導(dǎo)，從而達(dá)到趨利避害的作用。隨著專家學(xué)者對該領(lǐng)域的大量研究，使得岸灘側(cè)向淘刷及崩塌理論得到了很好的發(fā)展。Frydman等[1]對河岸穩(wěn)定性進(jìn)行了離心模擬試驗(yàn)，分析了河岸土體滑移面和河岸坡度位移變化規(guī)律；Darby等[2]認(rèn)為河岸的壓實(shí)程度越大、細(xì)砂摻混以及底部泥沙黏度越高，河岸的穩(wěn)定性越高，并提出了泥沙中值粒徑與摩擦休止角是河岸穩(wěn)定的2個重要因素；Osman等[3]和Thorne等[4]認(rèn)為黏性河岸的穩(wěn)定性與河床沖蝕深度及河岸沖蝕兩方面有關(guān)，引起岸灘側(cè)向崩塌最基本的原因是沖刷使河岸的寬度增加以及河岸的坡度變陡，同時，在沖刷過程中河床的下切會增加河岸的高度；在利用數(shù)學(xué)模型解決河岸沖刷及崩塌的模擬技術(shù)上，Nagata等[5]建立非平衡輸沙數(shù)學(xué)模型研究平面岸線崩塌的變化速率與河床變形的關(guān)系；美國土木工程協(xié)會[6-7]根據(jù)黏性河岸與非黏性河岸的明顯差別提出了河寬調(diào)整模型，認(rèn)為黏性河岸比非黏性河岸更加穩(wěn)定。

相對于西方國家的研究，我國理論方面起步稍晚。1949年初進(jìn)行了多次河岸穩(wěn)定與防護(hù)工作的研討會議，具有代表性的是中國科學(xué)院地理研究所分析了九江至河口段的河床邊界條件與河岸崩塌的關(guān)系[8]；陳引川等[9]從河流動力學(xué)角度分析河岸崩塌發(fā)生的條件；孫梅秀等[10]對泥沙運(yùn)動特征進(jìn)行研究，這些都是早期國內(nèi)學(xué)者對研究工作進(jìn)行的經(jīng)驗(yàn)性總結(jié)。20世紀(jì)90年代后我國對河岸沖刷及崩塌機(jī)理的研究更加深入，取得了較為豐碩的成果，如李寶璋[11]在對長江南京河段的河岸崩塌原因進(jìn)行分析時，提出了造成崩塌的動力是大尺度的縱軸螺旋流；夏軍強(qiáng)等[12]建立了準(zhǔn)二維數(shù)學(xué)模型和平面二維數(shù)學(xué)模型對河岸沖刷機(jī)理進(jìn)行研究，這2個模型可以同時反映河岸的沖刷以及河岸的崩塌過程；黃本勝等[13]根據(jù)邊坡理論分析了幾種河岸崩塌的影響因素；張幸農(nóng)等[14]總結(jié)了長江崩岸類型、成因以及影響因素等。這些成果均為我國河岸沖刷及崩塌研究奠定了理論基礎(chǔ)。

國內(nèi)外許多學(xué)者通過經(jīng)驗(yàn)總結(jié)、試驗(yàn)研究和編著論述了河岸邊坡的穩(wěn)定與防護(hù)工作，并取得了較多成果，目前仍有許多該領(lǐng)域的學(xué)者對河岸穩(wěn)定問題進(jìn)行了深入探討。

2岸灘側(cè)向淘刷及崩塌模擬技術(shù)的方法

雖然以往多數(shù)河道沖淤數(shù)學(xué)模型已應(yīng)用于工程實(shí)踐，但這些模型通常均假設(shè)河岸是不可沖刷或?qū)影稕_刷機(jī)理和沖刷速率進(jìn)行大量假設(shè)與簡化，較少考慮到河岸組成物質(zhì)、幾何形態(tài)以及土體特性等對河岸沖刷的影響。它們一般適用于河道寬度變化較小的變形模擬，對一些河寬變化較大的河道進(jìn)行模擬時存在較大誤差。為了使河道沖淤數(shù)學(xué)模型能夠廣泛適用于岸灘側(cè)向淘刷的變形模擬，將具體介紹岸灘側(cè)向淘刷與崩塌機(jī)理及其模擬技術(shù)的3種方法。

