葉威 章光 胡少華 鄭龍志

摘要：為研究河流沖刷作用對堤岸穩(wěn)定性的影響，將河床沖淤和堤岸侵蝕后退計算理論相結合，針對下荊江典型二元河岸，通過對考慮沖刷與未考慮沖刷的堤岸進行數(shù)值模擬，分析了不同水位升降下堤岸穩(wěn)定性演化規(guī)律。結果表明，當考慮河流沖刷作用后，由于河床的下切及坡腳沖刷會導致岸坡的高度與坡度逐漸增大，在水位上升階段，堤岸的安全系數(shù)隨著水位上升而減小，且減小的幅度逐漸變大;在水位下降階段，堤岸的安全系數(shù)則隨著水位下降而減小，且下降的幅度明顯大于未考慮沖刷作用時下降的幅度。

關鍵詞：堤岸穩(wěn)定性;河道演變;崩岸;沖刷作用;數(shù)值模擬

中圖法分類號：TV147文獻標志碼：A

文章編號：1006-0081（2019）01-0042-06

沖積河流中，堤岸的侵蝕后退是十分普遍的現(xiàn)象，嚴重時還會導致堤岸發(fā)生崩塌，而這也是影響河流環(huán)境中地質、生態(tài)和社會經濟問題的重要因素。截至2016年11月底，長江干流、主要支流及尾閭在一年里共發(fā)生河道崩岸險情181處，崩岸長度69 708m。堤岸侵蝕后退的成因和機理十分復雜，不僅受到近岸的水沙運動和河床沖淤的影響，而且與河岸土壤的組成和潛水位置的變化過程密切相關。目前已有很多相關研究認為近岸處水流側向沖刷作用是造成堤岸崩塌的主要因素。例如，長江中下游80%的堤岸崩塌發(fā)生于近岸水流沖刷的彎道凹岸或迎流頂沖點。因此，對于堤岸穩(wěn)定性問題，尤其是河流沖刷對堤岸穩(wěn)定性產生的影響，受到了許多國內外研究人員的重視。

早在20世紀80年代，C.R.Thorne[1]就提出水流作用和因外界其它因素導致的河岸土體強度降低及風化是河岸侵蝕的主要原因。水流對河岸的沖刷侵蝕作用主要體現(xiàn)在兩個方面：一方面是水流直接沖刷河岸土體的泥沙顆粒或團粒并將其沖走，使河岸后退;另一方面則是岸腳被沖刷淘空后導致河岸的高度變高或坡腳變陡，從而使河岸上部的土體因為重力原因而垮落。之后，A.M. Osman等[2]在考慮了河岸橫向展寬、臨界坡度、臨界剪切力以及河床沖刷等因素后，建立了黏性河岸穩(wěn)定分析模型，并且在該模型基礎上還研究了河岸在水流持續(xù)沖刷下發(fā)生初次崩塌和二次崩塌的情況。S.E.Darby等[3-4]在A.M.Osman和C.R.Thorne等研究基礎上做了一些改進，考慮了靜水壓力和孔隙水壓力等，同時除去了崩塌面必須通過坡腳的限制，建立了新的河岸穩(wěn)定性模型。夏軍強等[5]通過建立河流一維水沙數(shù)學模型，研究了河岸橫向展寬機理，結合算例模擬了河流沖刷作用下河岸的橫向展寬過程，發(fā)現(xiàn)河岸橫向展寬和水沙條件及河岸土體特性有密切關系。王黨偉等[6]分別針對黏性河岸、非黏性河岸以及混合土二元結構河岸等類河岸，歸納總結出了影響河岸橫向展寬的主要因素的力學機理，同時指出基于力學機理分析的水動力學-土力學方法可以避免經驗方法和極值假說方法的局限與不足。王延貴等[7]在探究分析了河床與岸坡的泥沙起動特性和順直河道上剪切應力分布后發(fā)現(xiàn)，河岸處泥沙在同等水流條件下比河床上的泥沙沖刷更嚴重，順直河道上的河岸主要在其底部或坡腳的地方發(fā)生沖刷。劉動等[8]利用大量的實測資料，建立了人工神經網絡模型，并將其用來預測分析沖刷后河床和堤岸的形態(tài)變化，再通過北江大堤某斷面的計算比對，驗證了其建立的模型的有效性。夏軍強等[9]將平面二維水沙數(shù)學模型與基于水動力學-土力學基礎的黏性河岸沖刷模型相結合，建立了河岸沖刷變形的平面二維混合模型，并利用該混合模型模擬了1982年黃河下游某游蕩型河段洪水演進規(guī)律和河床變形過程，該模型的計算結果與此河段年內的沖淤變化規(guī)律相似，驗證了其模型的有效性。王博等[10-13]運用BSTEM模型對堤岸的穩(wěn)定性進行分析，該模型分為堤岸坡腳侵蝕模塊和堤岸穩(wěn)定性分析模塊，考慮了多方面因素對堤岸穩(wěn)定性的影響，但需要收集大量詳細的野外資料。鄧珊珊等[14]考慮了河岸的潛水位變化，在此基礎上建立了河岸穩(wěn)定性分析模型，用于研究河流水位變化對上荊江河岸穩(wěn)定性的影響。

