河流沖刷作用下堤岸穩(wěn)定性演化分析

葉威 章光 胡少華 鄭龍志

摘要：為研究河流沖刷作用對(duì)堤岸穩(wěn)定性的影響，將河床沖淤和堤岸侵蝕后退計(jì)算理論相結(jié)合，針對(duì)下荊江典型二元河岸，通過(guò)對(duì)考慮沖刷與未考慮沖刷的堤岸進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了不同水位升降下堤岸穩(wěn)定性演化規(guī)律。結(jié)果表明，當(dāng)考慮河流沖刷作用后，由于河床的下切及坡腳沖刷會(huì)導(dǎo)致岸坡的高度與坡度逐漸增大，在水位上升階段，堤岸的安全系數(shù)隨著水位上升而減小，且減小的幅度逐漸變大;在水位下降階段，堤岸的安全系數(shù)則隨著水位下降而減小，且下降的幅度明顯大于未考慮沖刷作用時(shí)下降的幅度。

關(guān)鍵詞：堤岸穩(wěn)定性;河道演變;崩岸;沖刷作用;數(shù)值模擬

中圖法分類號(hào)：TV147文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-0081（2019）01-0042-06

沖積河流中，堤岸的侵蝕后退是十分普遍的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致堤岸發(fā)生崩塌，而這也是影響河流環(huán)境中地質(zhì)、生態(tài)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題的重要因素。截至2016年11月底，長(zhǎng)江干流、主要支流及尾閭在一年里共發(fā)生河道崩岸險(xiǎn)情181處，崩岸長(zhǎng)度69 708m。堤岸侵蝕后退的成因和機(jī)理十分復(fù)雜，不僅受到近岸的水沙運(yùn)動(dòng)和河床沖淤的影響，而且與河岸土壤的組成和潛水位置的變化過(guò)程密切相關(guān)。目前已有很多相關(guān)研究認(rèn)為近岸處水流側(cè)向沖刷作用是造成堤岸崩塌的主要因素。例如，長(zhǎng)江中下游80%的堤岸崩塌發(fā)生于近岸水流沖刷的彎道凹岸或迎流頂沖點(diǎn)。因此，對(duì)于堤岸穩(wěn)定性問(wèn)題，尤其是河流沖刷對(duì)堤岸穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響，受到了許多國(guó)內(nèi)外研究人員的重視。

