肖麗紅

（江西省建洪工程監(jiān)理咨詢有限公司，南昌 330001）

0 引 言

崩岸是彎曲河流運(yùn)行期間普遍存在的側(cè)向侵蝕類型，也是引發(fā)頸向裁彎、蜿蜒蠕動(dòng)及橫向遷移的主要?jiǎng)恿σ蛩?，是水流沖刷坡腳的水動(dòng)力過(guò)程與上部土體重力作用下引發(fā)岸坡崩塌的綜合結(jié)果。河岸侵蝕及崩退后產(chǎn)生的泥沙會(huì)增大河流內(nèi)泥沙含量，引發(fā)河道淤積、河床升高及水流漫灘。當(dāng)前學(xué)術(shù)界對(duì)河岸崩塌的研究主要集中在水流條件、河床演變、河岸邊界條件等方面，通過(guò)采用數(shù)值模擬、室內(nèi)試驗(yàn)、概率統(tǒng)計(jì)等研究方法對(duì)崩岸過(guò)程的發(fā)生機(jī)理、影響因素、程度預(yù)測(cè)等展開研究，但是河段流量變化對(duì)河岸侵蝕、崩岸、河流地貌塑形等的作用機(jī)理并不明確。水流侵蝕河岸、沖刷坡腳、河道調(diào)蓄等引發(fā)基質(zhì)吸力減小是造成崩岸的主要水動(dòng)力因素，但是對(duì)以上因素綜合作用下的岸坡侵蝕過(guò)程展開準(zhǔn)確模擬和控制仍存在較大難度。文章則應(yīng)用BSTEM 模型對(duì)河岸下部土層恒定流及非恒定流等水流條件下崩岸過(guò)程展開模擬，力圖得出不同流量過(guò)程下岸坡崩塌及彎曲河流橫向遷移的一般規(guī)律。

1 河段概況

北江怡豐險(xiǎn)段位于廣東省中山市三角鎮(zhèn)西北部，險(xiǎn)段所處河段為北江城東洲左汊，左岸是城東圍堤，河堤內(nèi)外均為加固護(hù)坡+堤腳拋石護(hù)岸，右岸則為沖擊型平原河道及自然草灘。該河段上游為低山高丘地勢(shì)，河床為砂泥混合土料；險(xiǎn)段中心段最窄處寬度≤10m，洪水經(jīng)過(guò)時(shí)左汊出現(xiàn)較大分流，河道水面收窄，在兩側(cè)激流的擠壓下水流增大，并在下游堤段出現(xiàn)內(nèi)彎以及迎流頂沖、深槽迫岸，水流加速，造成坡腳嚴(yán)重淘刷，形成歷史險(xiǎn)段。

2 研究方法

2.1 野外測(cè)量方法

結(jié)合怡豐險(xiǎn)段Google Earth 遙感影像和160m高度無(wú)人機(jī)拍攝影像，該河段頸口寬度從2014年的24.2m 減小為2021 年的9.3m。頸口寬度的縮小使河段出現(xiàn)裁彎的可能性大大增加，故而在最有可能出現(xiàn)裁彎的區(qū)域選擇5 個(gè)典型斷面，斷面寬度沿彎頂向下游持續(xù)增大。通過(guò)平面精度±0.8cm+1ppm、高程精度±1.5cm+1ppm 的RTK 對(duì)5 個(gè)典型斷面岸坡輪廓點(diǎn)三維坐標(biāo)展開實(shí)地測(cè)量，同時(shí)應(yīng)用ArcGIS 軟件三維分析工具將三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成平面坐標(biāo)，進(jìn)而得出河岸邊坡平面形態(tài)；此外，還應(yīng)將河岸原狀土取樣，通過(guò)篩分法室內(nèi)土工試驗(yàn)及激光粒度儀分別測(cè)量粒徑1mm 以上及1mm 以下土樣的顆粒級(jí)配。

2.2 模擬方法

以BSTEM 模型中的坡腳沖刷模塊所得到的復(fù)雜岸坡形態(tài)為Input Geometry 模塊中幾何形態(tài)輸入數(shù)據(jù)。用戶通過(guò)手動(dòng)輸入崩塌角度及高程或借助軟件自動(dòng)迭代等方式得出最容易發(fā)生崩塌的平面形態(tài)[1]。該模擬方法主要基于水力半徑分割法對(duì)一定水位、岸坡形態(tài)、水力坡度下均勻流河段切應(yīng)力分布情況展開計(jì)算，公式如下：