本文將在以上研究基礎上，綜合考慮河流沖刷作用下河床沖淤、堤岸橫向展寬、坡內滲流狀況以及堤岸土體特性等情況，以下荊江荊98斷面處的堤岸為研究對象，將SEEP/W和SLPOE/E相耦合，來模擬河流沖刷作用下堤岸穩(wěn)定性的演化特征。

1 河床縱向和橫向變形計算理論

河流沖刷作用引起河床變形主要表現(xiàn)在兩個方面：①由于河流中床沙質來量與水流挾沙能力的差異性，導致河床發(fā)生縱向變形;②根據堤岸土體的抗沖能力與近岸水流沖刷力相互消長的關系，使堤岸產生橫向變形。這兩方面變形在時間和空間上是同時進行的，河床的縱向和橫向變形之間存在著相互影響、相互制約的關系。

1.1 河床縱向沖淤計算

河床的縱向沖淤變形主要涉及到河床泥沙組成情況和水流要素，其河床變形方程為

1.2 堤岸橫向后退距離計算

目前，國內外研究堤岸橫向侵蝕后退過程的主要有3類方法，即經驗方法、極值假說方法、水動力學-土力學方法。前兩類方法雖然使用時相對簡單，但不適用于短期和中期預測，因為河流不穩(wěn)定的地貌響應會對預測造成影響。因此本文采用剪切力差值法來計算堤岸橫向后退距離，即：

已有大量研究表明，堤岸土體的可蝕性系數(shù)和土體的臨界起動切應力在數(shù)量上具有一定的關系。但由于堤岸土體組成不同，其物理及力學性質有差別，導致土體的臨界起動切應力也有差異，從而得到的堤岸可蝕性系數(shù)與臨界起動切應力關系式也不一樣。 Hanson和Simon利用一種潛噴射流測試儀器對美國眾多河流進行現(xiàn)場試驗，得到了適用于黏性粉砂、粉砂-黏土、黏土的臨界起動切應力和可蝕性系數(shù)的關系式：

為了預測河岸橫向侵蝕距離，需要準確計算出作用于堤岸上的平均水流切應力τ，本文采用下式來計算：

式中，γ為水的重度，N/m3;R為水力半徑，m，可用斷面平均水深H代替;S為水力坡降。

岸坡土體的臨界起動切應力通常是依據其粒徑大小與起動切應力的經驗公式計算得到或通過室內土體沖刷試驗獲得。本文臨界起動切應力采用唐存本公式進行計算：

2 計算模型與計算參數(shù)

2.1 計算模型與邊界條件

下荊江河岸多數(shù)是由黏土與沙土所組成二元結構河岸，其中在荊98斷面處，上部土層為黏土層，厚度約為2.5 m;下部土層為沙土層，又分為松散-稍密粉細砂和中密粉細砂兩層。由于河流的沖刷作用，堤岸與河床的斷面形態(tài)會持續(xù)發(fā)生變化，因此需要對不同時段的岸坡斷面分別進行建模，其中岸坡初始概化斷面形態(tài)。初始岸坡斷面幾何邊長100 m，高45 m，岸坡高度25.1 m，河底高程19.9 m，坡角約為30°。河岸下部沙土層相對較厚，其頂板通常位于枯水位以上，因此汛期時近岸水流淘刷下部沙土層后，可能會導致上部黏土層的崩塌。