早在20世紀(jì)80年代，C.R.Thorne[1]就提出水流作用和因外界其它因素導(dǎo)致的河岸土體強(qiáng)度降低及風(fēng)化是河岸侵蝕的主要原因。水流對(duì)河岸的沖刷侵蝕作用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面是水流直接沖刷河岸土體的泥沙顆粒或團(tuán)粒并將其沖走，使河岸后退;另一方面則是岸腳被沖刷淘空后導(dǎo)致河岸的高度變高或坡腳變陡，從而使河岸上部的土體因?yàn)橹亓υ蚨迓?。之后，A.M. Osman等[2]在考慮了河岸橫向展寬、臨界坡度、臨界剪切力以及河床沖刷等因素后，建立了黏性河岸穩(wěn)定分析模型，并且在該模型基礎(chǔ)上還研究了河岸在水流持續(xù)沖刷下發(fā)生初次崩塌和二次崩塌的情況。S.E.Darby等[3-4]在A.M.Osman和C.R.Thorne等研究基礎(chǔ)上做了一些改進(jìn)，考慮了靜水壓力和孔隙水壓力等，同時(shí)除去了崩塌面必須通過(guò)坡腳的限制，建立了新的河岸穩(wěn)定性模型。夏軍強(qiáng)等[5]通過(guò)建立河流一維水沙數(shù)學(xué)模型，研究了河岸橫向展寬機(jī)理，結(jié)合算例模擬了河流沖刷作用下河岸的橫向展寬過(guò)程，發(fā)現(xiàn)河岸橫向展寬和水沙條件及河岸土體特性有密切關(guān)系。王黨偉等[6]分別針對(duì)黏性河岸、非黏性河岸以及混合土二元結(jié)構(gòu)河岸等類河岸，歸納總結(jié)出了影響河岸橫向展寬的主要因素的力學(xué)機(jī)理，同時(shí)指出基于力學(xué)機(jī)理分析的水動(dòng)力學(xué)-土力學(xué)方法可以避免經(jīng)驗(yàn)方法和極值假說(shuō)方法的局限與不足。王延貴等[7]在探究分析了河床與岸坡的泥沙起動(dòng)特性和順直河道上剪切應(yīng)力分布后發(fā)現(xiàn)，河岸處泥沙在同等水流條件下比河床上的泥沙沖刷更嚴(yán)重，順直河道上的河岸主要在其底部或坡腳的地方發(fā)生沖刷。劉動(dòng)等[8]利用大量的實(shí)測(cè)資料，建立了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并將其用來(lái)預(yù)測(cè)分析沖刷后河床和堤岸的形態(tài)變化，再通過(guò)北江大堤某斷面的計(jì)算比對(duì)，驗(yàn)證了其建立的模型的有效性。夏軍強(qiáng)等[9]將平面二維水沙數(shù)學(xué)模型與基于水動(dòng)力學(xué)-土力學(xué)基礎(chǔ)的黏性河岸沖刷模型相結(jié)合，建立了河岸沖刷變形的平面二維混合模型，并利用該混合模型模擬了1982年黃河下游某游蕩型河段洪水演進(jìn)規(guī)律和河床變形過(guò)程，該模型的計(jì)算結(jié)果與此河段年內(nèi)的沖淤變化規(guī)律相似，驗(yàn)證了其模型的有效性。王博等[10-13]運(yùn)用BSTEM模型對(duì)堤岸的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，該模型分為堤岸坡腳侵蝕模塊和堤岸穩(wěn)定性分析模塊，考慮了多方面因素對(duì)堤岸穩(wěn)定性的影響，但需要收集大量詳細(xì)的野外資料。鄧珊珊等[14]考慮了河岸的潛水位變化，在此基礎(chǔ)上建立了河岸穩(wěn)定性分析模型，用于研究河流水位變化對(duì)上荊江河岸穩(wěn)定性的影響。

本文將在以上研究基礎(chǔ)上，綜合考慮河流沖刷作用下河床沖淤、堤岸橫向展寬、坡內(nèi)滲流狀況以及堤岸土體特性等情況，以下荊江荊98斷面處的堤岸為研究對(duì)象，將SEEP/W和SLPOE/E相耦合，來(lái)模擬河流沖刷作用下堤岸穩(wěn)定性的演化特征。

1 河床縱向和橫向變形計(jì)算理論

河流沖刷作用引起河床變形主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：①由于河流中床沙質(zhì)來(lái)量與水流挾沙能力的差異性，導(dǎo)致河床發(fā)生縱向變形;②根據(jù)堤岸土體的抗沖能力與近岸水流沖刷力相互消長(zhǎng)的關(guān)系，使堤岸產(chǎn)生橫向變形。這兩方面變形在時(shí)間和空間上是同時(shí)進(jìn)行的，河床的縱向和橫向變形之間存在著相互影響、相互制約的關(guān)系。

1.1 河床縱向沖淤計(jì)算

河床的縱向沖淤變形主要涉及到河床泥沙組成情況和水流要素，其河床變形方程為

1.2 堤岸橫向后退距離計(jì)算

目前，國(guó)內(nèi)外研究堤岸橫向侵蝕后退過(guò)程的主要有3類方法，即經(jīng)驗(yàn)方法、極值假說(shuō)方法、水動(dòng)力學(xué)-土力學(xué)方法。前兩類方法雖然使用時(shí)相對(duì)簡(jiǎn)單，但不適用于短期和中期預(yù)測(cè)，因?yàn)楹恿鞑环€(wěn)定的地貌響應(yīng)會(huì)對(duì)預(yù)測(cè)造成影響。因此本文采用剪切力差值法來(lái)計(jì)算堤岸橫向后退距離，即：