2.1岸灘側(cè)向淘刷及崩塌機(jī)理

岸灘側(cè)向淘刷及崩塌是一種很重要的側(cè)向演變過程，在沖積平原河流中十分常見，我國的長江、黃河下游岸灘側(cè)向淘刷和崩塌現(xiàn)象特別明顯。同時，河岸沖刷及崩塌條件多，變形機(jī)理復(fù)雜，又因其具有普遍的危害性，使得多數(shù)學(xué)者致力于該領(lǐng)域的研究，并取得較多成果。岸灘側(cè)向淘刷及崩塌機(jī)理可從其控制條件，洪水期與枯水期對其影響的大小，以及土體顆粒與內(nèi)摩擦角對其影響的角度進(jìn)行分析。按控制條件可分成2種：第1種是受沖積作用控制的河岸沖刷機(jī)理，主要是由于河流直接沖刷河岸，同時在重力作用下引起了岸灘的崩塌；第2種是非沖積作用影響的河岸沖刷引起岸灘崩塌，包括外界條件引起河岸土體強(qiáng)度減小從而造成了河岸崩塌。從枯水期及洪水期的角度分析，在枯水期，由于低水位造成的水流紊動和范圍變形，水流方向與岸邊形成一個夾角，造成河岸沖刷及岸腳淘刷；在洪水期，洪水水位急劇變化加上河岸土體條件的改變等對河岸淘刷及崩塌起到了重大作用，且洪水季節(jié)岸灘崩塌產(chǎn)生的危害遠(yuǎn)大于枯水期。從河岸土體顆粒粒徑及內(nèi)摩擦角這2個影響因素分析，土的抗剪力一般由黏聚力和內(nèi)摩擦力組成，河岸土體顆粒粒徑和密實(shí)程度影響土體顆粒之間的摩擦力和咬合力，岸灘土體顆粒之間越不密實(shí)，其摩阻力越小，更易造成岸灘崩塌，同時岸邊植被對河水淘刷的內(nèi)摩擦角也產(chǎn)生一定的影響。

2.2模擬方法的分類及優(yōu)缺點(diǎn)分析

2.2.1經(jīng)驗(yàn)?zāi)M法。

岸灘淘刷及崩塌模擬過程十分復(fù)雜，在水沙數(shù)學(xué)模型中，經(jīng)驗(yàn)?zāi)M法是用來模擬河岸沖刷過程的模擬方法之一，其主要思想是根據(jù)大量實(shí)測經(jīng)驗(yàn)資料建立相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式來估計(jì)河道寬度變化，從而分析河岸的沖淤狀況。我國許多學(xué)者采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)M法對河岸沖刷進(jìn)行了研究，梁國亭等[15]在研究黃河禹門口至潼關(guān)河段的數(shù)學(xué)模型時利用河相系數(shù)來估算河寬變化，采用以下的河相關(guān)系式：

式中，W為河槽寬度；A為河槽面積；β、α分別為指數(shù)和待定系數(shù)。根據(jù)該河段多年的汛前及訊后的實(shí)測資料，該河段的斷面形態(tài)經(jīng)過回歸求出待定系數(shù)α和指數(shù)β，再假設(shè)沖淤面積為△A，Wk為新主槽寬度，h為水深，當(dāng)W>Wk，且△A>A或者W許炯心[16]認(rèn)為河寬變化是岸壁水流切應(yīng)力和河岸抗沖指標(biāo)比值的函數(shù)，并提出了河寬變化與河岸土體抗沖指標(biāo)之間的關(guān)系式：

式中，M表示河岸的抗沖性指標(biāo)；γ為水的比重；H為水深；J為比降。k1和k2為系數(shù)，與河岸卵石的出露程度有關(guān)。許炯心[16]結(jié)合Lane[17]的河岸及河底抗沖指標(biāo)公式，建立了適用于漢江河岸沖刷的數(shù)值模擬經(jīng)驗(yàn)公式，但其僅適用于黏性物質(zhì)，對非黏性物質(zhì)并不適用。