本文使用SEEP/W軟件來建立相應時段的滲流模型，進行飽和-非飽和滲流分析，從而得到不同時段岸坡內浸潤線的變化，再用SLOPE/W軟件對不同時段的堤岸進行穩(wěn)定性分析。黏土、松散-稍密粉細砂和中密粉細砂的飽和滲透系數(shù)分別為4.2×10-6，4.8×10-5 m/s和1×10-5 m/s，各土層的滲透系數(shù)曲線[15]。

由于下荊江漲水期之前較長時間處于枯水期且沙土滲透性強，因此認為水位開始上升時的潛水位與枯水位齊平。在建立滲流模型時邊界條件設置為：模型右側邊界為定水頭邊界，給定水頭高程與初始水位齊平;模型左側的水頭邊界根據水位實際變化而定。

2.2 計算參數(shù)

下荊江是長江中游藕池口至城陵磯段的別稱，河長為175.5 km，平均河寬約1 300 m，水面縱比降變化為0.13～0.68×10-4，本文中取0.3×10-4。河床沖淤與堤岸侵蝕計算中所需的流速、水位、土體粒徑、含沙量及懸移質泥沙級配等資料通過查閱相關文獻與實測數(shù)據得到，其中沖刷恢復飽和系數(shù)取1.05，淤積恢復飽和系數(shù)取0.25，斷面平均流速取1.6 m/s，年平均含沙量為0.14 kg/m3，床沙中值粒徑約為0.18 mm，床沙密度約為2.65×103 kg/m3，泥沙沉速為0.041 m/s。該堤岸各土層具體土體力學參數(shù)如表1所示[16]。

為了研究水位變化和河流沖刷作用下堤岸的穩(wěn)定性變化，本文將分為水位上升和水位下降兩種工況，水位上升時河流初始水位為26 m，水位平均上升速度為0.1 m/d，持續(xù)時間為一個月;水位下降時河流初始水位為29 m，水位平均下降速度為0.1 m/d，持續(xù)時間同樣為1個月。

3 模型結果分析

3.1 水位上升時期

3.1.1 河床沖淤與堤岸侵蝕分析

荊98斷面處河岸下部沙土層遠厚于上部黏土層，其頂板往往位于枯水位以上，而且近岸沙土層的起動切應力較小，只有0.06 N/m2，因此汛期時近岸水流極易淘刷下部沙土層，從而可能導致上部黏土層的崩塌。

給出了水位上升時期，岸坡和河床的每日沖刷距離。當水位上升時，岸坡每日橫向沖刷距離逐漸增大，而河床縱向下切距離卻逐漸減小。由于水位上升，流量增加，近岸水流切應力也在逐漸增加，水流挾沙力卻在不斷減小，因此岸坡每日沖刷距離變大，但河床每日縱向下切距離逐漸減小。

給出的是水位上升時，隨著時間的推移，河床與岸坡的累積沖刷距離。河床累積縱向下切距離和岸坡累積橫向沖刷距離都在增大，但岸坡累積橫向沖刷距離增大的趨勢更明顯。由于水位上升時岸坡每日橫向沖刷距離增大，而河床每日縱向下切距離卻減小所導致的。該計算結果與2010年下荊江荊98斷面河岸實際侵蝕結果相符合，即在水位上升期31 d內崩塌后退寬度達5.4 m[16]。

3.1.2 堤岸穩(wěn)定性分析

在水位上升期間，當不考慮水流對河床與岸坡的沖刷時，其堤岸穩(wěn)定性系數(shù)隨著水位上升而增大。由于水位上升時，水流會對堤岸外側產生側向水壓力，這對岸坡起到一定支撐作用，同時坡外向坡內的滲流也會增大岸坡的抗滑移力，從而提高堤岸的整體穩(wěn)定性，而水位上升導致的土體力學強度指標減小的幅度較小，岸坡的滑移力變化不大，因此堤岸安全系數(shù)表現(xiàn)為隨著水位上升而增大。

當考慮水流對河床與水下岸坡的沖刷時，堤岸的安全系數(shù)變化規(guī)律則表現(xiàn)出完全相反的趨勢，其安全系數(shù)隨著水位的上升而明顯變小，且變化幅度也越來越大，直到堤岸失穩(wěn)。由于隨著水流對河床與岸坡的沖刷，河床下切使得堤岸的高度變大，坡腳橫向侵蝕后退使得岸坡坡度逐漸變陡，岸坡的滑移力也就隨之增大，導致岸坡的穩(wěn)定性逐漸降低。雖然水位上升時坡外側向水壓力有一定支撐作用，但從兩條安全系數(shù)曲線變化趨勢來看，岸坡穩(wěn)定性對岸坡高度與坡度變化的敏感性比側向水壓力要大。

