河流岸灘挫落崩塌機理及其分析模式

王延貴

(中國水利水電科學研究院國際泥沙研究培訓中心,北京 100048)

河流岸灘挫落崩塌機理及其分析模式

王延貴

(中國水利水電科學研究院國際泥沙研究培訓中心,北京 100048)

為探討岸灘挫落崩塌發生的機理和分析模式,通過分析河流岸灘土壤特性和地質結構,結合岸灘土體應力分布與變化特點,深入分析了岸灘挫落崩塌的力學機制和崩塌過程,指出在河床沖刷下切過程中,黏性岸灘頂部出現的縱向裂隙會促使岸灘挫落崩塌的發生,發生過程相對簡單和短暫,破壞面為平面;根據岸灘崩塌體力學平衡分析,探討了岸灘挫落崩塌的分析模式,導出了挫落崩塌的穩定分析方程,該方程反映了河岸土壤特性、岸坡形態、河床沖刷、岸灘滲流等因素的共同作用關系,將其應用于岸灘臨界崩塌高度公式的推導,并利用實測資料對挫落崩塌分析模式的合理性進行了檢驗,結果表明該分析模式是合理的,可以在實踐中應用。

挫落崩塌;崩塌機理;臨界崩塌高度;岸灘;分析模式

河流岸灘崩塌是河道側向演變的重要形式,在沖積河流中普遍存在。岸灘崩塌是河道水流動力與河岸土質邊界結構作用的結果,其中河岸土質邊界結構條件是岸灘崩塌的內因,河道水流動力條件是岸灘崩塌的外因。岸灘挫落崩塌是重要的崩岸類型,除與河岸形態、土壤性質等有關外,還與河道水沙條件、河床沖刷狀態等有關[1-2]。對于具有縱向裂隙的黏性土岸灘,當河床沖刷下切到一定程度,岸坡土體下部失去支撐,岸坡發生挫落崩塌。河流上修建水庫后,攔截了大量泥沙,改變了進入下游河道的水沙過程,導致下游河道嚴重沖刷和下切,促使岸灘挫落崩塌發生。長江三峽蓄水以來,造成下游荊江河道大幅度沖刷,沙市三八灘、文村夾、石首彎道進口、調關彎道、監利烏龜洲等河段深泓高程降低幅度較大,如文村夾附近1998年10月至2009年10月間最大沖深11.2 m,致使三峽水庫下游河道崩岸狀況發生變化,三峽水庫試驗性蓄水期2010年和2011年長江中下游發生崩岸險情分別為64處和65處,崩岸長度分別為4.8km和44.8km,在荊江河段新沙洲、荊江門、張家墩、界牌等發生較大的崩岸[3-4],其中挫落崩塌占有相當的比重,給兩岸防洪及建筑物的安全產生重要影響。因此,深入研究河道沖刷下切對河流岸灘挫落崩塌的影響機理及崩塌分析模式是非常重要的。

1 岸灘挫落崩塌機理

1.1 挫落崩塌的力學機制

岸灘崩塌發生與否主要是由岸灘崩體下滑力(矩)與阻滑力(矩)的平衡關系決定的,當下滑力(矩)大于阻滑力(矩)時,岸灘崩體失穩發生崩塌。岸灘崩體受力狀況與岸灘土體內的應力變化有很大的關系,崩體應力場受到外部條件的影響而發生變化。河床沖刷下切后,岸灘沖刷部分失去支撐作用,岸灘內應力場也將發生變化。王延貴等[1,5-7]曾利用土力學擋土墻的破壞原理揭示河床沖刷下切后的岸灘挫落崩塌機理,結合土力學理論給出岸灘表面以下土體的應力分布,如圖1所示。河床沖刷過程中,岸灘崩體內應力變化經歷了彈性變形狀態到塑性破壞的極限平衡狀態,河床沖刷初期,由于河流岸灘土體一側的泥沙逐漸被沖走,其坡度變陡,岸灘土體水平壓力減小,此階段處于彈性變形狀態(圖1(a))。若河床進一步沖刷,岸灘土體將發展為塑性極限平衡狀態(圖1(b)),此時岸灘頂部會出現拉應力,并出現與岸線平行的張性裂隙,張性裂隙深度H′可由極限平衡狀態下水平側向壓力分布求得[1,5-7],即

圖1 河床沖刷下切后岸灘挫落崩塌力學機制示意圖

式中和圖1中:σ為岸灘土體應力;σz為岸灘土體自重應力;σx為岸灘土體水平側向壓力;τ為土體切應力;τf為土體抗剪強度;c為土體黏聚力;θ為土體內摩擦角;ρ為土體密度。據文獻[1,5]的研究,岸灘頂面裂隙的產生會促進岸灘挫落崩塌的發生,裂隙越深,岸灘崩體越不穩定,挫落崩塌越易發生。

