伍育浩

（江西省修江水利電力勘察設(shè)計有限責(zé)任公司，南昌 330000）

0 引 言

對于沖積河道而言，包括河岸、主槽、灘地等在內(nèi)的河床始終處于不斷變化中，河床的橫縱向變形程度主要與床沙質(zhì)來量、水流挾沙能力及水流沖刷能力與河岸抗沖性能的對比有關(guān)。河岸橫向沖刷、崩塌既嚴重影響岸坡土地的規(guī)劃利用，又危及堤防結(jié)構(gòu)安全，而現(xiàn)有泥沙模型對河道橫向變形模擬較少。所以，研究河道橫向展寬發(fā)生機理及變動趨勢規(guī)律對于豐富和發(fā)展河床演變理論、河道沖刷控制、指導(dǎo)河道整治工作均具有積極意義。

1 河道概況

安義縣境內(nèi)某設(shè)計治理河道總長75.83km。疏通連通通道長度28.08km，整治門塘12座；河道清障0.12km2；清淤疏浚60.26km；左右岸生態(tài)斜坡式護岸68.31km、生態(tài)擋墻式護岸25.67km，混凝土擋墻護岸2.71km，堤防加固9.66km。河道所在流域上游為侵蝕低丘陵地貌，中游及下游為剝蝕堆積物崗埠平原地貌，河流整體呈由北東向至近東向走向，河道寬度3～25m，為寬緩型“U”型河谷，全段河道蜿蜒曲折，在平面上呈多個連續(xù)或不連續(xù)的“S”型，河谷兩岸地形從河谷兩邊散開，先平緩后較陡，河谷地面高程19.54～44.35m，地形坡度在0～10°之間，局部較陡峭坡地坡度在10°～30°。兩岸主要以農(nóng)田、林地為主，局地有村莊。工程河段大部分被第四系沖洪積層覆蓋，基巖零星裸露。河岸上部為黏性土，下部為非黏性土，中部為非黏性土和黏性土混合的二元結(jié)構(gòu)河岸，河道水位消退引發(fā)河道邊坡崩岸的可能性較大。

2 河道橫向展寬力學(xué)機理

河道沖刷的影響因素較多，從力學(xué)角度可以將其歸納為3類：①加大河岸沖刷速度，即指水流自身的沖刷力；②降低對河岸的沖刷作用，即指河岸土體所具備的抗沖力；③塌岸時的土體所具有的抗剪強度，包括凝聚力、內(nèi)摩擦角等。

2.1 水流沖刷力

河岸水流自身所具有的沖刷力對河岸沖刷影響最大，一般根據(jù)水流切應(yīng)力的大小進行衡量。針對非黏性土河岸而言，臨近岸坡水流切應(yīng)力大小取決于水容重、斷面水深均值、河道比降等參數(shù)。隨著紊流理論的發(fā)展，大量學(xué)者開始將黏土礦物學(xué)黏粒微觀結(jié)構(gòu)引入河道黏性泥沙沖刷領(lǐng)域，推動了水流切應(yīng)力問題的不斷發(fā)展。根據(jù)已有研究成果，因水流作用而出現(xiàn)的動水壓力將直接傳遞至土體孔隙，進而引發(fā)附加水壓力，在這種情況下，膠團團聚體所能承受的有效應(yīng)力超出團聚體結(jié)構(gòu)自重加咬合力時，泥沙才會表現(xiàn)為起動狀態(tài)[1]。也就是說，土外水所生成的脈動應(yīng)力是引發(fā)泥沙起動的主要因素，在脈動應(yīng)力的持續(xù)振動下，引發(fā)較大的瞬間脈壓，團聚體也會逐漸松弛，最終浮起后被水流裹挾。

當(dāng)前，一般通過傳感器直接測量近岸水流脈動應(yīng)力，或是根據(jù)測得的脈動流速和摩阻流速推求水流脈動應(yīng)力。研究近岸水流脈動作用對于分析近岸黏性泥沙起動規(guī)律及河道沖刷意義重大。

2.2 土體抗沖力

河岸土體抗沖力通常通過起動切應(yīng)力體現(xiàn)，所產(chǎn)生的切應(yīng)力大小與河岸土質(zhì)、級配、粒徑、電化學(xué)作用、邊坡角度的影響。根據(jù)實際分布，河道岸坡土體通常呈上細下粗的二元垂向結(jié)構(gòu)，不同高程土體所具有的抗沖性能不盡相同。從平面來看，河岸沉積物由不同屬性的泥沙組成，抗沖性也不相同。故進行河岸土體起動切應(yīng)力計算時所需考慮的因素較多，當(dāng)前較常應(yīng)用的仍是半經(jīng)驗半理論方法。

