滲流與側向流共同作用下的潮溝邊壁侵蝕研究進展*

龔 政 王客予, 2 趙 堃 張凱麗

滲流與側向流共同作用下的潮溝邊壁侵蝕研究進展*

龔 政1王客予1, 2①趙 堃1張凱麗1

(1. 河海大學江蘇省海岸海洋資源開發與環境安全重點實驗室 江蘇南京 210098; 2. 中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司 陜西西安 710065)

潮溝的邊壁侵蝕可以分為水流作用下的邊壁沖刷與土塊重力作用下的邊壁崩塌。前人研究表明, 水流流速、水壓及土體干密度等因素均對底床沖刷率有顯著影響, 然而側向邊壁的沖刷率量測以及相關影響因素問題亟待解決。前人較多關注側向流對于邊壁崩塌的影響, 而對滲流作用以及滲流與側向流在邊壁侵蝕過程中的共同作用研究較少。近期研究表明, 滲流已成為邊壁侵蝕過程中的重要一環。因此, 滲流與側向流不同動力作用下, 邊壁侵蝕的差異性和相似性, 以及兩種動力共同作用下的侵蝕機制仍待進一步探究。

潮溝; 沖刷率; 邊壁侵蝕; 滲流

潮灘地處海陸之交, 一般發育在沿海平原外緣, 廣泛分布在開敞式、港灣型和河口灣型海岸, 比如: 中國東部沿海(Zhang, 2016; Chen, 2017)、英國西部及東南海岸(Chen, 2012)、荷蘭西北海岸(Kleinhans, 2009)、美國東海岸(Mariotti, 2013), 具有寬廣性、尺度大、坡度緩、底質顆粒細(由淤泥質黏土、粉砂、粉細砂等組成)等特征(呂亭豫等, 2016)。在淤泥質潮灘的潮間帶, 即平均大潮高潮線至平均大潮低潮線之間的潮灘, 由海洋動力, 特別是潮汐作用形成的潮溝系統廣泛發育并呈現樹枝狀、矩形狀、平形狀或羽狀等平面形態結構(Ichoku, 1994; 呂亭豫等, 2016)。潮溝為水流及泥沙提供輸入與輸出潮灘的通道, 對潮灘的地貌動力過程具有重要影響, 隨水流運動的營養物質對生態系統穩定有重要意義, 同時潮溝也是潮灘上海陸相互作用最活躍的微地貌單元(Fagherazzi, 2012; Lanzoni, 2015)。

經典理論將邊壁侵蝕從機理上分為兩個階段: (1)水流作用下的邊壁沖刷(水力學過程); (2) 土塊重力引起的邊壁崩塌(土力學過程) (Rinaldi, 2007)。研究表明, 潮溝邊壁崩塌是海岸地貌動力過程中重要的一環, 對海岸工程建設構成嚴重威脅, 例如2015年江蘇沿海條子泥海域潮溝曲流向岸擺動距離達1 800 m, 引發了一系列應急搶險工程。此外, 大江大河崩岸現象也十分普遍(夏軍強等, 2003; 余文疇等, 2008; 盧金友等, 2017; 假冬冬等, 2021), 由側向流沖刷形成懸臂及邊壁崩塌現場見圖1。據不完全統計, 近60年來長江中下游累計崩岸長度超過1 600 km, 占岸線總長的37.6% (褚明華等, 2016; 張幸農等, 2021)。此外, 崩塌土塊也是河道重要的供沙來源, 例如在美國中西部的黃土區域, 邊壁供沙占整個流域供沙的80%以上(Simon, 2000)。