已有大量研究表明，堤岸土體的可蝕性系數(shù)和土體的臨界起動(dòng)切應(yīng)力在數(shù)量上具有一定的關(guān)系。但由于堤岸土體組成不同，其物理及力學(xué)性質(zhì)有差別，導(dǎo)致土體的臨界起動(dòng)切應(yīng)力也有差異，從而得到的堤岸可蝕性系數(shù)與臨界起動(dòng)切應(yīng)力關(guān)系式也不一樣。 Hanson和Simon利用一種潛噴射流測(cè)試儀器對(duì)美國(guó)眾多河流進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得到了適用于黏性粉砂、粉砂-黏土、黏土的臨界起動(dòng)切應(yīng)力和可蝕性系數(shù)的關(guān)系式：

為了預(yù)測(cè)河岸橫向侵蝕距離，需要準(zhǔn)確計(jì)算出作用于堤岸上的平均水流切應(yīng)力τ，本文采用下式來(lái)計(jì)算：

式中，γ為水的重度，N/m3;R為水力半徑，m，可用斷面平均水深H代替;S為水力坡降。

岸坡土體的臨界起動(dòng)切應(yīng)力通常是依據(jù)其粒徑大小與起動(dòng)切應(yīng)力的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到或通過(guò)室內(nèi)土體沖刷試驗(yàn)獲得。本文臨界起動(dòng)切應(yīng)力采用唐存本公式進(jìn)行計(jì)算：

2 計(jì)算模型與計(jì)算參數(shù)

2.1 計(jì)算模型與邊界條件

下荊江河岸多數(shù)是由黏土與沙土所組成二元結(jié)構(gòu)河岸，其中在荊98斷面處，上部土層為黏土層，厚度約為2.5 m;下部土層為沙土層，又分為松散-稍密粉細(xì)砂和中密粉細(xì)砂兩層。由于河流的沖刷作用，堤岸與河床的斷面形態(tài)會(huì)持續(xù)發(fā)生變化，因此需要對(duì)不同時(shí)段的岸坡斷面分別進(jìn)行建模，其中岸坡初始概化斷面形態(tài)。初始岸坡斷面幾何邊長(zhǎng)100 m，高45 m，岸坡高度25.1 m，河底高程19.9 m，坡角約為30°。河岸下部沙土層相對(duì)較厚，其頂板通常位于枯水位以上，因此汛期時(shí)近岸水流淘刷下部沙土層后，可能會(huì)導(dǎo)致上部黏土層的崩塌。

本文使用SEEP/W軟件來(lái)建立相應(yīng)時(shí)段的滲流模型，進(jìn)行飽和-非飽和滲流分析，從而得到不同時(shí)段岸坡內(nèi)浸潤(rùn)線的變化，再用SLOPE/W軟件對(duì)不同時(shí)段的堤岸進(jìn)行穩(wěn)定性分析。黏土、松散-稍密粉細(xì)砂和中密粉細(xì)砂的飽和滲透系數(shù)分別為4.2×10-6，4.8×10-5 m/s和1×10-5 m/s，各土層的滲透系數(shù)曲線[15]。

由于下荊江漲水期之前較長(zhǎng)時(shí)間處于枯水期且沙土滲透性強(qiáng)，因此認(rèn)為水位開(kāi)始上升時(shí)的潛水位與枯水位齊平。在建立滲流模型時(shí)邊界條件設(shè)置為：模型右側(cè)邊界為定水頭邊界，給定水頭高程與初始水位齊平;模型左側(cè)的水頭邊界根據(jù)水位實(shí)際變化而定。

2.2 計(jì)算參數(shù)