非黏性河岸所對應(yīng)的抗沖力大多來自泥沙顆粒有效重力，一般情況下可應(yīng)用Shields起動拖曳力方法進行其泥沙起動條件的估算，同時充分考慮岸坡角度、泥沙粒徑、排列情況等的可能影響，反復(fù)試算。

黏性土由于顆粒細小，比表面積大，表面能強，重力作用相對較小，黏性土顆粒之間必然存在化學(xué)鍵和分子鍵，顆粒體表面往往攜帶靜電荷，進而也具備離子靜電力，在其影響和作用下必然形成水膜，使吸持力增大后，將黏土顆粒緊密吸附。所以，河岸黏性土抵抗水流剪切主要通過黏結(jié)力實現(xiàn)。黏性土中值粒徑、實際含量等參數(shù)雖然對土體起動不造成直接影響，但會影響?zhàn)ば酝馏w內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使土體起動的具體過程變得更為復(fù)雜。一般情況下，新淤積的黏性土，因土體顆粒之間較為松散，土體起動過程中仍應(yīng)視為單個泥沙顆粒；結(jié)合泥沙顆粒實際起動過程所對應(yīng)的平衡條件便可得出對應(yīng)的力學(xué)平衡方程，進而得出相應(yīng)黏性土顆粒起動公式[2]。

2.3 土體抗剪強度

根據(jù)相關(guān)分析，河岸變形過程還主要與土體內(nèi)部抗剪強度等因素有關(guān)。若河岸在一定狀態(tài)下不存在崩塌的可能，則意味著作用于潛在滑動面的剪應(yīng)力不具備抵抗河岸土體內(nèi)部剪切阻力的能力。土體礦物成分、土顆粒級配及粒徑、結(jié)構(gòu)構(gòu)成、密度及飽和度等內(nèi)部情況和所承受荷載等外部因素是決定和影響河道岸坡土體實際抗剪強度的兩方面因素。河道岸坡土體顆粒因受到特定條件影響和作用后所表現(xiàn)出的力學(xué)屬性即為土體抗剪強度。這種力學(xué)屬性在河岸沖刷過程中外在表現(xiàn)為土體顆粒間滑動摩擦力、咬合力和凝聚力。

結(jié)合庫侖公式，砂土抗剪強度主要由摩擦力組成，這種摩擦力除來源于砂土顆粒之間的剪切滑動摩擦力之外，還來自顆粒自身及與相鄰顆粒的咬合力。土體顆粒必須克服因顆粒間結(jié)合水連結(jié)而產(chǎn)生的凝聚力。

3 河岸橫向展寬模擬

3.1 河岸下部非黏性土

由于非黏性土河岸土體顆粒內(nèi)部無凝聚力作用，故應(yīng)基于水下休止角進行其河岸沖刷過程中橫向展寬情況的模擬。當(dāng)岸坡坡度比泥沙水下休止角小時，河岸邊坡基本穩(wěn)定，相反則發(fā)生崩岸，這一過程可以通過圖1加以描述，即沖刷→崩岸→淤積的持續(xù)循環(huán)過程。根據(jù)非平衡輸沙模型進行沖刷過程的模擬計算，而崩岸、淤積過程則通過其他方法處理。圖中折線（1）和折線（3）的坡度均與水下休止角θc相等，且崩岸后塌陷下來的土體面積Ae和崩岸后堆積在岸坡的面積Ad相等。據(jù)此可以測算出崩岸后岸坡的形態(tài)折線（3）；以上過程引起岸頂后退的距離為△Bc，該距離也是崩岸程度和強度的具體表征，其大小主要取決于河岸土體顆粒粒徑及形狀；為便于分析，通常假設(shè)△Bc和水面以上河岸高度hf成正比例關(guān)系。應(yīng)用此方法所得到的該河道沖刷過程的可能結(jié)果與室內(nèi)試驗結(jié)果大致一致。

圖1 非黏性土河岸沖刷模擬

此外，對于非黏性土河道沖刷過程的橫向展寬模擬，還可以基于河岸沖刷速率的角度展開分析。基于該視角，河道崩岸泥沙以及從上游輸移至岸坡的泥沙會造成河岸淤長，此外，在近岸水流的持續(xù)沖刷下，如果河岸沖刷后退的速率比其淤長速率大，由此可見，河岸線后退以及因此所產(chǎn)生的河道橫向展寬無法避免。

基于河岸岸坡沖刷速率的視角，可以將具體時段內(nèi)河岸沖刷后退的距離表示如下：

式中：△B為河岸沖刷后退的距離，cm；ω為河岸岸坡實際沖刷速率，ω＞0指河岸淤長狀態(tài)、ω=0指河岸不變，ω＜0指河岸沖刷狀態(tài)；△tbank為河岸持續(xù)沖刷時間。結(jié)合相關(guān)研究成果可以看出，近岸水流及泥沙條件是影響河岸沖刷、后退的主要方面。