目前研究邊壁侵蝕的主要困難之一是缺乏土壤性質數據, 需要改進相關性質的測量方法。雖然目前用于穩定性分析的一些土壤性質, 如液體、沉積物的密度容易量測, 但其他性質和系數獲取難度大, 也鮮有現場表征這些性質和系數的方法。即使是主要的侵蝕特性(如沖刷系數、剪切強度、有效黏聚力和臨界起動切應力)也難測量, 不能很好地理解它們與其他土壤特性的相互關系, 因此邊壁沖刷速率的量測以及相關公式的推算成為亟待解決的問題之一。研究邊壁侵蝕的另一個難點是各種機制之間的相互作用。因此, 本文重點回顧邊壁沖刷速率量測及其影響因素和滲流和側向流共同作用下岸壁侵蝕機制兩方面的研究進展, 揭示潮灘-潮溝系統多因子共同作用下的崩岸機理, 對于保障海岸工程安全, 以及潮灘系統的科學開發、利用和保護具有現實意義, 對促進多學科交叉具有重要的理論和實際價值。

圖1 側向流沖刷形成懸臂及邊壁崩塌

注: a. 側向流沖刷岸底形成懸臂; b. 邊壁崩塌, 改自文獻(Samadi, 2013)

1 邊壁沖刷

邊壁沖刷是指水流在特定條件下對側向土體進行沖刷的現象, 其主要影響因素為水流條件和土體本身的性質。目前對于側向邊壁的土體起動及沖刷研究較少, 大部分研究集中于底床起動和沖刷方面, 其實驗方法及量測手段可以在側向邊壁起動沖刷的研究中加以借鑒。現有兩種主流的底床土體沖刷率計算公式, 其中一種在曹叔尤公式(曹叔尤等, 1986)的基礎上將沖刷率與過量剪應力確定成指數關系, 即:

另一種沖刷率公式認為水流切應力大于土體的起動切應力時, 土體才會被水流沖刷(Hanson, 2001):

=d?(0–c), (2)

式中,為沖刷厚度, 單位為m/s;d為土體的沖刷系數, 單位為m3/(N?s); ?為沖刷時間, 單位為s;0為水流的平均切應力, 單位為Pa;c為臨界起動切應力, 單位為Pa, 相應的沖刷率為:

=d(0–c). (3)

黏性土的抗沖特性主要涉及沖刷率和起動條件等, 而土體起動除水流作用外, 主要受到土體本身物理及力學性質的影響, 因此水流條件與土體本身性質均應在黏性土的抗沖研究中加以考慮(宗全利等, 2014)。在邊壁沖刷過程中, 水流入滲會導致土體本身密度、含水率及液塑限等物理性質發生改變, 進一步影響土體的內摩擦角及黏聚力等抗剪強度指標, 土體臨界起動切應力隨之變化。

1.1 流速對邊壁沖刷的影響

黃建維(1989)在水槽實驗的基礎上, 結合前人的研究成果, 認為均勻容重底床的沖刷率與水流流速近似呈四次方關系。李華國等(1995)通過水槽實驗得出了類似的結論, 認為淤泥沖刷率與水流切應力近似呈二次方關系, 與水流流速呈四次方關系。孫志林等(2011)在錢塘江河口河床獲取2個鉆孔共28個巖芯, 進行起動和沖刷水槽實驗, 發現未充分固結的淤泥沖刷率與相對剩余切應力的二次方呈正比(與流速的四次方近似相關), 而固結已久的淤泥沖刷率與相對剩余切應力呈線性關系(與流速的二次方近似相關), 二者的沖刷常數相差一個數量級。

1.2 水壓對邊壁沖刷的影響

萬兆惠等(1990)通過有壓管道實驗表明, 粗顆粒泥沙在較大水深條件下的起動流速幾乎不受水壓的影響; 而黏性細顆粒泥沙的起動流速與水壓呈正比。甘甜(2017)比較了水壓在不同水力條件下(例如管道和明渠)對黏性泥沙起動的影響, 實驗結果表明: 在有壓管道中, 泥沙淤積固結初期, 黏結力對黏性泥沙的起動影響不顯著, 阻礙黏性泥沙起動的主要因素為管道壓力, 在后期, 黏性泥沙黏結力增強, 對其起動的影響增大。在明渠大水深條件下, 相對水深變化小, 無法對黏性泥沙的起動造成明顯影響, 然而在明渠水槽中, 相對水深成為影響黏性泥沙起動的主要因素。明渠中水深的增大改變了土體微團所受薄膜水附加壓力, 起動流速和起動切應力隨水深的增大而增大。