隨著水位上漲，水流的沖刷強度及沖刷范圍在逐漸增大，坡腳橫向沖刷速率加快，坡腳累積橫向沖刷距離急劇增大，使得堤岸安全系數(shù)降低的趨勢加快，直到堤岸安全系數(shù)小于1，從而引起堤岸發(fā)生崩塌。當水位上升至29 m時，考慮沖刷后堤岸的安全系數(shù)為0.939，此時可能會發(fā)生塌岸，而未考慮沖刷時的堤岸安全系數(shù)為1.219。

3.2 水位下降時期

3.2.1 河床沖淤與堤岸侵蝕分析

當水位處于下降時期，河床與岸坡每日的沖刷距離。其中河床每日的縱向下切距離隨著水位下降呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，而岸坡每日的橫向沖刷距離則逐漸下降。由于水位下降導致近岸水流切應力減小，水流挾沙力增大，從而產生了的變化。

給出的是水位下降期間，河床與岸坡累積的沖刷距離。河床與岸坡累積的沖刷距離都表現(xiàn)出增大的趨勢，但岸坡累積橫向沖刷距離明顯比河床累積縱向下切距離增大的趨勢要快。在水位下降時，岸坡每日橫向沖刷距離都明顯大于河床每日下切距離，因此岸坡累積橫向沖刷距離比河床累積縱向下切距離大，且變化趨勢快。兩種時期下河床與岸坡累積沖刷距離的變化情況來看，水位變動對岸坡沖刷的影響要比河床沖刷顯著。該計算結果與2010年下荊江荊98斷面河岸實際侵蝕結果相似，即在水位下降34 d內崩塌后退寬度達7 m[16]。

3.2.2 堤岸穩(wěn)定性分析

水位下降時期安全系數(shù)變化中可以看出，當未考慮河流沖刷作用時，其安全系數(shù)隨著水位下降緩慢減小，最后趨于平緩，且減小的幅度不大。在該時期，河流水位下降致使堤岸失去了側向水壓力的支撐作用，同時岸坡內出現(xiàn)指向坡外的滲流，這會導致岸坡土體的滑移力增大，不利于堤岸穩(wěn)定，從而使堤岸安全系數(shù)變小。但由于本文中河流水位變化不大，因此安全系數(shù)減小的幅度也不大。

當考慮河流沖刷作用時，堤岸的安全系數(shù)隨著水位下降明顯減小，且減小的幅度逐漸增大。同樣，因為水流對河床及岸坡的沖刷使堤岸的高度增大，坡度變陡，從而岸坡滑動面的滑移力增大，非常不利于堤岸的穩(wěn)定。另外，水位下降使作用在岸坡外側的水壓力消失，也會降低堤岸的整體穩(wěn)定性。這些因素綜合影響著岸坡的穩(wěn)定性，考慮沖刷作用后，當水位下降到26.5 m時，堤岸的安全系數(shù)等于0.991，此時堤岸很有可能會發(fā)生崩塌;而未考慮沖刷作用時，其安全系數(shù)為1.167，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

由于水流對河床與堤岸的沖刷所引起的岸坡變高變陡是累積性的過程，當?shù)贪侗粵_刷到一定程度時，無論水位升降，堤岸穩(wěn)定性都會明顯下降，甚至可能發(fā)生崩塌，因此崩岸大多會發(fā)生在水位上升或下降后期。當?shù)贪栋l(fā)生崩塌后，岸坡雖然形態(tài)上有改變，但依舊會再次達到穩(wěn)定狀態(tài)，又重新開始被水流所沖刷，不斷地進行適應演變。

4 結 論

本文選取下荊江荊98斷面處的堤岸，分別通過計算水位上升與下降期間河床沖淤變化與堤岸橫向后退距離來確定水流侵蝕后的堤岸形狀，在此基礎上將SEEP/W和SLOPE/W相耦合，分析了河流沖刷作用下堤岸穩(wěn)定性演化規(guī)律。主要結論如下：