3.2 河岸上部黏性土

進行河岸上部黏性土沖刷過程力學(xué)模擬時必須先確定出河岸實際所對應(yīng)的橫向沖刷距離，與此同時還應(yīng)展開岸坡穩(wěn)定性評價。當(dāng)所對應(yīng)的沖刷時間為△t時，河岸在水流進行橫向沖刷后所可能產(chǎn)生的后退長度表示如下：

式中：cl為岸坡橫向沖刷系數(shù)，主要取決于河岸土體特性，結(jié)合室內(nèi)試驗結(jié)果，該河道取3.65×10-4；τ為河岸所承受的水流切應(yīng)力，N/m2；τc為河岸土體顆粒所承受的起動切應(yīng)力，N/m2；γbk為河岸土體容重，kN/m3；其余參數(shù)含義同前。

圖2中依據(jù)水動力學(xué)模型所得出的河床床面沖刷深度為△Z，根據(jù)式（2）得到河岸橫向沖刷寬度△B，在此基礎(chǔ)上還需要得出河床床面在頻繁遭受河水沖刷及侵蝕作用后的河岸的實際高度H1、轉(zhuǎn)折點B和其上河岸高度H2，便能推求出實測河岸高度。將所得到的崩岸發(fā)生時實測河岸高度和理論河岸高度進行比較，以進行河岸可能發(fā)生崩塌概率的判斷。若這種情況下河岸已經(jīng)表現(xiàn)出初次崩塌，那必須認為此后河岸會持續(xù)發(fā)生平行后退式崩岸，也就是說崩岸發(fā)生后邊坡角度始終為β。根據(jù)以上理論對該河岸上部黏性土崩塌結(jié)果的預(yù)測情況與實際情況基本吻合。

圖2 黏性土河岸崩岸示意圖

3.3 非黏性土和黏性土混合的二元結(jié)構(gòu)河岸

結(jié)合相關(guān)試驗結(jié)果，自然堤岸屬于由砂、粉砂黏土、其余土構(gòu)成的層狀結(jié)構(gòu)，故可將其概化為混合土二元結(jié)構(gòu)河岸，其沖刷主要經(jīng)歷3個階段：①下部非黏性土層沖刷；②掛空上部黏土層崩塌；③河岸崩塌后所產(chǎn)生的土體被水流沖散后裹挾帶走。詳見圖3。可以說這3個過程并非獨立存在，而是一個接一個發(fā)生，最終使所研究的河岸處于沖淤平衡。

圖3 非黏性土和黏性土混合的二元結(jié)構(gòu)河岸沖蝕過程

在既定的時間段內(nèi)，河岸下部非黏性土層遭到?jīng)_蝕后的后退距離（即沖刷距離L）受諸多因素影響，可表示如下：

式中：τ為近岸水流切應(yīng)力，N/m2；τc為非黏性土抗沖力，N/m2；γ1為容重，kN/m3；△t為既定的時間段。

在進行沖積河道黏性土層掛空長度Lc臨界值計算的過程中，崩塌過程中所引發(fā)的彎曲應(yīng)力在斷裂面上的可能分布情況具體如圖4所示，也就是說，當(dāng)斷裂面上邊實際應(yīng)力如果≥抗拉強度，則對于這種二元結(jié)構(gòu)沖積河道的懸空結(jié)構(gòu)的自重向河岸所施加力矩必將平衡于斷裂面抗拉力矩，對應(yīng)在圖中即L≥Lc時，河岸上部黏性土層因承受較大的拉應(yīng)力而表現(xiàn)出崩塌態(tài)勢，相反，L＜Lc時，河岸上部黏性土層所承受的拉應(yīng)力隨之消失，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。圖4中W為掛空部分結(jié)構(gòu)自重，H為黏性土層高度，B為黏性土層寬度，T0為黏性土層抗拉強度。

圖4 二元結(jié)構(gòu)河岸中黏性土層受拉崩塌應(yīng)力分布

4 結(jié) 論

綜上所述，以力學(xué)機理為基礎(chǔ)所建立的沖積河道岸坡沖刷過程水動力學(xué)-土體力學(xué)方法能有效避免經(jīng)驗法的不足，對于不同土質(zhì)類型的河道岸坡均普遍適用。但是在具體應(yīng)用時，必須根據(jù)具體的河道岸坡組成條件，并結(jié)合室內(nèi)試驗進行相關(guān)參數(shù)的準確率定。此外，目前關(guān)于河道岸坡橫向展寬模擬方法與泥沙數(shù)學(xué)模型結(jié)合方面已經(jīng)取得進展，但直接應(yīng)用于解決實際問題，操作過程方面仍存在較大難度，還應(yīng)進一步深入細致研究。