式中：0τ為切應(yīng)力均值，Pa；wγ為水容重，取9.81kN/m3；R為水力半徑，m；J為水力坡度。

應(yīng)用水力半徑分割法時(shí)，應(yīng)沿水面以下岸坡設(shè)置角平分線，從而將岸坡橫斷面劃分成不同區(qū)域，區(qū)域內(nèi)水流主要受節(jié)點(diǎn)處糙率和水力半徑影響。節(jié)點(diǎn)處沖刷速率均值主要通過(guò)剩余切應(yīng)力法計(jì)算，用時(shí)間參數(shù)將沖刷速率積分后得到?jīng)_刷寬度均值[2]。該方法假定沖刷角與局部坡角垂直，即：

式中：E為河道沖刷寬度，m；k為沖刷系數(shù)；Δt為時(shí)間步長(zhǎng)；cτ為切應(yīng)力臨界值，Pa；其余參數(shù)含義同前。根據(jù)該公式，河岸發(fā)生沖刷與否主要取決于河岸切應(yīng)力臨界值和水流邊界剪應(yīng)力之間的比較，兩者的差值決定著河岸沖刷速率。

北江三角鎮(zhèn)怡豐險(xiǎn)段表現(xiàn)為條崩形態(tài)，河岸土體崩塌幅度大、距離長(zhǎng)，河岸沿程土體構(gòu)成和力學(xué)屬性較為相似，故在水流條件相同時(shí)崩岸臨界條件也極為接近，導(dǎo)致崩塌塊以條帶狀分布。就崩岸發(fā)生的機(jī)制而言，該險(xiǎn)段崩岸屬于懸臂式張拉破壞。以岸高5.41m、河床高0.84m 的2#斷面進(jìn)口段為代表性河岸，河岸岸坡表層覆蓋草本植物，植物根系深入細(xì)砂土層后形成較為穩(wěn)固的復(fù)合體，上層土體黏土含量高，故該斷面進(jìn)口段河岸土體抗剪強(qiáng)度和黏聚力均較高；下層則主要為非黏性土體，受到水流作用后易沖刷淘蝕，并在岸坡處于臨界崩塌角時(shí)表現(xiàn)出平面剪切破壞；這種情況下，上部土體因強(qiáng)度較大且未達(dá)到臨界崩塌狀態(tài)而處于懸臂狀態(tài)。上下層土體交界面通常比洪峰水位高，故水流直接沖刷下部無(wú)黏性細(xì)砂層，河岸細(xì)泥沙顆粒也會(huì)在水流力切應(yīng)力超出土體切應(yīng)力臨界值時(shí)隨水流沖刷而下移，出現(xiàn)崩岸（圖1）。與此同時(shí)，在力矩平衡、下部土體崩塌寬度、力學(xué)作用下，上層土體表現(xiàn)出懸臂式張拉破壞[3]。考慮到文章所采用的BSTEM模型不能對(duì)上部土體懸臂式張拉破壞展開模擬，故文章僅模擬下部非黏性細(xì)砂層崩塌過(guò)程。

圖1 凹岸沖刷機(jī)理示意圖

3 研究過(guò)程及結(jié)果

3.1 研究過(guò)程

按照土體力學(xué)性質(zhì)將北江三角鎮(zhèn)怡豐險(xiǎn)段河岸土體劃分成 5 層，考慮到上部土體強(qiáng)度大，可對(duì)下部一定深度范圍內(nèi)岸坡崩塌起到抑制作用，故將上下部土體交界面以下河岸高度10%以內(nèi)土體切應(yīng)力臨界值、黏聚力、內(nèi)摩擦角等參數(shù)值均提高20%，并歸為第1層。對(duì)于不同水流條件所對(duì)應(yīng)的平均水位以下細(xì)砂層滲透系數(shù)較大，應(yīng)通過(guò)浮重度計(jì)算其水下容重，并歸為第 5 層。中間土層因土體力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)較為一致，土體厚度對(duì)計(jì)算結(jié)果無(wú)明顯影響，故歸為第2～4層。因細(xì)砂層具有較強(qiáng)的透水性，故潛水位變化過(guò)程基本與水面高程一致；河岸下部細(xì)砂層重度取BSTEM模型中既定值18.6kN/m3，第5層取浮重度8.9kN/m3。各土層力學(xué)性質(zhì)具體見(jiàn)表1。