1.2 挫落崩塌的發生過程

對于黏性土壤岸灘而言,一方面,由于岸灘頂部土壤的收縮及張拉應力的作用而產生裂縫[6-7];另一方面,河床沖刷下切會促使岸灘崩體內的應力發生變化,使岸灘頂部產生張性裂隙。表面張性裂隙將會使得岸灘的穩定性降低,當河床沖刷達到一定深度時,岸灘土體下部將逐漸失去支撐,使得崩體沿著破壞面滑落而形成挫落崩塌。岸灘挫落崩塌一般沿河岸呈條形,橫向崩塌寬度較小,發生挫落崩塌的過程較簡單和短暫,破壞面為平面。挫落崩塌發生后,新出露的岸壁直立,仍可發生新的挫落崩塌。岸灘崩體沿破壞面進入河道的方式主要有旋轉倒入河內的倒塌(圖2(a))和平滑入河的滑塌(圖2(b))兩種模式[8-9]。由于這兩種崩塌入河模式的崩塌機理并無不同,因此其崩體穩定評價分析方法應是相同的。挫落崩塌崩體穩定評價可采用崩體受力平衡法進行分析,通過計算崩體的安全系數,判斷岸灘崩體的穩定性。

圖2 挫落崩塌模式與發生過程示意圖

2 岸灘挫落崩塌的分析模式

2.1 挫落崩塌模式分析

對于黏性岸灘頂面出現縱向裂隙的情況,崩體最可能沿著滑裂面崩塌,如圖3所示。岸灘崩體作為一個整體,且假定為剛性,崩體所受的力主要包括有效重力W、破壞面處的支撐力N和阻滑力Pτ、滲透力Pd及外力P0。設整個岸灘崩體斷面面積為A,崩塌斷面滲透線以上和以下的崩體斷面面積分別為Au和Ad,且

式中:H和α分別為河岸高度和破壞面的傾角;α0為沖刷后岸腳段的坡角;Hi和αi分別為河岸斷面第i(i= 1,2)個折點和折線的深度與坡角,具體如圖3所示。

圖3 挫落崩塌穩定分析示意圖

崩體的有效重力為

式中:ρ和ρsat分別為土體的密度和飽和密度;ρw為水的密度`;g為重力加速度。

崩體所受的滲透水動力為

式中:J為土體內滲流梯度。

聯解x和y軸向力的平衡方程:

式中:DF為崩體的下滑力。

崩體破壞面上的阻滑力為

岸灘崩體的穩定系數定義為崩體阻滑力與下滑力的比值,相應的穩定系數為

式中:β為滲透力與水平方向的夾角。將式(2)及

式中:Sαθ為主要反映岸灘土體內摩擦角和破壞面傾角影響的參數;Sβα和nJγ為主要反映滲透力影響的參數;Sα為主要反映河岸形態和破壞面角度影響的參數;St為河岸強度系數,反映河岸土壤黏性與重力的對比關系;SA為主要反映河岸崩體大小和形態影響的參數。方程(10)為岸灘崩體穩定分析模式方程,主要反映了河岸土壤特性、岸坡形態、河床沖刷、岸灘滲流等因素的共同作用關系。折線岸灘破壞面的傾角主要取決于河岸形態、裂隙深度和土壤內摩擦角,可由式(11)確定[10]:

2.2 典型岸灘形態挫落崩塌的分析模式

Thorne等[9]深入研究了洪水期的河岸崩塌問題,指出枯水期的河流岸灘崩塌影響因素與洪水期具有明顯的不同。在枯水期間,岸灘水流浸泡和滲流對河流岸灘崩塌的作用較小,而河流岸灘高度、河床沖刷等則是影響岸灘崩塌的主要因素[11-12]。因此,在探討枯水期河流岸灘崩塌的分析模式時,不需要考慮岸灘水流浸泡和滲流的作用,即f=0。枯水期岸灘崩體穩定分析模式方程變為

式(12)就是枯水期岸灘崩體穩定分析方程。在枯水期,對于不同岸灘形態的挫落崩塌,崩體穩定分析方程不變,皆為式(12),所變化的是方程中的一些系數。最典型的岸灘為簡單邊坡(簡單邊坡是指河岸邊坡形態為直線的邊坡),簡單邊坡岸灘的首次崩塌和二次崩塌有很大的差異。根據簡單邊坡岸灘崩塌的特點,求得幾種典型岸灘形態挫落崩塌穩定分析方程的主要變化參數,如表1所示。

3 挫落崩塌分析模式的應用與檢驗

在分析河流岸灘崩塌過程中,文獻[1,5]提出了岸灘臨界崩塌高度的概念,指出河床沖刷下切過程中,能夠維持岸灘穩定的最大高度稱為岸灘臨界崩塌高度,對應的岸灘崩體穩定系數K=1。當河流岸灘高度大于岸灘臨界崩塌高度時,岸灘將發生挫落崩塌。在黏性岸灘頂面出現張性裂縫的情況下,取穩定系數K=1,求解方程(10)便得岸灘臨界崩塌高度[1,5]:

表1 簡單邊坡穩定分析方程的主要參數

式(13)表明,岸灘臨界崩塌高度的主要影響因素包括河岸土壤特性、岸坡形態、河床沖刷、岸灘滲流等。作為算例,文獻[1,5]對洪水期的臨界崩塌高度的變化過程進行了估計和分析,結果表明洪水期和洪水退落末期是河岸容易崩塌的重要時期。

在枯水期的低水位狀態,根據方程(12)可求得相應的岸灘臨界崩塌高度[1,5]:

枯水期岸灘臨界崩塌高度與河岸強度系數成正比,與河岸裂隙深度和岸灘坡度成反比,這進一步說明河流岸灘縱向裂隙會促進岸灘崩塌。

岸灘崩塌機理十分復雜,影響因素很多,而開展岸灘崩塌、邊界條件和水動力條件的觀測工作難度較大,因而岸灘崩塌分析模式的驗證工作受到很大的限制。鑒于岸灘臨界崩塌高度公式是建立在崩塌模式基礎之上的,且相比之下岸灘臨界崩塌高度在實驗室或天然河流中較容易獲取,因此,可以利用岸灘臨界崩塌高度公式的合理性來間接檢驗河岸崩塌分析模式的適用性。

在天然河道中,針對河岸土質特性、河岸形態及水流條件等同時開展觀測的情況是比較少的,且一般觀測的河岸高度和坡度都是穩定狀態的,比臨界值小20％以上[5,13]。根據文獻[14]提供的天然河流崩塌資料和文獻[1,5]的試驗資料,進行了岸灘崩塌高度的對比分析。在此需要說明的是,文獻[14]提供的Niger河崩塌資料為穩定河岸高度與坡度的關系,沒有區分河岸崩塌類型,實際上也很難區分,因此該資料僅用于檢驗;模型沙崩塌高度試驗在水槽內進行,采用清水下切的試驗方式,岸灘崩塌多為挫落崩塌。圖4(a)和(b)分別為Niger河穩定河岸高度和實驗室模型沙崩塌高度的檢驗情況。由圖4可見,無論是Niger河的野外實測資料,還是模型沙的崩塌試驗研究,岸灘實測臨界崩塌高度與計算值基本一致,表明河流岸灘崩塌分析模式是合理的,可以在實踐中應用。

圖4 岸灘挫落崩塌分析模式的檢驗

4 結 論

a.從河岸土體應力分析出發,闡述了黏性河岸挫落崩塌的機制,指出在河床沖刷過程中,岸灘頂部會出現縱向裂隙,縱向裂隙會加速岸灘挫落崩塌的發生。

b.岸灘挫落崩塌沿河岸一般呈較小寬度的條形崩塌,崩塌過程簡單和短暫,破壞面為平面,崩體沿破壞面進入河道的方式主要有倒塌和滑塌兩種。

c.通過岸灘崩體受力和穩定分析,建立了挫落崩塌的分析模式,給出了挫落崩塌的穩定分析方程;結合岸灘臨界崩塌高度的分析,野外和室內實測資料檢驗表明該分析模式是合理的。

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Mechanism and analysis mode of sinking failures of river banks

//WANG Yangui(International Research＆Training Center on Erosion and Sedimentation,China Institute of Water Resources and Hydropower Research,Beijing100048,China)

In order to study the mechanism and analysis mode of sinking failures,the paper analyzes the mechanical mechanism and process of sinking failures by analyzing the soil properties and geologic structures of the river bank and combining the stress distribution and variation characteristics of the river bank soil.It reveals that longitudinal cracks appeared at the top of the viscous bank accelerate the sinking failures during the process of bed degradation,and the process of the sinking failures is relatively simple and short with a plane failure surface.Based on the analysis on the mechanical equilibrium of bank collapses,the analysis mode of sinking failures was studied and a stable analytical equation of sinking failures was derived.The equation shows the interaction among soil properties,slope form,bed scour and bank seepage,and it can be employed to derive the critical height formulas of bank sinking failures.The rationality of the analysis mode was verified by the field measurements.The results suggest that it is rational and can be used in engineering applications.

sinking failure;mechanism of sinking failure;critical failure height;river bank;analysis mode

10.3880/j.issn.10067647.2013.05.005

TV143+.3

A

10067647(2013)05002105

20121129 編輯:熊水斌)

國家自然科學基金(51179208);中國水利水電科學研究院科研專項(沙集1334)

王延貴(1963—),男,山東鄆城人,教授級高級工程師,博士,主要從事水力學及河流動力學研究。E-mail:wangyg@iwhr.com