周建軍等[18]也采用經(jīng)驗(yàn)方法模擬河流展寬，指出河寬變形速度和河岸土體的起動切應(yīng)力有關(guān)，并建立了水流側(cè)向沖刷的河岸速率公式：

式中，ΔB為靠近水的邊灘在迎水面方向的寬度；C為沖刷系數(shù)；τf為水流作用于河床的剪切力；τx為臨界切應(yīng)力。

周建軍等[18]建立的經(jīng)驗(yàn)公式基于明渠非恒定流基本方程和不平衡輸沙模式，反映了水流作用力與邊界反作用力的對比關(guān)系對坍岸速率的影響，曾用于三峽水庫回水變動區(qū)九龍坡河段的河床變形計(jì)算，并與實(shí)體模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，精度滿足實(shí)際工程計(jì)算。

采用經(jīng)驗(yàn)方法模擬的沖刷過程，方法較為簡便，但對不同河道具有局限性。第一是它們只在資料來源的范圍內(nèi)適用；第二是它們未考慮到河岸的幾何形態(tài)對河道展寬的作用；第三是這些方法也未考慮河岸沖刷、崩塌時內(nèi)在的力學(xué)機(jī)理。

2.2.2極值假說模擬法。

極值假說模擬法應(yīng)用于岸灘淘刷與崩塌的原理是利用現(xiàn)有的沖淤變形泥沙數(shù)學(xué)模型，然后加入一個附加方程來預(yù)測河岸寬度的變化，首先根據(jù)水流條件確定河岸寬度的調(diào)整方向，其次是根據(jù)近岸的水沙條件以及河岸可沖刷程度來確定河岸寬度的調(diào)整速率。具有代表性的有張海燕[19]的FLUVIAL模型及美國墾務(wù)局開發(fā)的GSTARS模型[20]。

FLUVIAL模型主要功能有河床沖淤、寬度調(diào)整以及彎道變化而產(chǎn)生的河床變形計(jì)算。由于泥沙運(yùn)動與河床的幾何形態(tài)變化比水流條件的變化緩慢，此模型假設(shè)沖淤過程和水流計(jì)算不耦合、水流計(jì)算同彎道變化相耦合[19]。GSTARS系列模型的主要特征之一是最優(yōu)化方法的運(yùn)用，其用于河流侵蝕、沉積、河流形態(tài)、河流工程以及河流恢復(fù)研究[21-22]。2個模型都是根據(jù)泥沙輸移模型得出的斷面沖淤面積，其值代表河床及河岸總的沖淤變化面積。而總沖淤面積在斷面上的分配是首先計(jì)算出河岸寬度調(diào)整的大小，再將計(jì)算出的總沖淤面積分配到河床和河岸上，但對于河寬調(diào)整量的大小是在假設(shè)的河段水流功率趨近于均勻化或者水流的能量耗散趨近于最小值的前提下計(jì)算得到。

Lane[17]建立臨界切應(yīng)力方法確定河寬，此種方法要求河岸的允許切應(yīng)力不小于水流切應(yīng)力，在一定的流量、比降、糙率等條件下，并加入曼寧公式可得到切應(yīng)力與河寬的關(guān)系。在已知河床顆粒的粒徑后，可通過Lane[17]提出的切應(yīng)力與河寬關(guān)系曲線，查出切應(yīng)力對應(yīng)的河寬值，當(dāng)所查河寬大于原河寬時，岸灘發(fā)生沖刷。

雖然極值假說法運(yùn)用較多，但在模擬河道展寬過程亦具有很大的局限性，Griffiths[23]表明極值假說法所得結(jié)果與實(shí)際觀測的結(jié)果存在一定差異。極值假說模擬法僅適用于非黏性河岸的側(cè)向淘刷及崩塌的模擬，可估計(jì)河流由不平衡狀態(tài)向平衡狀態(tài)的河寬調(diào)整狀態(tài)，但不能預(yù)測河流不平衡狀態(tài)下的河寬調(diào)整過程。再者，極值假說僅能估計(jì)河寬變化的總量，無法準(zhǔn)確估計(jì)河岸的變化情況。