下荊江是長(zhǎng)江中游藕池口至城陵磯段的別稱，河長(zhǎng)為175.5 km，平均河寬約1 300 m，水面縱比降變化為0.13～0.68×10-4，本文中取0.3×10-4。河床沖淤與堤岸侵蝕計(jì)算中所需的流速、水位、土體粒徑、含沙量及懸移質(zhì)泥沙級(jí)配等資料通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到，其中沖刷恢復(fù)飽和系數(shù)取1.05，淤積恢復(fù)飽和系數(shù)取0.25，斷面平均流速取1.6 m/s，年平均含沙量為0.14 kg/m3，床沙中值粒徑約為0.18 mm，床沙密度約為2.65×103 kg/m3，泥沙沉速為0.041 m/s。該堤岸各土層具體土體力學(xué)參數(shù)如表1所示[16]。

為了研究水位變化和河流沖刷作用下堤岸的穩(wěn)定性變化，本文將分為水位上升和水位下降兩種工況，水位上升時(shí)河流初始水位為26 m，水位平均上升速度為0.1 m/d，持續(xù)時(shí)間為一個(gè)月;水位下降時(shí)河流初始水位為29 m，水位平均下降速度為0.1 m/d，持續(xù)時(shí)間同樣為1個(gè)月。

3 模型結(jié)果分析

3.1 水位上升時(shí)期

3.1.1 河床沖淤與堤岸侵蝕分析

荊98斷面處河岸下部沙土層遠(yuǎn)厚于上部黏土層，其頂板往往位于枯水位以上，而且近岸沙土層的起動(dòng)切應(yīng)力較小，只有0.06 N/m2，因此汛期時(shí)近岸水流極易淘刷下部沙土層，從而可能導(dǎo)致上部黏土層的崩塌。

給出了水位上升時(shí)期，岸坡和河床的每日沖刷距離。當(dāng)水位上升時(shí)，岸坡每日橫向沖刷距離逐漸增大，而河床縱向下切距離卻逐漸減小。由于水位上升，流量增加，近岸水流切應(yīng)力也在逐漸增加，水流挾沙力卻在不斷減小，因此岸坡每日沖刷距離變大，但河床每日縱向下切距離逐漸減小。

給出的是水位上升時(shí)，隨著時(shí)間的推移，河床與岸坡的累積沖刷距離。河床累積縱向下切距離和岸坡累積橫向沖刷距離都在增大，但岸坡累積橫向沖刷距離增大的趨勢(shì)更明顯。由于水位上升時(shí)岸坡每日橫向沖刷距離增大，而河床每日縱向下切距離卻減小所導(dǎo)致的。該計(jì)算結(jié)果與2010年下荊江荊98斷面河岸實(shí)際侵蝕結(jié)果相符合，即在水位上升期31 d內(nèi)崩塌后退寬度達(dá)5.4 m[16]。

3.1.2 堤岸穩(wěn)定性分析

在水位上升期間，當(dāng)不考慮水流對(duì)河床與岸坡的沖刷時(shí)，其堤岸穩(wěn)定性系數(shù)隨著水位上升而增大。由于水位上升時(shí)，水流會(huì)對(duì)堤岸外側(cè)產(chǎn)生側(cè)向水壓力，這對(duì)岸坡起到一定支撐作用，同時(shí)坡外向坡內(nèi)的滲流也會(huì)增大岸坡的抗滑移力，從而提高堤岸的整體穩(wěn)定性，而水位上升導(dǎo)致的土體力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)減小的幅度較小，岸坡的滑移力變化不大，因此堤岸安全系數(shù)表現(xiàn)為隨著水位上升而增大。

