□趙萬(wàn)杰 許琳娟 董偉軍

（1華北水利水電大學(xué)；2黃河水利委員會(huì)黃河水利科學(xué)研究院）

0 引 言

眾所周知，河道的邊界條件是河流發(fā)展形成一定河型的首要條件，其邊界條件一般指河流地貌形態(tài)、河道比降、沉積物組成等。從已有的文獻(xiàn)資料來(lái)看，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究，也有學(xué)者用床沙粒徑、河床物質(zhì)粘土的含量描述河岸與河床的穩(wěn)定性。錢寧教授在分析古河道變遷中的河型轉(zhuǎn)化時(shí)，記錄了許多河流不同時(shí)期由于河床組成的不同，河型發(fā)生轉(zhuǎn)化的例子。如：馬蘭比吉河，由于河槽中粉砂、粘土含量的增加使河型從古代的游蕩型轉(zhuǎn)化為現(xiàn)在的彎曲型河流。古科羅拉多河，當(dāng)河槽中的粉砂、粘土含量由70%減小到2%～10%時(shí)，河流彎曲系數(shù)減小到1.30 左右。據(jù)J.M.Coleman 報(bào)道，孟加拉國(guó)的布拉馬普特拉河由于襲奪了由大量細(xì)顆粒泥沙河岸的提斯塔河道，而發(fā)展為游蕩型河流。中國(guó)錢塘江流域，由于從閘口道澉浦的河床和灘地物質(zhì)主要由細(xì)砂和粉砂組成，形成了游蕩型河流。Duan等、Olsen、夏軍強(qiáng)等學(xué)者通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)水沙模型的拓展，利用二維及三維數(shù)值模型模擬概化河道的河床演變及河道形態(tài)的發(fā)展過(guò)程。所有這些，都很好地說(shuō)明河型的形成對(duì)于流域特性的依賴性，河床土壤的物理力學(xué)特性是不可忽視的。

但是，至今研究河床物質(zhì)組成及其力學(xué)特性對(duì)河床演變規(guī)律的影響還不深入。河床演變強(qiáng)度與水沙條件、河床邊界條件等因素有關(guān)，河床演變主要研究河流的邊界在水流作用下的變化，這種變化實(shí)質(zhì)上反映了組成邊界的物質(zhì)的沖刷、搬運(yùn)和沉積過(guò)程，特別是對(duì)黃河下游這樣平原地區(qū)的游蕩性河道，河床的組成物質(zhì)主要是粉砂和細(xì)砂，這種缺乏粘性的細(xì)泥沙顆粒，在一般中水流量下就能夠大量運(yùn)動(dòng)。黃河下游某些河段由俗稱為“膠泥”形成的河岸，抗沖能力極強(qiáng)，水流極易在此形成畸形河灣。因此，研究河床物質(zhì)組成及其力學(xué)特性對(duì)河床演變影響的意義重大。

1 土樣選取與分類

在黃河干流上，峽谷型河段轉(zhuǎn)變?yōu)闆_積型河段的過(guò)渡段首部是白鶴工程，從白鶴工程向下直到鐵謝工程，其河床物質(zhì)的組成由砂卵石逐漸過(guò)渡為沙質(zhì)，直到逯村工程上首，河床底部仍有砂卵石層；逯村工程的下古街?jǐn)嗝嫦蛳拢采持兄盗椒秶鸀?.10～0.25 mm，泥沙顆粒組成較細(xì)，可動(dòng)性較大，為典型的游蕩段。在逯村工程及其以下河段選擇了十個(gè)典型斷面進(jìn)行取樣，分別為：逯村工程上首、逯村工程下首、開(kāi)儀工程上首、化工工程上首、大玉蘭工程上首、下古街?jǐn)嗝?、花園鎮(zhèn)工程、叩馬、趙溝工程上延、馬峪溝。

根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)土類進(jìn)行劃分，表1 是砂土分類表，依據(jù)細(xì)粒含量、類別以及粗粒組的級(jí)配對(duì)砂土進(jìn)行分類，圖1是細(xì)顆粒土分類圖，依據(jù)三角坐標(biāo)對(duì)其進(jìn)行劃分。

2 土層結(jié)構(gòu)分析

為了分析研究河床物質(zhì)構(gòu)造及其力學(xué)特性，選擇游蕩段的典型斷面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取樣，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)土樣的物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)量，利用現(xiàn)場(chǎng)靜力觸探試驗(yàn)等，獲得了河岸的分層現(xiàn)象及其不同土層的特性的具體情況。白鶴工程至伊洛河河口段的灘岸土質(zhì)較為松軟，主要由洪水過(guò)后泥沙沉積形成，由于來(lái)水區(qū)域的不同，造成了灘岸土質(zhì)的不同，可以分為單一圖紙灘岸和混合土質(zhì)灘岸。單一土質(zhì)灘岸沒(méi)有明顯的分層結(jié)構(gòu)，其中一種情況為非粘性土灘岸，主要由中值粒徑D50＞0.10 mm的砂及砂礫組成，另一種情況為粘性土灘岸，主要由中值粒徑D50＜0.10 mm 的細(xì)砂、粉粒、粘粒和膠粒組成；而混合土灘岸的分層現(xiàn)象很明顯，或?yàn)楹?jiǎn)單的二元結(jié)構(gòu)：上部為粒徑較細(xì)的粘性土，下部為粒徑較粗的非粘性土，或?yàn)槎嘣Y(jié)構(gòu)：表現(xiàn)為粘土與非粘土互層現(xiàn)象。由前面所選取的典型斷面的測(cè)試結(jié)果可知，白鶴工程至伊洛河河口河段的灘岸中，大部分為混合灘岸，個(gè)別為粘性土灘岸、非粘性土灘岸。