1.3 土體密度對邊壁沖刷的影響

干密度是黏性土顆粒在沉積過程中對外表現的宏觀結果, 易于量測獲得, 能綜合反映出土體在沉降密實過程中土顆粒間黏結力的變化。干密度的差異反映出土體固結度的不同, 土體的固結度在宏觀層面影響對外表現的抗沖刷能力, 在微觀層面上對應不同的顆粒間黏結力。顆粒間黏結力的大小影響床面泥沙的起動現象: 土體干密度較小時, 土顆粒間黏結力小, 床面泥沙以單顆粒起動為主; 孔隙水逐漸排除的過程中土體干密度逐漸增大, 土顆粒的骨架發生壓縮, 黏結力的增大導致床面起動由單顆粒向微團發生過渡; 當土體干密度(或土顆粒間黏結力)增大到一定程度時, 床面泥沙起動則完全表現出微團的運動形式(舒彩文等, 2007)。

Krone(1999)通過對前人的實驗數據進行分析后, 認為底床抗沖刷能力隨著床層結構沖刷的進展而增加, 底床沖刷率與土體密度呈線性關系, 當顆粒結構幾乎完全沖刷到密度較高的結構時, 該線性關系的斜率及截距均發生較大變化。舒彩文等(2007)在前人實驗資料的基礎上研究了土體干容重及粒徑對臨界起動切應力的影響, 結果表明, 黏性泥沙的沖刷率與干容重及顆粒間的黏性正相關, 與粒徑呈負相關關系; 對于淤泥, 土體沖刷率與干容重則可以量化為六次方的關系, 基于此發現建立了相關的泥沙臨界起動切應力公式(舒彩文等, 2007)。

1.4 沖刷系數與起動切應力的計算

從式(2)和式(3)可以看出, 黏性土的沖刷率不僅受到水流流速的影響, 而且與土體的沖刷系數和臨界起動切應力密切相關。土體本身的特性在很大程度上影響沖刷系數和臨界起動切應力, 其中前者是決定土體沖刷率的最主要因素。

國內外學者分別選取不同地區及植被覆蓋條件的土樣, 通過實驗得到了相應的沖刷系數與土體臨界起動切應力的數量關系式, 可歸納為d=·c的形式, 其中、均為常數。Hanson等(2001)在進行了83組水下射流實驗之后, 得到土體沖刷系數與臨界起動切應力的定量關系式為d=2×10–7c–0.5; Wynn等(2004)針對位于美國弗吉尼亞州西南部的河岸土體進行了142組實驗, 得到該地區受到植被覆蓋的土體沖刷系數與臨界起動切應力的定量關系式為d=3.1× 10–6c–0.37; Karmaker等(2011)在印度雅魯藏布江河岸上進行58次現場淹沒射流實驗后, 得到土體沖刷系數與臨界起動切應力的定量關系式為d=3.1× 10–6c–0.185; 宗全利等(2014)對荊江段河岸黏性土進行沖刷實驗后, 通過數據擬合得到該河段邊壁黏性土沖刷系數與臨界起動切應力關系式為d=7.677× 10–6c–1.949。