2.2.3

力學(xué)模擬技術(shù)。

力學(xué)模擬技術(shù)主要根據(jù)水動力學(xué)模型計(jì)算河床的沖淤變形狀況，然后采用土力學(xué)模型進(jìn)行河岸穩(wěn)定性分析，可用于黏性土河岸、非黏性土河岸及混合土河岸的數(shù)值模擬。

對于黏性土河岸的力學(xué)模擬，以O(shè)sman等[3]和Thorne等[4]的方法為代表，該方法根據(jù)河岸的沖刷速率經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出河岸側(cè)向沖刷后退距離，再進(jìn)行河岸的邊坡穩(wěn)定性分析。

黏性河炭水流側(cè)向沖刷后退距離公式：

式中，△B為△t時間內(nèi)黏性河岸側(cè)向沖刷間隔；k為側(cè)向沖刷系數(shù)；τc為河岸土體起動切應(yīng)力；τ為河道水流切應(yīng)力；γs為河岸土體的容重。該力學(xué)分析方法模擬河岸的橫向展寬已采用數(shù)學(xué)模型。

王新宏[24]和黃金池等[25]對Osman等[3]提出的橫向沖刷距離計(jì)算公式進(jìn)行了改進(jìn)，他們分別考慮了水位變化和休止角等對河岸土體物理特征的影響，黃金池等[25-26]提出了沖擊河流數(shù)學(xué)模型的簡化處理模式（圖1）。

圖1中1、3為崩塌滑動坡面線；2、4剖面線為岸灘崩塌臨界線；b1為河岸塌落度，即河岸沖刷的橫向展寬。黃金池等[25-26]認(rèn)為水上岸灘的崩塌是由于河岸發(fā)展變陡峭后引起的，假定岸坡產(chǎn)生崩塌前臨河剖面與水流方向垂直，臨界滑動面為直線，水上部和水下部的休止角均相同，帶入Osman等[3]的黏性河岸側(cè)向沖刷公式可計(jì)算黃河中游一支流的河岸沖刷橫向展寬。

對于非黏性土河岸的數(shù)值模擬，主要以Nagata等[5] 、Pizzuto[27]、Duan等[28]提出的河岸淘刷與崩塌模型為代表。他們認(rèn)為岸灘淘刷崩塌過程是由于河岸邊坡處河床的沖刷，其引起岸灘坡度發(fā)生變化，河岸陡峭、岸灘增高，致使河岸發(fā)生崩塌。崩塌后的河岸土體在岸坡前淤積，淤積物被水流沖走，又開始新的沖刷和崩塌。因此，這是一個沖刷、崩塌、淤積的循環(huán)過程。此外，在室內(nèi)試驗(yàn)和野外觀測中還發(fā)現(xiàn)，河岸崩塌的岸坡角度與原坡面形態(tài)相似，且該角度等于水下休止角。通過此方法，Nagata等[5]模擬出河道由順直向彎曲演變的整體過程，且與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果符合良好。

對于混合土河岸沖刷過程的力學(xué)模擬技術(shù)以Fukuoka[29]為代表。他認(rèn)為自然河岸是由砂、黏土、粉砂以及各種類型的土體構(gòu)成的層狀結(jié)構(gòu)，河岸沖刷過程不能單從某一土體結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，因?yàn)檫@反映不出自然河岸的沖蝕面貌。Fukuoka[29]通過大量實(shí)地勘察和研究得出，對于混合土河岸的自然沖蝕過程分為3個重復(fù)的階段，即沖蝕、崩塌和輸移，同時還對土塊輸移機(jī)理、輸移所需時間和預(yù)測岸灘崩塌的臨界長度分析法進(jìn)行研究。

力學(xué)模擬技術(shù)比以前的方法有較大進(jìn)步，可用于多種形態(tài)的河道淘刷與崩塌模擬，但仍存在以下缺點(diǎn)：首先其未對靜水壓力和孔隙水壓力對河岸穩(wěn)定性進(jìn)行分析；其次由于河岸崩塌滑動面須通過岸坡腳，且河岸崩塌滑動面計(jì)算較為復(fù)雜，與實(shí)際情況存在一定誤差。

