含水率變化對(duì)荊江河岸黏性土體力學(xué)特性的影響

劉昭希，王 軍，宗全利，周銀軍

（1.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆石河子 832000；2.長(zhǎng)江科學(xué)院 河流研究所，武漢 430010）

1 研究背景

長(zhǎng)江中游自湖北枝城至湖南城陵磯段為荊江，全長(zhǎng)約347.2 km。荊江以藕池口為界分為上荊江（約171.7 km）和下荊江（約175.5 km）。上荊江河彎平順且分汊明顯，為典型的微彎分汊河型；下荊江段內(nèi)共有十幾個(gè)彎段（包括石首、調(diào)關(guān)和監(jiān)利等），屬于典型的彎曲型河道，下荊江局部河勢(shì)不斷調(diào)整，是長(zhǎng)江中下游河道中崩岸最嚴(yán)重的河段［1］。

岳紅艷等［2］根據(jù)概化模型試驗(yàn)結(jié)果提出了二元結(jié)構(gòu)河岸崩塌的5個(gè)階段，認(rèn)為崩岸過(guò)程首先是下層沙土受沖變陡，其次是上層泥沙受多種因素而發(fā)生不同形式的崩塌，并且河岸穩(wěn)定性在水位下降過(guò)程中較水位上漲過(guò)程中差。崩岸過(guò)程不僅與近岸水流動(dòng)力作用有關(guān)，還與河岸土體的物理及力學(xué)特性有關(guān)。Millar等［3］提出的河岸泥沙的中值粒徑大小和摩擦休止角是分析河岸穩(wěn)定性的關(guān)鍵參數(shù)。Osman等［4］和 Hemphill等［5］分別從河床沖刷深度與河岸侵蝕2個(gè)方面進(jìn)行分析，提出河岸穩(wěn)定性與黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ的關(guān)系，并利用安全系數(shù)的大小來(lái)判斷河岸穩(wěn)定性。宗全利等［6］對(duì)上荊江河段河岸土體組成進(jìn)行分析，提出上荊江河岸為上部黏性土層比下部非黏性土層厚的二元結(jié)構(gòu)。夏軍強(qiáng)等［7］分析了下荊江河岸土體組成，提出下荊江為下部非黏性土層較上部黏性土層厚的二元結(jié)構(gòu)。陳紅星等［8］通過(guò)室內(nèi)不排水不固結(jié)試驗(yàn)，研究了在不同土壤堿度條件下，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨含水率的變化規(guī)律。李金玉等［9］對(duì)遼寧大連常見(jiàn)的殘積土進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)，分析了非飽和殘積土的抗剪切指標(biāo)c，φ與含水率的關(guān)系。

以上研究表明，河岸土體自身的物理及力學(xué)特性指標(biāo)是河岸穩(wěn)定性的重要影響因素，并且黏聚力和內(nèi)摩擦角的大小與土體含水率密切相關(guān)。但現(xiàn)有的研究只定性分析了含水率與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)之間的關(guān)系，缺少含水率對(duì)荊江崩岸土體力學(xué)特性的影響的定量研究。

本文以荊江典型崩岸斷面的土體為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)地調(diào)查取樣、室內(nèi)土工試驗(yàn)與理論分析，定量地分析了含水率變化對(duì)荊江河段崩岸土體力學(xué)特性的影響。

2 荊江崩岸概況

在上荊江河段，江口以上的階地與江口以下的河漫灘均為較為穩(wěn)定的河床邊界條件，加之護(hù)岸工程的加固，上荊江的崩岸情況不算十分嚴(yán)重。1998年8月，楊二月磯和鐵牛磯左岸均發(fā)生灘面刷深險(xiǎn)情［1］。1998年9月—2000年4月，文村夾、郝穴、新廠等河段主泓線(xiàn)向左岸發(fā)生了不同程度的逼進(jìn)，最大主泓擺幅高達(dá)1 100 m。文村夾河段在2002年和2005年均發(fā)生了寬達(dá)300 m以上的崩岸［10］。1996—2010年，荊34斷面右岸持續(xù)發(fā)生崩塌，由于1996—2002年發(fā)生連續(xù)2年的大洪水導(dǎo)致河岸平均崩退速率高達(dá)30.8 m／a，2002—2010年河岸平均崩退速率降為16.0 m／a。2005—2007年，沙市學(xué)堂洲、陳家灣、觀音寺等河段均發(fā)生了不同程度崩岸［11］。2013—2014年，荊4斷面左岸、公1斷面右岸均發(fā)生了崩寬為18.9 m的崩岸。

