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        沖積河道沖刷過(guò)程中的橫向展寬模擬

        2022-03-01 07:36:34伍育浩
        黑龍江水利科技 2022年12期
        關(guān)鍵詞:黏性泥沙沖刷

        伍育浩

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

        0 引 言

        對(duì)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(lái)量、水流挾沙能力及水流沖刷能力與河岸抗沖性能的對(duì)比有關(guān)。河岸橫向沖刷、崩塌既嚴(yán)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(duì)河道橫向變形模擬較少。所以,研究河道橫向展寬發(fā)生機(jī)理及變動(dòng)趨勢(shì)規(guī)律對(duì)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(jì)治理河道總長(zhǎng)75.83km。疏通連通通道長(zhǎng)度28.08km,整治門(mén)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(hù)岸68.31km、生態(tài)擋墻式護(hù)岸25.67km,混凝土擋墻護(hù)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(gè)連續(xù)或不連續(xù)的“S”型,河谷兩岸地形從河谷兩邊散開(kāi),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(jī)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(lèi):①加大河岸沖刷速度,即指水流自身的沖刷力;②降低對(duì)河岸的沖刷作用,即指河岸土體所具備的抗沖力;③塌岸時(shí)的土體所具有的抗剪強(qiáng)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(duì)河岸沖刷影響最大,一般根據(jù)水流切應(yīng)力的大小進(jìn)行衡量。針對(duì)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(kāi)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(dòng)了水流切應(yīng)力問(wèn)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(dòng)水壓力將直接傳遞至土體孔隙,進(jìn)而引發(fā)附加水壓力,在這種情況下,膠團(tuán)團(tuán)聚體所能承受的有效應(yīng)力超出團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)自重加咬合力時(shí),泥沙才會(huì)表現(xiàn)為起動(dòng)狀態(tài)[1]。也就是說(shuō),土外水所生成的脈動(dòng)應(yīng)力是引發(fā)泥沙起動(dòng)的主要因素,在脈動(dòng)應(yīng)力的持續(xù)振動(dòng)下,引發(fā)較大的瞬間脈壓,團(tuán)聚體也會(huì)逐漸松弛,最終浮起后被水流裹挾。

        當(dāng)前,一般通過(guò)傳感器直接測(cè)量近岸水流脈動(dòng)應(yīng)力,或是根據(jù)測(cè)得的脈動(dòng)流速和摩阻流速推求水流脈動(dòng)應(yīng)力。研究近岸水流脈動(dòng)作用對(duì)于分析近岸黏性泥沙起動(dòng)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(guò)起動(dòng)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(jí)配、粒徑、電化學(xué)作用、邊坡角度的影響。根據(jù)實(shí)際分布,河道岸坡土體通常呈上細(xì)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(lái)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(jìn)行河岸土體起動(dòng)切應(yīng)力計(jì)算時(shí)所需考慮的因素較多,當(dāng)前較常應(yīng)用的仍是半經(jīng)驗(yàn)半理論方法。

        非黏性河岸所對(duì)應(yīng)的抗沖力大多來(lái)自泥沙顆粒有效重力,一般情況下可應(yīng)用Shields起動(dòng)拖曳力方法進(jìn)行其泥沙起動(dòng)條件的估算,同時(shí)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(xì)小,比表面積大,表面能強(qiáng),重力作用相對(duì)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(jìn)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(guò)黏結(jié)力實(shí)現(xiàn)。黏性土中值粒徑、實(shí)際含量等參數(shù)雖然對(duì)土體起動(dòng)不造成直接影響,但會(huì)影響?zhàn)ば酝馏w內(nèi)部結(jié)構(gòu),使土體起動(dòng)的具體過(guò)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(dòng)過(guò)程中仍應(yīng)視為單個(gè)泥沙顆粒;結(jié)合泥沙顆粒實(shí)際起動(dòng)過(guò)程所對(duì)應(yīng)的平衡條件便可得出對(duì)應(yīng)的力學(xué)平衡方程,進(jìn)而得出相應(yīng)黏性土顆粒起動(dòng)公式[2]。

        2.3 土體抗剪強(qiáng)度

        根據(jù)相關(guān)分析,河岸變形過(guò)程還主要與土體內(nèi)部抗剪強(qiáng)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(dòng)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(jí)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(shí)際抗剪強(qiáng)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(qiáng)度。這種力學(xué)屬性在河岸沖刷過(guò)程中外在表現(xiàn)為土體顆粒間滑動(dòng)摩擦力、咬合力和凝聚力。