不難發現, 黏性土體的沖刷系數與臨界起動切應力之間確實存在某種數量關系, 但不同的植被覆蓋條件與土體本身性質決定了該關系式中、兩個常數的大小。含水率增大導致黏性土體塑性增強, 土體沖刷難度增大, 這是Karmaker與宗全利等實驗結果中沖刷系數差異大的原因之一。此外, 宗全利等(2014)實驗土體黏粒含量c=24.6%, Hanson、Wynn、Karmaker等實驗土體黏粒含量c均在50%以上, 黏粒含量減小則土體黏性減小, 越容易沖刷, 所以沖刷系數越大。另外, 土樣來源及實驗條件也會影響實驗結果, Hanson、Wynn、Karmaker等實驗均在現場進行, 但Hanson等實驗關注床面土體, Wynn、Karmaker等實驗針對河岸土體起動, 且水流對河岸的沖刷作用受到覆蓋在其上的植被影響, 在一定程度上導致了關系式中的沖刷系數計算結果偏小; 宗全利等在實驗前將黏性土與水攪拌均勻, 靜置一段時間使土體在自重作用下固結, 以此得到實驗土樣, 而Hanson、Wynn等實驗結果均是針對原狀土體現場測得, 不同的土樣獲取方式在一定程度上影響計算結果。

通過對土體沖刷及臨界起動切應力影響因素的回顧, 發現大部分研究集中于底床起動和沖刷方面, 對于側向邊壁的土體起動及沖刷研究較少, 且大部分研究對于流速、水壓、土體密度等因素對于土體沖刷速率的影響意見不一。鑒于側向邊壁土顆粒受力與底床土顆粒受力不盡相同(側壁顆粒由于重量分量的作用沿坡面向下滑動, 是邊壁坍塌的驅動力之一; 而底床顆粒則受到沿水流方向的拖曳力驅動作用(Aldefae, 2020), 建議后續對側向邊壁沖刷率的影響因素進行實驗分析, 提出相關沖刷率計算公式。此外, 應盡量采用現場取樣及測試, 以便得到更加貼近實際的實驗結果。

2 滲流對邊壁侵蝕的影響

在較長一段時間里, 滲流的隱蔽性和復雜性是研究其影響邊壁侵蝕的難點所在。Hagerty和Fox等列舉了一些原因: 滲流侵蝕是一種非常復雜的機理, 在一次暴雨后, 許多不同的條件都會造成嚴重的滲流侵蝕, 而在另一次暴雨之后, 滲流侵蝕的規模可以忽略不計(Hagerty, 1991; Fox, 2010)。此外, 其他邊壁侵蝕的機制可能會將滲流造成的侵蝕掩蓋, 例如河岸的侵蝕可能被誤解為完全由側向流侵蝕造成。在近期的研究中, 與地下水流動相關的孔隙水含量和壓力的變化被認為是控制堤岸坍塌發生的最重要因素之一(Simon, 2000; Darby, 2007; Rinaldi, 2008, 2013)。然而迄今為止發展起來的數學模型雖可用于獲得河床和河岸變形, 但僅適用于有限的邊界條件。此外, 由于邊壁侵蝕現象缺乏局部的詳細數據, 對于坡度和水流等相關條件的數值模擬存在一定困難。因此, 需要更多的現場或實驗室研究來標定和驗證多種條件下與河岸侵蝕相關的動態特征(Shu, 2019)。

2.1 滲流影響邊壁侵蝕的實驗研究

不少學者通過滲漏儀實驗(Fox, 2006, 2007; Lindow, 2009; Karmaker, 2013)揭示了滲流導致邊壁侵蝕的基本過程: (1) 滲流底切; (2) 在岸坡或岸頂表面形成拉裂; (3) 岸坡坍塌。滲漏儀實驗模擬滲流作用下的邊壁侵蝕過程見圖2。Fox等(2007)通過實驗發現, 滲流侵蝕的作用略大于土壤孔隙水壓力增加在邊壁侵蝕中的作用。拉裂縫是滲流過程中土體基質吸力的降低和底切誘導彎矩共同作用的結果。邊壁坍塌后形成的岸趾對邊壁起到一定的保護作用, 阻礙了側向流的進一步侵蝕和滲流的底切過程。只有側向流或人工將岸趾移除之后, 滲流底切才會繼續進行, 這項工作表明了今后將河流侵蝕和滲流侵蝕同時進行研究的必要性(Midgley, 2013)。邊壁崩塌土體在河床上的輸移范圍及程度, 關系到邊壁的二次崩塌以及河床的沖淤變形, 而后者的改變又會反過來影響邊壁的穩定(Fox, 2014)。