下荊江是長(zhǎng)江中下游河道中崩岸最嚴(yán)重的河段，近年來(lái)崩岸情況尤為突出。1998年汛期，石首中洲子發(fā)生了大幅度崩岸，崩長(zhǎng)1 000 m，崩寬20～50 m；監(jiān)利烏龜洲主泓北移，頂沖烏龜洲頭及其右緣，使其不斷崩退，崩長(zhǎng)4.3 km，平均崩寬200 m。1998年6月北門(mén)口右岸發(fā)生2次崩岸，崩長(zhǎng)130 m，崩寬 30～60 m；10月份發(fā)生大窩崩，崩寬 100 m［1］。2002—2010年，荊133斷面8年內(nèi)總崩寬達(dá)147 m；下荊江的河床沖刷量累計(jì)達(dá)2.71億 t［12］。2002—2016年，荊98斷面右岸累積發(fā)生的崩岸寬度高達(dá)332 m［13］，其中僅 2007年的崩寬就高達(dá) 84 m。2013—2014年jss84右岸、荊110左岸、石5右岸和石9右岸這4個(gè)部位均發(fā)生40 m以上的崩岸；荊95斷面崩岸情況嚴(yán)重，右岸崩退寬度為25 m，左岸則高達(dá)81 m。因此，有必要對(duì)上、下荊江典型的崩岸發(fā)生位置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和取樣，并對(duì)河岸土體物理及力學(xué)特性進(jìn)行分析研究。

3 河岸土體組成及力學(xué)特性分析

為了分析荊江崩岸斷面土體的垂向組成與力學(xué)特性，在收集崩岸斷面已有資料的基礎(chǔ)上，于2017年11月底對(duì)荊江河段8個(gè)典型崩岸斷面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)、取樣和室內(nèi)試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1 典型崩岸斷面取樣

對(duì)上、下荊江8個(gè)典型崩岸斷面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣，取樣點(diǎn)主要布設(shè)在崩岸發(fā)生區(qū)域，依據(jù)各斷面不同垂向結(jié)構(gòu)及土體組成，進(jìn)行分層取樣，同時(shí)量測(cè)取樣斷面土體中各類(lèi)土層的厚度，取樣點(diǎn)位置如圖1。用GPS定位每個(gè)取樣點(diǎn)并記錄，取樣點(diǎn)坐標(biāo)見(jiàn)表1。

圖1 荊江河段示意圖及取樣點(diǎn)位置Fig．1 Sketch map of the Jingjiang River Reach with locations of bank soil sampling sites

表1 典型斷面及取樣點(diǎn)位置Table 1 Coordinates and section names near sampling points

3.2 室內(nèi)土工試驗(yàn)

為了研究荊江河岸土體組成及不同含水率條件下土體的力學(xué)特性，試驗(yàn)內(nèi)容主要包含了土體顆粒級(jí)配、天然狀態(tài)下的物理指標(biāo)的測(cè)定。其中，土體含水率測(cè)定采用烘干法，所使用的試驗(yàn)儀器是DJ-5002型電子天平和101-3A干燥箱；抗剪強(qiáng)度指標(biāo)通過(guò)直接剪切試驗(yàn)測(cè)得，直剪試驗(yàn)使用DSJ-4電動(dòng)四聯(lián)直剪儀。本次土工試驗(yàn)依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB／T 50123—1999），土的分類(lèi)和定名依據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021—2001（2009版））。試驗(yàn)結(jié)果能反映河岸土質(zhì)的類(lèi)別、黏粒含量、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)等，如表2所列。由于部分?jǐn)嗝妫ㄈ缜G61和石3）的上部掉落土體會(huì)在下部堆積，故無(wú)法給出其在天然狀態(tài)下的物理指標(biāo)及抗剪強(qiáng)度。

表2 荊江河岸土體的物理及力學(xué)特性Table 2 Physical and mechanical properties of riverbank soils in the Jingjiang River Reach

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.3.1 河岸土體垂向分層結(jié)構(gòu)

由表2可知，荊江河段河岸的上部為主要由黏土和粉土組成的黏性土層，部分?jǐn)嗝娴酿ば酝翆又袝?huì)夾有薄砂土層（如荊55，北門(mén)口和來(lái)家鋪）。河岸下部主要是由含細(xì)粒土砂和粉土質(zhì)砂組成的非黏性土層。自然狀態(tài)下，上部黏性土的IP介于9.0%～23.8%，ωL，ωP均＜50%，因此可認(rèn)為河岸上部土體為均勻的低液限黏性土組成，下部為砂土層，且河岸土體組成沿程變化小。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)及取樣，繪制8個(gè)斷面河岸土體在水位以上部分的垂向分層示意圖，見(jiàn)圖2。