表1 砂土分類表

圖1 細(xì)顆粒土分類圖

3 土樣物理力學(xué)特性

根據(jù)粘粒含量的多少對(duì)土樣進(jìn)行排序依次為粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)壤土、砂壤土、細(xì)砂、中砂、粗砂，由圖2 可知，黃河下游游蕩段原狀土的干密度、粘聚力隨粘粒含量的減小而增大，而土體其它參數(shù)隨粘粒含量的減小而減小。正如普遍所知的那樣，粘粒含量越高，土體的透水性越差、滲透系數(shù)越小，在典型斷面所取土樣都是由泥沙沉積形成的，天然狀態(tài)下，土體都是由飽和含水率逐漸降低，但由于粘粒含量高，透水性小而吸水能力強(qiáng)，在沉積條件下，粘粒含量高的土樣表現(xiàn)出飽和含水率高，含水率下降慢的特性，而粘粒含量低的土樣表現(xiàn)出飽和含水率低，含水率下降快的特點(diǎn)，最后呈現(xiàn)出了含水率隨粘粒含量的增大而增大的現(xiàn)象；干密度與含水率的變化情況不同，粘粒含量越高，土樣的含水率越高，而干密度反而越?。豢紫侗仁峭馏w結(jié)構(gòu)特征的指標(biāo)參數(shù)，一般來(lái)說(shuō)，隨著孔隙比的增大，土體越疏松，壓縮性越高，粘粒含量越高，含水率越大，干密度越小，土體空隙率越大，土體有較大的可塑性，壓縮系數(shù)越大；相比于粘粒的比表面，砂粒的比表面要小很多，其表面力及影響范圍與其重量和尺寸相比可忽略，因而，粘土具有較強(qiáng)親水性，砂土的親水性弱，不具塑性，由于毛細(xì)壓力的存在而顯示假粘聚力。

圖2 白鶴至伊洛河河口游蕩段土體物理力學(xué)參數(shù)變化關(guān)系圖

圖3描述了原狀土液限含水率隨粘粒含量的變化情況，土體的液限含水率隨粘粒含量增大而增大，也就是說(shuō)粘粒含量高的土體，在較大的含水率情況下，仍處于塑性狀態(tài)，具有一定的抗沖能力；粘粒含量較小的土體，因其具有較低的液限含水率，當(dāng)含水率較高時(shí)，土體會(huì)喪失其強(qiáng)度而處于流動(dòng)狀態(tài)，抗抗沖刷的能力較低，容易起動(dòng)；砂土的顆粒較粗，親水性較弱，土體遇水很容易進(jìn)入流動(dòng)狀態(tài)，抗沖刷能力弱?？梢?jiàn)含水率是土體力學(xué)性質(zhì)的重要影響因素，含水率對(duì)不同土體的的影響程度不同，砂土由于其沒(méi)有可塑性，遇水容易分散；而粘土在含水率較高的狀態(tài)下，仍然具有一定的強(qiáng)度，對(duì)河勢(shì)的演變具有一定影響。

圖3 白鶴至伊洛河河口段土體的粘粒含量與液限含水率關(guān)系圖

4 結(jié)論與展望

從現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取樣及室內(nèi)土工試驗(yàn)可知，本段河床的組成物質(zhì)以細(xì)砂為主，遇水易分散，明確了形成游蕩性河勢(shì)的基本條件之一，同時(shí)了解了各個(gè)典型斷面的土層及其力學(xué)性質(zhì)。

根據(jù)粘粒含量的多少，各類沉積土分別呈現(xiàn)出不同的物理力學(xué)特性，但其各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)又呈現(xiàn)出一定的規(guī)律，干密度、粘聚力隨粘粒含量的減小而增大，含水率、孔隙比、壓縮系數(shù)、液限含水率呈減小的趨勢(shì)。粘粒含量高的土體在較高的含水率情況下，依然具有塑性和強(qiáng)度，而砂土沒(méi)有可塑性，遇水容易分散。

河床的土質(zhì)組成及其物理力學(xué)特性與河床演變有著密切的關(guān)系，但由于其復(fù)雜性，需要逐步做更加詳細(xì)而深入的工作。特別是與河床演變有著最密切關(guān)系的灘岸崩塌問(wèn)題，在加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)原位觀測(cè)、積累資料的基礎(chǔ)上，有必要在室內(nèi)進(jìn)行大比尺的試驗(yàn)研究，逐步加深對(duì)灘岸崩塌機(jī)理的認(rèn)識(shí)。