圖2 滲漏儀模擬滲流作用下的邊壁侵蝕過程

注: 改自文獻(Fox, 2010)

上述實驗研究大多采用二維滲漏儀進行, 忽略了崩岸沿寬度方向的差異, 且二維模型無法模擬非均勻懸臂破壞、黏性岸坡附近和內部復雜的水流特性、泥沙運動的縱向坡度、孔隙水壓力和崩塌塊體效應(Fox, 2007; Patsinghasanee, 2017)。此外, SLOPE/W數值模型預測的邊壁坍塌時間比在滲漏儀實驗中觀察到的更早, 可能原因是土體受到了滲漏儀兩側邊壁的壓縮力(Fox, 2007)。Chu-Agor等(2008)在Fox等(2006)二維模型實驗的基礎上進行改進, 使用三維模型進行滲漏實驗, 在此基礎上建立了泥沙輸移函數, 但仍存在滲流入口集中, 模型比尺較小, 無法真實還原土體應力的變化過程等問題。因此, 需建立滲流影響邊壁侵蝕的三維原型實驗系統進行進一步研究。

2.2 滲流作用下的邊壁侵蝕機制

滲流可以通過三種不同的機制導致邊壁侵蝕:

(1) 增加土壤孔隙水壓力, 降低土體的抗剪強度(Fox, 2014)。室內水槽研究表明, 當非飽和孔隙水壓力增加到接近飽和時, 土壤最初的臨界剪應力或抗侵蝕能力有所提高, 而抗剪強度明顯下降, 地表侵蝕速率增加了一個數量級(Khanal, 2020)。

(2) 滲流梯度力(Fox, 2014)。當滲流壓力大于土的抗剪強度時, 土體會發生拉伸或“突出”破壞, 而土體的抗剪強度因含水量增大而降低, 滲流力的增大和土體抗剪強度降低是實驗中觀察到的拉伸或“突出”破壞的原因(Chu-Agor, 2008)。孔隙水壓力和基質吸力均隨地下水位的變化而變化, 前者起到侵蝕作用, 后者起到表觀黏聚力的作用。在洪水退水或落潮期, 靜水壓力迅速下降, 平均地下水位的滯后變化導致孔隙水壓力相對較高, 不利于岸坡穩定。因此, 堤岸坍塌大多發生在水位下降期(Deng, 2019)。相關實驗發現, 增大滲透水頭, 黏性土可蝕性隨之增加, 土體內濕潤鋒推進速度加快, 崩岸速度加快; 對于同一滲透水頭, 隨著岸高的降低, 崩岸泥沙質量減少, 但滲流侵蝕對岸坡泥沙總量的貢獻率增加(Fox, 2006; Al-Madhhachi, 2011)。

(3) 滲流顆粒的移動和底切(Fox, 2014)。滲流梯度力小于土塊的初始抗力時, 顆粒移動(即滲透侵蝕)和土體下切導致邊壁崩塌, 這是由滲流和孔隙水壓力累積的合力造成的(Chu-Agor, 2008)。

2.3 滲流與側向流共同作用下的邊壁侵蝕機制

滲流與其他導致邊壁侵蝕(即河流侵蝕、圍壓和植被)的因子間復雜相互作用, 使得人們很難充分了解滲流對邊壁侵蝕的作用(Fox, 2006)。復雜的原因主要在于難以量化影響崩岸這一現象的土壤、水文和巖土機制, 以及理解它們之間的相互作用。相關研究表明, 滲流本身似乎不是造成侵蝕的主要因素。然而, 當有其他因素(如降雨)引起侵蝕時, 滲流會影響侵蝕速率。滲流對侵蝕的影響最能通過土體可蝕性的變化來確定, 表明滲流與土體可蝕性有直接關系。這表明土體可蝕性既受土體本身特性的影響, 又受土體中水流條件的影響(Owoputi, 2001)。