表1 土層力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

按照BSTEM 模型原理，一旦出現(xiàn)河岸崩塌，則崩岸塊在水流的沖刷下隨即下移，但現(xiàn)實(shí)情況卻是，崩岸塊可能堆積于坡腳，對(duì)近岸水流沖刷侵蝕有減弱作用。根據(jù)實(shí)地考察以及對(duì)岸坡形態(tài)的實(shí)地測(cè)量，坡腳所堆積的崩岸塊強(qiáng)度較大，并附著在草本植物根系處，隨著時(shí)間的推移，植物根系甚至貫穿其中。這也表明，怡豐險(xiǎn)段河岸崩岸塊主要為上部粘性細(xì)砂層，因具有較強(qiáng)的抗沖性和黏聚力而大量堆積于坡腳。相反，下部非粘性細(xì)砂層在剪切破壞作用下出現(xiàn)的崩岸塊因土體抗剪性能差，崩落后在水流的沖刷下短時(shí)間內(nèi)便向下游運(yùn)移。

為增強(qiáng)分析過(guò)程及結(jié)果的針對(duì)性，文章通過(guò)BSTEM 模型展開怡豐險(xiǎn)段河岸崩岸規(guī)律分析時(shí)忽略非粘性細(xì)砂坡腳堆積作用，僅對(duì)恒定流和非恒定流兩種水流情況下崩岸過(guò)程展開模擬，并對(duì)崩塌寬度、坡腳沖刷程度、崩退速率變化規(guī)律等展開研究。

3.2 恒定流計(jì)算結(jié)果

取怡豐險(xiǎn)段1985—2020 年日流量資料，根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)將流量劃分成5 組，通過(guò)相關(guān)公式計(jì)算出不同流量的重現(xiàn)期，通過(guò)BSTEM 模型模擬恒定流條件下崩岸過(guò)程，將時(shí)間步長(zhǎng)確定為1d，河段長(zhǎng)度按1.0m 取值，依次運(yùn)行模型中的坡腳沖刷模塊和河岸穩(wěn)定模塊。根據(jù)模擬結(jié)果，在河道水深不足2.0m 時(shí)，模擬時(shí)間超出40d 后坡腳沖刷量及沖刷寬度均取0，結(jié)合公式（2）可知，這種情況下岸坡切應(yīng)力均值小于土體切應(yīng)力臨界值，河床不再遭受水流淘刷沖蝕，岸坡形態(tài)也基本趨于穩(wěn)定，恒定流情況下發(fā)生崩岸的可能性也為0。

根據(jù)對(duì)不同流量條件下坡腳沖刷量隨時(shí)間變化趨勢(shì)的模擬，沖刷從初始岸坡開始出現(xiàn)，此后隨著運(yùn)行時(shí)間的推移，沖刷量呈減小趨勢(shì)，遞減速率也持續(xù)減?。话镀虑袘?yīng)力均值隨著流量的增大而增大，初始沖刷量和坡腳沖刷量均隨之增大，崩岸時(shí)間縮短。當(dāng)水深從2.0m升高至2.5m時(shí)，岸坡沖刷速率約提升1倍；水深從2.5m提升至3.5m時(shí)，岸坡沖刷速率提升約2.1倍，表明水位較低時(shí)流量的增大對(duì)河岸沖刷更為劇烈。

通過(guò)對(duì)恒定流情況下崩岸情況模擬結(jié)果（表2）的分析，隨流量增大，崩岸角和崩岸寬度均呈增大趨勢(shì)，但崩岸時(shí)間卻持續(xù)減小。以崩岸寬度和崩岸時(shí)間之比為崩岸速率，從而得出恒定流情況下流量Q與崩岸速率v的關(guān)系式：

表2 恒定流情況下的模擬結(jié)果

據(jù)上式，崩岸速率和流量呈對(duì)數(shù)關(guān)系，且隨著流量的增大，崩岸速率持續(xù)減?。划?dāng)水深取2.0m時(shí)，對(duì)應(yīng)的崩岸速率為3.08m/a，根據(jù)模擬結(jié)果得到的該計(jì)算值與3.1m/a的實(shí)測(cè)值較為吻合，表明模擬結(jié)果科學(xué)合理。根據(jù)崩岸速率和崩岸時(shí)間隨流量的變化趨勢(shì)，當(dāng)崩岸時(shí)間為20d，對(duì)應(yīng)流量取120m3/s；若實(shí)際流量小于該取值，且流量持續(xù)時(shí)間不超出20d，崩岸便不會(huì)發(fā)生，岸坡也將保持穩(wěn)定。