圖2 典型二元結(jié)構(gòu)河岸土體的垂向組成Fig．2 Vertical stratification structures of typical riverbank soils

荊江河岸垂向分層明顯，均為上部黏性土，下部非黏性土的二元結(jié)構(gòu)。在上荊江段，出露于枯水期水位以上的多為較厚的黏性土層，其中荊47斷面右岸的黏性土層厚達(dá)16.5 m，而砂土層則在水位以下。因此，對(duì)上荊江大部分河岸而言，盡管河岸下部非黏性土層（砂土層）抗沖能力很弱，但由于上部黏性土層厚度大于下部砂土層的厚度，其坡腳抗沖性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于砂土層本身，有利于河岸上部的穩(wěn)定。

在自然狀態(tài)下，由于下荊江河岸上部黏性土的ω為30.0%～42.4%，Sr為97.8%～99.7%，ρd為1.3～1.5 g／cm3，說(shuō)明該黏性土層含水率較高、干密度相對(duì)較小，故土體相對(duì)較松散，岸灘土體在近岸水流沖刷下易分解。并且下荊江河岸下部砂土層較厚，大部分的河岸出露于水位以上的砂土層厚度都大于上部黏性土層厚度。例如在北門(mén)口斷面，出露的下部砂土層厚度為5.2 m，上部黏性土層厚度為4.2 m；在來(lái)家鋪斷面，出露的下部砂土層厚度為7.1 m，上部黏性土層厚度為5.7 m。因此汛期近岸水流將下部砂土層掏刷后，容易引起河岸上部黏性土層的崩塌，對(duì)河岸穩(wěn)定性不利［7］。

3.3.2 河岸上部黏性土的力學(xué)特性

通常用抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度來(lái)表示黏性土的力學(xué)特性，本文針對(duì)荊江河岸上部黏性土，主要討論抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ。由表2的試驗(yàn)結(jié)果可知，在自然狀態(tài)下，不同斷面黏性土的含水率不同，c為5.0～24.4 kPa，且變化幅度較大；φ為6.8°～16.8°，因此崩岸土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與其含水率關(guān)系密切。對(duì)荊61、北門(mén)口和石 3這 3個(gè)斷面上層黏土（重塑土）在含水率變化狀態(tài)下的黏聚力及內(nèi)摩擦角關(guān)系進(jìn)行分析，給出含水率與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖3所示。

圖3 典型斷面土體含水率與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的關(guān)系Fig．3 Relationships between water content and shear strength parameters of typical sections

由ω-c關(guān)系曲線(xiàn)（圖 3（a））可知，c隨 ω的增大，先增大后減小，且存在某一臨界含水率ω臨界，使其黏聚力達(dá)到峰值。荊61斷面河岸中層土體的黏粒含量約為30.1%，其臨界含水率（ω臨界＝16%）對(duì)應(yīng)的黏聚力峰值cmax約為18 kPa；北門(mén)口斷面上層河岸土體的黏粒含量為33.3%，其ω臨界為20%，對(duì)應(yīng)的cmax為24 kPa；石3斷面中層黏土的黏粒含量為25.5%，其 ω臨界為15.5%，對(duì)應(yīng)的 cmax為16.5 kPa。因此，對(duì)于黏粒含量不同的土體，一般黏粒含量越大，其cmax越大。由圖3（b）可見(jiàn)，荊61、北門(mén)口和石3斷面的φ均隨ω的增大而減小。

4 含水率變化對(duì)黏性土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響

為了定量地分析含水率變化對(duì)荊江河岸上部黏性土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響，將2017年土樣的試驗(yàn)結(jié)果與2016年12月在同樣的8個(gè)斷面取樣的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，得出河岸上部黏性土的力學(xué)特性關(guān)系曲線(xiàn)及關(guān)系式。

4.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1.1 含水率與黏聚力的關(guān)系

將2016年和2017年的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合得到含水率ω與荊江河岸黏性土黏聚力c的關(guān)系曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4 荊江河岸黏性土的含水率與黏聚力的關(guān)系Fig．4 Relationship between water content and cohesion of cohesive soil in the Jingjiang River Reach

荊江河岸黏性土對(duì)應(yīng)的黏聚力c和含水率ω的關(guān)系式為

式（1）的相關(guān)系數(shù)R＝0.848。如圖4，當(dāng)土體ω從10.0%（較為干燥，c＝17.5 kPa）上升到16%（臨界狀態(tài)）時(shí)，對(duì)應(yīng)的c增大了20%，達(dá)到峰值cmax＝21 kPa；當(dāng)ω繼續(xù)增大到40%時(shí)，c迅速減小為4 kPa，約為黏聚力峰值的1／5。