近年來, 一些學者研究了側向流對河岸邊壁侵蝕的影響。Samadi等(2013)采用人工開挖的方式代替側向流進行實驗, 并將數值模型得到的應力和形變分布與實驗室觀測結果進行了比較, 研究發現邊壁發生傾倒破壞的可能性大于剪切破壞。Patsinghasanee等(2017)通過對泰國U-Tapao河岸的實驗結果和現場數據進行數值模擬, 對懸臂破壞的機理進行了分析研究, 開發了可以較準確地模擬邊壁破壞機制與懸臂形狀的數值模型。Thi等(2019)關注側向流的漲落速率與邊壁土體性質的影響, 研究發現水位不變時, 土體密度更大、黏聚力更高的邊壁容易出現更大更深的崩塌破壞, 水位變化率低時, 側向流的入滲成為邊壁侵蝕的主要因素, 而水位變化率高時, 邊壁侵蝕以懸臂的傾倒破壞為主。Aldefae等(2021)發現邊壁土體侵蝕率隨著側向流流速的下降而降低。

Van Eerdt(1985)和Gabet(1998)對潮汐環境中的崩岸進行了開創性的工作, 用梁破壞分析方法研究了懸臂形鹽沼堤岸和懸崖的穩定性。Ginsberg等(1990)證明了崩岸是如何導致侵蝕尖頂形狀的發展的, 其研究大坡角是潮汐槽岸崩塌的主要原因。Zhao等(2020)主要關注潮溝邊壁高度與近岸水深的作用, 結果表明邊壁的后退速率隨邊壁高度與近岸水深之比的增大而先增大后減小。Zhang等(2021)對潮溝邊壁破壞面的三維結構進一步分析后發現破壞面角與岸坡后退距離呈線性負相關。

前人對于邊壁侵蝕的研究多傾向于孤立地看待單個過程, 但邊壁侵蝕是滲流、側向流等多因素相互作用的綜合結果(Wolman, 1959; Thorne, 1982; Lawler, 1997)。簡而言之, 孤立地看待側向流或滲流等因素在邊壁侵蝕中的作用, 會導致對相關過程的預測出現偏差(Darby, 2007)。因此, 多位學者提出建議, 今后的研究應嘗試將滲流侵蝕與側向流侵蝕相結合, 對崩岸機理的認識應涵蓋側向流平均水位漲落速率和滲流水頭等多方面因素(Fox, 2010; Karmaker, 2013; Thi, 2019)。

對滲流與側向流共同作用下邊壁侵蝕機制的研究較少, 部分學者通過對比研究發現, 在只有側向流作用于邊壁的情況下, 土體內孔隙水壓力從試驗開始到結束一直保持穩定(Ning, 2011)。側向流一方面沖刷岸底促進懸臂的形成, 加速邊壁坍塌的過程; 另一方面通過對邊壁由外向內的靜水壓力在一定程度上支撐邊壁, 在此過程中水流的入滲加強了邊壁土體的抗滑移能力(葉威等, 2019), 水流持續時間長短影響沖刷崩塌過程。在側向流和滲流的共同作用下, 土體內孔隙水壓力開始時增長較快, 然后增長速度逐漸減小, 最后達到穩定狀態。相比于只存在側向流的情況, 兩種因素共同作用下邊壁崩塌更容易發生。在相同流速、不同滲透壓力的條件下, 滲流水力坡度越大, 破壞發生的時間越早, 破壞的范圍也越大(Ning, 2011)。