3.3 非恒定流計(jì)算結(jié)果

結(jié)合實(shí)測(cè)結(jié)果及水文資料，北江三角鎮(zhèn)怡豐險(xiǎn)段1 年中約9 個(gè)月時(shí)間為低流量，夏季降雨是影響其水位變化的關(guān)鍵性因素，在低流量下，岸坡受水流的侵蝕及崩岸發(fā)生的可能性均較小，河岸基本穩(wěn)定；而隨著流量增大和水位提升，岸坡侵蝕變得劇烈，坡腳淘刷速度加快，河岸穩(wěn)定性受到較大影響，高水位期間也是崩岸集中性發(fā)生的主要時(shí)段。為此，必須展開怡豐險(xiǎn)段崩岸過(guò)程受高水位非恒定流組合流量影響的分析。

根據(jù)對(duì)怡豐險(xiǎn)段1985—2020 年日流量資料中單峰水文過(guò)程線的分析，以50m3/s、100m3/s、150m3/s、200 m3/s 等4 種流量為平均流量展開水文過(guò)程模擬，且每種流量模擬時(shí)長(zhǎng)均按照18d、20d 和22d 設(shè)置，共對(duì)應(yīng)12 種工況。以20d 時(shí)長(zhǎng)下的工況為恒定流對(duì)照組，其余工況流量過(guò)程線取Ⅰ類（前高后低）、Ⅱ類（前低后高）、Ⅲ類（前后齊平）形態(tài)；不同平均流量及工況下變差系數(shù)、水文過(guò)程線及峰值流量并不相同。非恒定流情況下模擬結(jié)果如表3 所示。

表3 非恒定流情況下的模擬結(jié)果

通過(guò)表中結(jié)果可以看出，在流量均值相同的情況下，峰值流量、流量變化趨勢(shì)、流量大小及流量分布的離散程度存在較大差異，但單位時(shí)間為坡腳處沖刷量較為接近，并隨著流量均值的增大而呈遞增趨勢(shì)。結(jié)合相關(guān)研究成果，極大洪水流量是多年水文系列中沖刷量控制的關(guān)鍵性因素，故對(duì)于一個(gè)水文過(guò)程線而言，沖刷速率隨峰值流量的越大而增大[4]。但根據(jù)分析，怡豐險(xiǎn)段沖刷速率和峰值流量的關(guān)系較為散亂。工況8和12沖刷速率分別為0.59m/d和0.76m/d，兩者誤差均值達(dá)到±13.7%，明顯比流量均值為200m3/s時(shí)三種工況誤差均值大；工況4和9、8和12峰值流量相同，但沖刷速率存在較大差異。峰值流量主要通過(guò)流量均值間接影響岸坡沖刷及崩岸，通過(guò)對(duì)該河段沖刷速率與流量均值關(guān)系的分析，在流量均值一致的情況下，沖刷速率隨時(shí)間的推移變化較小，對(duì)沖刷速率的影響也不大。水流對(duì)河岸的沖刷是流量量級(jí)和流量出現(xiàn)頻率共同作用的結(jié)果，高流量對(duì)岸坡沖刷劇烈但歷時(shí)短，低流量沖刷緩慢但歷時(shí)長(zhǎng)，岸坡沖刷量主要取決于流量均值，與流量過(guò)程變化關(guān)系不大[5]。

4 結(jié) 論

綜上所述，河岸岸坡陡于河岸土體穩(wěn)定坡度以及河岸底部受水流淘刷進(jìn)而引發(fā)上部河岸失穩(wěn)是造成怡豐險(xiǎn)段崩岸的根本原因。在恒定流下，崩岸寬度及坡腳沖刷速率均隨流量的增大而增大，但崩岸時(shí)間卻隨之減??；坡腳沖刷量越大，達(dá)到臨界崩岸寬度所需要的時(shí)間也越短。在非恒定流下，峰值流量、流量離散程度及組合流量變化趨勢(shì)對(duì)單位時(shí)間內(nèi)岸坡沖刷量及崩岸寬度的影響均較為接近，且均隨流量均值的增大而增大；一定時(shí)間范圍內(nèi)河岸侵蝕及崩岸是流量量級(jí)和頻率共同作用的結(jié)果，與流量峰值關(guān)系不大，故應(yīng)以某個(gè)水文過(guò)程的有效流量均值為評(píng)估怡豐險(xiǎn)段河岸侵蝕及崩岸的主要指標(biāo)。