4.1.2 含水率與內(nèi)摩擦角的關(guān)系

荊江河岸黏性土的內(nèi)摩擦角φ與含水率ω的關(guān)系曲線(xiàn)如圖5所示。

圖5 荊江河岸黏性土的含水率與內(nèi)摩擦角的關(guān)系Fig．5 Relationship between water content and angle of internal friction of cohesive soil in the Jingjiang River Reach

如圖5，隨著 ω從12.5%（較為干燥，φ＝52.5°）增大到16.0%，φ驟減至38°；當(dāng)ω繼續(xù)增大至41.5%（非飽和狀態(tài)）時(shí)，φ減小為3°，最后趨于一個(gè)較小的穩(wěn)定值（約為2°）。

φ隨ω的增大呈指數(shù)關(guān)系減小，其關(guān)系式為

式（2）的相關(guān)系數(shù)R＝0.842，因此，當(dāng)已知荊江河岸黏性土體的含水率時(shí)，可以根據(jù)式（1）和式（2）分別計(jì)算出其黏聚力和內(nèi)摩擦角值，從而判斷土體的抗剪強(qiáng)度大小。

4.2 理論分析

4.2.1 含水率與抗剪強(qiáng)度關(guān)系分析

土的抗剪強(qiáng)度τ是由黏聚強(qiáng)度和摩擦強(qiáng)度組成，τ＝c+σtanφ，式中σ為剪切破壞面上的法向應(yīng)力。內(nèi)摩擦角主要與土顆粒之間的滑動(dòng)摩擦和咬合摩擦有關(guān)，黏聚力與膠結(jié)力、庫(kù)侖力、范德華力、滲透壓力和水膜黏結(jié)力等有關(guān)［8］。

對(duì)非飽和狀態(tài)的黏性土，當(dāng)含水率較低時(shí)，黏聚力主要通過(guò)水膜黏結(jié)力的大小影響土體的力學(xué)性質(zhì)［14］。此時(shí)雖然土顆粒周?chē)姆肿幽ひ^大，但水分子數(shù)量較少，對(duì)土顆粒的牽引作用不大，所以含水率較低時(shí)，黏聚力較小。隨著含水率的增加，水分子數(shù)量增多，牽引作用逐漸增強(qiáng)，黏聚力增大。當(dāng)含水率增大到臨界值（約16%）后，由于土顆粒周?chē)乃ず穸仍龃螅令w粒間的水膜黏結(jié)力減小，黏聚力逐漸減小；同時(shí)土顆粒間容易產(chǎn)生相對(duì)位移，摩擦力降低。并且隨著含水率的增大，土顆粒間膠結(jié)體的膠結(jié)力和基質(zhì)吸力越來(lái)越小，部分有機(jī)質(zhì)遇水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，孔隙水壓力承擔(dān)部分壓力，抗剪強(qiáng)度迅速降低。當(dāng)土樣完全飽和時(shí)，壓力幾乎全部由孔隙水壓力承擔(dān)，故此時(shí)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)中的內(nèi)摩擦角很小，基質(zhì)吸力下降為0，抗剪強(qiáng)度主要由黏聚力提供。

4.2.2 含水率變化對(duì)荊江河岸穩(wěn)定性的影響分析

根據(jù)荊江水位變化，將一個(gè)水文年劃分為四大時(shí)期：枯水期（12月份中旬—3月底），漲水期（4月份—5月底），洪水期（6月份—10月底）和退水期（11月份—12月份中旬）［1］。隨著荊江河道內(nèi)水位的漲落，二元結(jié)構(gòu)河岸的下部砂土層會(huì)受到近岸水流不同程度的沖刷作用。由于砂土持水能力與黏性土相比非常弱，且砂土本身抗剪強(qiáng)度很低，所以砂土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)受含水率變化的影響可以忽略不計(jì)；下部砂土層主要受水流沖刷作用使得上部黏性土層懸空而降低整個(gè)河岸穩(wěn)定性。若河岸上部黏性土的含水率發(fā)生變化，會(huì)影響?zhàn)ば酝恋目辜魪?qiáng)度等力學(xué)性能指標(biāo)，進(jìn)而影響河岸的穩(wěn)定性。

四大時(shí)期的河岸穩(wěn)定分析詳述如下：

（1）枯水期時(shí)，近岸水流流速略大于砂土起動(dòng)流速，河岸下部砂土層受到一定的沖刷，但由于近岸流速小，此時(shí)沖刷作用較弱；河道內(nèi)水位長(zhǎng)期處于較低狀態(tài)，河岸上部黏性土含水率較小，根據(jù)含水率與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的關(guān)系可知對(duì)應(yīng)的黏聚力和內(nèi)摩擦角均較大，此時(shí)土體抗剪強(qiáng)度較大，有利于河岸穩(wěn)定。