3小結(jié)與討論

該研究采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)M法、極值假說模擬法模擬河道側(cè)向淘刷及崩塌過程，考慮的是河岸沖刷及崩塌的力學(xué)機(jī)理；力學(xué)模擬法不僅考慮河岸沖刷及崩塌時的力學(xué)機(jī)理，同時考慮了非黏性河岸和黏性河岸的河床沖淤變形狀況，建立了水土力學(xué)模型進(jìn)行岸灘穩(wěn)定性分析，是今后發(fā)展的主要方向。但由于岸灘淘刷與崩塌的模擬過程較為復(fù)雜，對存在的問題和改進(jìn)方法仍需要在以下方面進(jìn)行深入研究：

①大多黏性河岸穩(wěn)定性分析方法用于一般的矩形或者梯形斷面，但對于天然河道斷面形態(tài)不適用，因?yàn)橐环矫娣€(wěn)定性分析復(fù)雜，另一方面難以確定從河岸沖刷或崩塌下來的泥沙在橫斷面上的分布。對非黏性河岸而言，確定河岸側(cè)向淘刷時的后退距離及損失面積、河岸崩塌的體積變化與侵蝕土方量變化等均相當(dāng)困難；

②這些模擬技術(shù)大多是來自室內(nèi)試驗(yàn)的成果，若把這些公式或模型用于實(shí)際河道計(jì)算會有一定的差異，因此在這方面必須進(jìn)行深入的研究，使其用于實(shí)際天然河岸的計(jì)算；

③目前我國多數(shù)的河岸侵蝕研究局限于長江流域或黃河下游的某一段河道，一方面選取的河段雖具代表性，但不同河段地形地貌、侵蝕類型及嚴(yán)重程度在空間分布上有所差異，另一方面我國其他流域的河岸侵蝕研究缺乏詳細(xì)的調(diào)查資料及模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，運(yùn)用一般的理論分析方法或數(shù)學(xué)模型不能有效地解決河岸侵蝕的問題；

④岸邊植被對河岸沖刷過程和河岸邊坡穩(wěn)定具有重要影響，且植被的覆蓋率與河岸土體起動切應(yīng)力有關(guān)，但目前缺乏定量對河岸植被與河岸抗沖刷的研究，植被對河岸土體抗沖的影響是未來該領(lǐng)域不能忽略的一個問題。

4展望

由于河岸侵蝕問題影響因素復(fù)雜，對具體的研究對象，可在以往的理論基礎(chǔ)及經(jīng)驗(yàn)方法上，充分結(jié)合自然災(zāi)害、地質(zhì)災(zāi)害、風(fēng)險評估、環(huán)境管理等學(xué)科進(jìn)行具體分析，進(jìn)一步研究河岸侵蝕與泥沙的沖刷、搬運(yùn)和堆積的機(jī)理，明確河岸侵蝕對河流泥沙的影響；其次，加強(qiáng)對河岸的直接觀察和測量的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范制訂，對具體河道采用適宜的觀測方法，盡量避免觀測誤差，同時可利用先進(jìn)的“3S”技術(shù)對河岸侵蝕的風(fēng)險因素進(jìn)行收集量化分析，得出諸因素的時空分布規(guī)律，并對河岸侵蝕的強(qiáng)烈程度進(jìn)行風(fēng)險評估；再者，室內(nèi)對水流泥沙的基本運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)及對具體河段進(jìn)行實(shí)體模型試驗(yàn)時，要充分認(rèn)識室內(nèi)環(huán)境的局限性，對特殊的天然河道實(shí)體模型須加入附加影響條件，最大化使模擬條件同天然條件一致；最后，充分借助電子計(jì)算機(jī)推求水流泥沙運(yùn)動與河床演變問題的近似解，通過模擬計(jì)算的結(jié)果與數(shù)學(xué)模型結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，并對比模型與實(shí)測資料的吻合程度，不斷進(jìn)行優(yōu)化，以此滿足工程的需要。

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