3 河岸與潮溝邊壁侵蝕的差異性

河岸與潮溝系統擁有相似之處, 二者均具有復雜的樹枝網狀結構及蜿蜒曲流的特性(Coco, 2013), 在潮溝系統的研究中借鑒河岸侵蝕的方法基本可行, 但需要考慮兩個系統的差異所帶來的影響。主要的區別在于二者水流驅動力的不同: 潮溝內的水流受潮汐及波浪影響較大(Hibma, 2004; De Swart, 2009; Bendoni, 2014), 潮流以潮周期為時間尺度, 在潮溝內往復運動, 流速變化劇烈, 其最大流速時刻為漲潮初期及落潮后期(Zhang, 2016); 河流主要受地形和上游徑流影響(Bendoni, 2014), 以季節為時間尺度, 單向流態穩定, 其最大流速與高水位同時出現(Bayliss-Smith, 1979)。Xin等(2011)的數值模型研究強調了潮灘水文研究的復雜機制, 發現在潮周期內, 滲流存在明顯的不對稱性, 在由海向陸的方向上潮灘土體內孔隙水循環的特征時間尺度逐漸減少多個數量級。其研究表明滲流過程在一定的空間尺度下對于潮溝形態的演變具有重要作用。往復流的存在使得潮溝邊壁土壤飽和度始終保持較高水平, 自陸向海的土體淹沒歷時不同導致土體強度與破壞頻率的空間差異(D’Alpaos, 2006)。Simon等(2000)認為邊壁坍塌主要由洪水衰退期的靜水壓力迅速喪失導致。與河流環境下二元河岸土體各向異性沿邊壁剖面方向不同的是(夏軍強等, 2013; 鄧珊珊等, 2020), 潮汐環境中潮溝邊壁土體受往復流影響而導致的各項異性主要表現在垂直于海岸的方向。風浪和鹽度等因素亦可通過改變土體的孔隙水壓力分布(Francalanci, 2013)或土壤分散過程(Masoodi, 2019)影響潮溝邊壁的穩定性。因此, 漲落潮的頻繁出現對潮溝邊壁侵蝕產生顯著的影響。

4 結論和建議

目前研究邊壁侵蝕的主要困難之一是缺乏土壤性質數據, 需要改進相關侵蝕特性與土壤性質的測量方法。前人研究表明, 底床泥沙沖刷速率與流速正相關, 而與靜水壓力、土體干密度負相關, 但就某一種因素對沖刷率的影響程度意見尚未統一, 且大多數研究針對底床沖刷, 較少研究關注邊壁的側向沖刷過程, 因此邊壁沖刷侵蝕速率的量測及其影響因素成為亟待解決的問題之一。邊壁侵蝕的另一個研究難點是各種機制之間的相互作用。例如, 前人大多研究側向流沖刷條件下邊壁的侵蝕坍塌, 而對滲流作用以及滲流與側向流在邊壁侵蝕過程中的共同作用研究較少。近期研究表明, 滲流侵蝕是導致邊壁侵蝕破壞的重要因素, 可以通過三種不同的機制導致邊壁侵蝕: (1) 增加土壤孔隙水壓力, 降低土體的抗剪強度; (2) 滲流梯度力; (3) 滲流顆粒的移動和底切。滲流與側向流不同動力作用下, 邊壁侵蝕的差異性和相似性, 以及兩種動力共同作用下的侵蝕機制仍待進一步探究。