        結(jié)合庫(kù)侖公式,砂土抗剪強(qiáng)度主要由摩擦力組成,這種摩擦力除來(lái)源于砂土顆粒之間的剪切滑動(dòng)摩擦力之外,還來(lái)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(wú)凝聚力作用,故應(yīng)基于水下休止角進(jìn)行其河岸沖刷過(guò)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(shí),河岸邊坡基本穩(wěn)定,相反則發(fā)生崩岸,這一過(guò)程可以通過(guò)圖1加以描述,即沖刷→崩岸→淤積的持續(xù)循環(huán)過(guò)程。根據(jù)非平衡輸沙模型進(jìn)行沖刷過(guò)程的模擬計(jì)算,而崩岸、淤積過(guò)程則通過(guò)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(lái)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(cè)算出崩岸后岸坡的形態(tài)折線(3);以上過(guò)程引起岸頂后退的距離為△Bc,該距離也是崩岸程度和強(qiáng)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(guò)程的可能結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果大致一致。

        圖1 非黏性土河岸沖刷模擬

        此外,對(duì)于非黏性土河道沖刷過(guò)程的橫向展寬模擬,還可以基于河岸沖刷速率的角度展開(kāi)分析?;谠撘暯牵拥辣腊赌嗌骋约皬纳嫌屋斠浦涟镀碌哪嗌硶?huì)造成河岸淤長(zhǎng),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(zhǎng)速率大,由此可見(jiàn),河岸線后退以及因此所產(chǎn)生的河道橫向展寬無(wú)法避免。

        基于河岸岸坡沖刷速率的視角,可以將具體時(shí)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(shí)際沖刷速率,ω>0指河岸淤長(zhǎng)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(shí)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(jìn)行河岸上部黏性土沖刷過(guò)程力學(xué)模擬時(shí)必須先確定出河岸實(shí)際所對(duì)應(yīng)的橫向沖刷距離,與此同時(shí)還應(yīng)展開(kāi)岸坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。當(dāng)所對(duì)應(yīng)的沖刷時(shí)間為△t時(shí),河岸在水流進(jìn)行橫向沖刷后所可能產(chǎn)生的后退長(zhǎng)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(yàn)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(dòng)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(dòng)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(shí)際高度H1、轉(zhuǎn)折點(diǎn)B和其上河岸高度H2,便能推求出實(shí)測(cè)河岸高度。將所得到的崩岸發(fā)生時(shí)實(shí)測(cè)河岸高度和理論河岸高度進(jìn)行比較,以進(jìn)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(rèn)為此后河岸會(huì)持續(xù)發(fā)生平行后退式崩岸,也就是說(shuō)崩岸發(fā)生后邊坡角度始終為β。根據(jù)以上理論對(duì)該河岸上部黏性土崩塌結(jié)果的預(yù)測(cè)情況與實(shí)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(yàn)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(gè)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(jiàn)圖3??梢哉f(shuō)這3個(gè)過(guò)程并非獨(dú)立存在,而是一個(gè)接一個(gè)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(guò)程

        在既定的時(shí)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(shí)間段。

        在進(jìn)行沖積河道黏性土層掛空長(zhǎng)度Lc臨界值計(jì)算的過(guò)程中,崩塌過(guò)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(shuō),當(dāng)斷裂面上邊實(shí)際應(yīng)力如果≥抗拉強(qiáng)度,則對(duì)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(duì)應(yīng)在圖中即L≥Lc時(shí),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(shì),相反,L<Lc時(shí),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(qiáng)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(jī)理為基礎(chǔ)所建立的沖積河道岸坡沖刷過(guò)程水動(dòng)力學(xué)-土體力學(xué)方法能有效避免經(jīng)驗(yàn)法的不足,對(duì)于不同土質(zhì)類(lèi)型的河道岸坡均普遍適用。但是在具體應(yīng)用時(shí),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(yàn)進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的準(zhǔn)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(jìn)展,但直接應(yīng)用于解決實(shí)際問(wèn)題,操作過(guò)程方面仍存在較大難度,還應(yīng)進(jìn)一步深入細(xì)致研究。

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