（1）堤岸穩(wěn)定是由許多因素決定的，針對本文研究的堤岸來說，河流沖刷對堤岸穩(wěn)定性的影響比由水位升降所引起的側向水壓力及滲流變化的影響要大。

（2）水流對河床與堤岸的沖刷受到多種因素的影響，其中水位變化對其沖刷量也起一定的作用。當水位上升時，岸坡的每日橫向沖刷距離變大，而每日的河床下切距離會減小，但由于河流沖刷導致岸坡失穩(wěn)是累積性的過程，因此當坡腳累積的橫向沖刷距離越大，堤岸越不穩(wěn)定，如在水位下降時，當坡腳累積橫向沖刷距離達4.45 m，堤岸穩(wěn)定系數(shù)為0.991。由此可見，保護堤岸的坡腳有助于堤岸穩(wěn)定。

（3）對比考慮與未考慮河流沖刷作用2種情況下堤岸穩(wěn)定性演化規(guī)律，結果表明：當考慮河流沖刷作用后，由于河床的下切及坡腳沖刷導致岸坡的高度與坡度會逐漸增大，在水位上升階段，堤岸的安全系數(shù)隨著水位上升而減小，且減小的幅度逐漸變大;在水位下降階段，堤岸的安全系數(shù)則隨著水位下降而減小，且下降的幅度明顯大于未考慮沖刷作用時下降的幅度。

參考文獻：

[1] Thorne C R.Processes and mechanisms of river bank erosion”gravel-bed rivers[M].England：John Waey and Sons，Inc，1982.

[2] Osman A M，Thorne C R.Riverbank stability analysis.I：theory[J].Journal of Hydraulic Engineering，1988，114（2）：134-150.

[3] Darby S E，Alabyan A M，Wiel M J V D.Numerical simulation of bank erosion and channel migration in meandering rivers[J].Water Resources Research，2002，38（9）：1-12.

[4] Amiri-Tokaldany E，Darby S E，Tosswell P.Bank stability analysis for predicting reach scale land loss and sediment yield 1[J].Jawra Journal of the American Water Resources Association，2003，39（4）：897-909.

[5] 夏軍強，袁欣，王光謙.沖積河道沖刷過程中橫向展寬的初步模擬[J].泥沙研究，2000（6）：16-24.

[6] 王黨偉，余明輝，劉曉芳.沖積河流河岸沖刷展寬的力學機理及模擬[J].武漢大學學報：工學版，2008，41（4）：14-19.

[7] 王延貴，匡尚富.河岸淘刷及其對河岸崩塌的影響[J].中國水利水電科學研究院學報，2005，3（4）：251-257.

[8] 劉動，陳曉平，黃井武. 河流沖刷作用下人工堤岸穩(wěn)定性研究[J].中山大學學報：自然科學版，2013，52（3）：17-22.

[9] 夏軍強，王光謙，張紅武.黃河下游游蕩型河段洪水演進與河床變形過程的數(shù)值模擬[J].水動力學研究與進展，2003，18（3）：306-313.

[10]王 博，姚仕明，岳紅艷.基于BSTEM 的長江中游河道岸坡穩(wěn)定性分析[J].長江科學院院報， 2014， 31（1）：1-7.

[11]宗全利，夏軍強，鄧春艷，等.基于BSTEM模型的二元結構河岸崩塌過程模擬[J].四川大學學報：工程科學版，2013，45（3）：69-78.

[12]Klavon K，F(xiàn)ox G，Guertault L，et al.Evaluating a process-based model for use in streambank stabilization： insights on the Bank Stability and Toe Erosion Model （BSTEM）[J].Earth Surface Processes & Landforms，2017（42）：191-213.

[13]Midgley T L，F(xiàn)ox G A，Heeren D M. Evaluation of the bank stability and toe erosion model （BSTEM） for predicting lateral retreat on composite streambanks[J].Geomorphology， 2012，（S）：145–146.

[14]鄧珊珊，夏軍強，李 潔.河道內水位變化對上荊江河段岸坡穩(wěn)定性影響分析[J].水利學報，2015，46（7）：844-852.

[15]譚彬政， 陶桂蘭，宋云濤，等.長江水位下降及降雨條件下荊江河段岸坡滲流特性研究[J].水電能源科學， 2016（6）：119-122.

[16]張翼， 夏軍強， 宗全利，等.下荊江二元結構河岸崩退過程模擬及影響因素分析[J].泥沙研究，2015（3）：27-34.