邊壁侵蝕的實驗研究較多針對河流環境下尺度較大的分層邊壁, 且多使用降比尺的模型實驗進行探索, 而對受潮流影響的尺度相對小的潮溝邊壁關注不足。雖然二者的研究方法可以相互借鑒, 但潮溝環境中往復流的水力特性及細顆粒的泥沙性質帶來的影響仍不可忽略。針對潮流、滲流對泥灘潮溝等海岸環境的影響, 建議從以下方面進行探究: (1) 潮流與滲流不同動力下, 潮溝邊壁侵蝕的差異性和相似性。(2) 潮流與滲流共同作用下潮溝邊壁的侵蝕機制。應采用水槽實驗與數值模擬手段, 考慮水流和土體性質的影響, 優化邊壁沖刷速率經驗公式, 基于實驗建立滲流水力坡度與邊壁侵蝕速率的經驗公式, 分析邊壁侵蝕類型及破壞頻率和距離等指標, 明確侵蝕過程控制因素及貢獻率。(3) 考慮潮汐環境中往復流的水動力特性及細顆粒的泥沙性質對潮溝邊壁侵蝕的影響。(4) 植被根系較高的抗拉強度與吸水的特性對邊壁穩定性影響顯著, 建議可以從植被與地下水的共同作用入手, 將生物因素納入多因子共同作用下的邊壁侵蝕研究中來。除滲流及側向流外, 植被、土壤性質、波浪、底棲生物等因素均對潮溝邊壁穩定性造成不同程度的影響, 對多因子驅動下潮溝邊壁侵蝕的研究將有助于完善潮灘-潮溝邊壁侵蝕動力地貌模型, 從本質上闡明潮溝崩岸的力學機理與周期性的侵蝕機制, 對于保障海岸工程安全, 以及潮灘資源的科學開發、利用和保護具有現實意義, 對促進多學科交叉具有重要的理論和實際價值。

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記得在井岡山革命烈士陵園，我們向長眠在這里的革命烈士敬獻花圈，聆聽井岡山時期的艱苦斗爭歷史：“兩年零四個月的井岡山革命斗爭異常慘烈，犧牲烈士4.8萬人，平均每天就有50多人倒下……”面對巨大的犧牲，根據地軍民鐵骨錚錚，“就是剩下我一人，也要舉起紅旗，爬山越嶺干到底！”伍若蘭同志在敵人的嚴刑拷打面前寧死不屈：“共產黨人從來不怕死……若要我低頭，除非日從西邊出，贛江水倒流。”……一次次淚流滿面，一次次心中激蕩，深深被革命前輩的崇高品格和精神所震撼！這時，真正體會到黨旗是用烈士的鮮血染紅的，堅定的共產主義理想信念是中國革命紅旗不倒、立于不敗之地最根本的精神支柱。

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RESEARCH PROGRESS ON BANK EROSION OF TIDAL CHANNEL UNDER COUPLED EFFECT OF SEEPAGE AND SURFACE FLOW

GONG Zheng1, WANG Ke-Yu1, 2, ZHAO Kun1, ZHANG Kai-Li1

(1. Jiangsu Key Laboratory of Coast Ocean Resources Development and Environment Security, Hohai University, Nanjing 210098, China; 2. PowerChina Northwest Engineering Co. Ltd., Xi’an 710065, China)

The bank erosion of tidal channel can be divided into bank scouring by flow and bank collapse by gravity. Previous studies have shown that flow velocity, water pressure, soil dry density, and other factors would affect the bed scouring rate. However, the measurements of scouring rate of sidewall bank and related influencing factors need remain unsolved. Previous studies paid more attention to the influence of surface flow on bank collapse, but less on seepage and the coupled effect of seepage and surface flow on bank instability. Recent studies show that seepage play an important role in the destabilization of tidal channel bank. In the future, the difference and similarity of bank erosion under different dynamic actions of seepage and surface flow, and the destabilization mechanism of tidal channel bank under the coupled effect of the two forces need to be explored.

tidal channel; scour rate; bank erosion; seepage

* 國家杰出青年科學基金項目, 51925905號。龔 政, 博士生導師, 教授, E-mail: gongzheng@hhu.edu.cn

王客予, 碩士研究生, E-mail: keyu_wang97@163.com

2021-11-29,

2022-01-21

TV149.1

10.11693/hyhz20211100302