（2）在漲水期，水流進(jìn)一步?jīng)_刷下部砂土層，水位升高使得原來(lái)水位以上土體的抗剪強(qiáng)度由于含水率的增大而降低，這會(huì)減小滑動(dòng)面上的抵抗作用；同時(shí)，河道內(nèi)水位升高使側(cè)向水壓力作用增大，從而增大了滑動(dòng)面上的抵抗作用。兩者作用的相對(duì)大小受漲水速度的影響，若漲水緩慢，則抗剪強(qiáng)度減小產(chǎn)生的影響大于側(cè)向水壓力增大產(chǎn)生的影響，不利于河岸穩(wěn)定；若漲水迅速，則側(cè)向水壓力提供的增大抵抗作用較大，使河岸穩(wěn)定性增強(qiáng)?？傮w來(lái)說(shuō)，漲水期可能發(fā)生崩岸，但仍屬于較為穩(wěn)定的階段。

（3）在洪水期，整個(gè)河岸長(zhǎng)期處于水流浸泡中，土體含水率較高（甚至達(dá)到飽和），上部黏性土抗剪強(qiáng)度小，下部砂土層發(fā)生液化、被近岸水流沖刷嚴(yán)重，河岸穩(wěn)定性較差。

（4）在退水期，通常河道內(nèi)退水迅速，河岸土體來(lái)不及排水，使土體含水率變化不大，抗剪強(qiáng)度保持較小值不變，但由于作用于河岸的側(cè)向水壓力消失，降低了滑動(dòng)面的抵抗力，從而降低河岸穩(wěn)定性。

三峽水庫(kù)蓄水后，河道漲水速率減小，退水速率明顯增大［12］，這使得荊江河岸在相對(duì)穩(wěn)定的漲水期發(fā)生崩岸的頻率增大；退水期的河岸穩(wěn)定性較差，屬于崩岸強(qiáng)烈階段。

以上主要是從含水率變化的角度對(duì)荊江河岸在1個(gè)水文年內(nèi)四大時(shí)期的穩(wěn)定性進(jìn)行的定性分析。實(shí)際上，河岸穩(wěn)定性還受水力因素、河岸土體內(nèi)地下水位、河岸形態(tài)和植被情況等因素的影響，并且河岸土體處于干濕交替的復(fù)雜狀態(tài)，因此，對(duì)河岸穩(wěn)定性的分析還需引入干濕交替條件、地下水位和植被覆蓋情況等因素進(jìn)行更深入的研究。

5 結(jié) 論

對(duì)荊江8個(gè)典型崩岸土體進(jìn)行了取樣和試驗(yàn)，全面地分析了上、下荊江河岸土體組成和力學(xué)特性，并基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)定量分析了含水率與黏聚力和內(nèi)摩擦角的關(guān)系，以及定性分析了含水率變化對(duì)荊江河岸穩(wěn)定性的影響。主要結(jié)論如下：

（1）荊江河岸是典型的二元結(jié)構(gòu)河岸，其上部是由低液限黏土和低液限粉土組成的黏性土層，下部主要是由含細(xì)粒土砂組成的非黏性土層，且河岸土體垂向分層明顯。

（2）上荊江河岸的上部黏性土層較下部非黏性土層厚，有利于河岸穩(wěn)定性；而下荊江河岸則是下部非黏性土層較上部黏性土層厚，下部砂土層易受近岸水流沖刷，不利于河岸的穩(wěn)定，因此，通常下荊江崩岸比上荊江劇烈。

（3）荊江崩岸土體的黏聚力隨著含水率的增大，先增加后減小，且存在某一臨界含水率（約為16%）使其黏聚力達(dá)到峰值，并且黏粒含量越大，一般其黏聚力峰值越大；內(nèi)摩擦角則隨含水率的增大呈指數(shù)關(guān)系減小。基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分別提出了荊江崩岸土體的含水率分別與黏聚力、內(nèi)摩擦角的關(guān)系式，可用于根據(jù)土體含水率判斷抗剪強(qiáng)度的大小。（4）荊江河岸受土體含水率變化的影響，在1個(gè)水文年內(nèi)四大時(shí)期的穩(wěn)定性不同。在枯水期河岸穩(wěn)定性較高，河岸在漲水期較為穩(wěn)定，洪水期和退水期時(shí)的河岸穩(wěn)定性較差、易發(fā)生崩岸。