當(dāng)考慮水流對(duì)河床與水下岸坡的沖刷時(shí)，堤岸的安全系數(shù)變化規(guī)律則表現(xiàn)出完全相反的趨勢(shì)，其安全系數(shù)隨著水位的上升而明顯變小，且變化幅度也越來(lái)越大，直到堤岸失穩(wěn)。由于隨著水流對(duì)河床與岸坡的沖刷，河床下切使得堤岸的高度變大，坡腳橫向侵蝕后退使得岸坡坡度逐漸變陡，岸坡的滑移力也就隨之增大，導(dǎo)致岸坡的穩(wěn)定性逐漸降低。雖然水位上升時(shí)坡外側(cè)向水壓力有一定支撐作用，但從兩條安全系數(shù)曲線變化趨勢(shì)來(lái)看，岸坡穩(wěn)定性對(duì)岸坡高度與坡度變化的敏感性比側(cè)向水壓力要大。

隨著水位上漲，水流的沖刷強(qiáng)度及沖刷范圍在逐漸增大，坡腳橫向沖刷速率加快，坡腳累積橫向沖刷距離急劇增大，使得堤岸安全系數(shù)降低的趨勢(shì)加快，直到堤岸安全系數(shù)小于1，從而引起堤岸發(fā)生崩塌。當(dāng)水位上升至29 m時(shí)，考慮沖刷后堤岸的安全系數(shù)為0.939，此時(shí)可能會(huì)發(fā)生塌岸，而未考慮沖刷時(shí)的堤岸安全系數(shù)為1.219。

3.2 水位下降時(shí)期

3.2.1 河床沖淤與堤岸侵蝕分析

當(dāng)水位處于下降時(shí)期，河床與岸坡每日的沖刷距離。其中河床每日的縱向下切距離隨著水位下降呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)，而岸坡每日的橫向沖刷距離則逐漸下降。由于水位下降導(dǎo)致近岸水流切應(yīng)力減小，水流挾沙力增大，從而產(chǎn)生了的變化。

給出的是水位下降期間，河床與岸坡累積的沖刷距離。河床與岸坡累積的沖刷距離都表現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，但岸坡累積橫向沖刷距離明顯比河床累積縱向下切距離增大的趨勢(shì)要快。在水位下降時(shí)，岸坡每日橫向沖刷距離都明顯大于河床每日下切距離，因此岸坡累積橫向沖刷距離比河床累積縱向下切距離大，且變化趨勢(shì)快。兩種時(shí)期下河床與岸坡累積沖刷距離的變化情況來(lái)看，水位變動(dòng)對(duì)岸坡沖刷的影響要比河床沖刷顯著。該計(jì)算結(jié)果與2010年下荊江荊98斷面河岸實(shí)際侵蝕結(jié)果相似，即在水位下降34 d內(nèi)崩塌后退寬度達(dá)7 m[16]。

3.2.2 堤岸穩(wěn)定性分析

水位下降時(shí)期安全系數(shù)變化中可以看出，當(dāng)未考慮河流沖刷作用時(shí)，其安全系數(shù)隨著水位下降緩慢減小，最后趨于平緩，且減小的幅度不大。在該時(shí)期，河流水位下降致使堤岸失去了側(cè)向水壓力的支撐作用，同時(shí)岸坡內(nèi)出現(xiàn)指向坡外的滲流，這會(huì)導(dǎo)致岸坡土體的滑移力增大，不利于堤岸穩(wěn)定，從而使堤岸安全系數(shù)變小。但由于本文中河流水位變化不大，因此安全系數(shù)減小的幅度也不大。

當(dāng)考慮河流沖刷作用時(shí)，堤岸的安全系數(shù)隨著水位下降明顯減小，且減小的幅度逐漸增大。同樣，因?yàn)樗鲗?duì)河床及岸坡的沖刷使堤岸的高度增大，坡度變陡，從而岸坡滑動(dòng)面的滑移力增大，非常不利于堤岸的穩(wěn)定。另外，水位下降使作用在岸坡外側(cè)的水壓力消失，也會(huì)降低堤岸的整體穩(wěn)定性。這些因素綜合影響著岸坡的穩(wěn)定性，考慮沖刷作用后，當(dāng)水位下降到26.5 m時(shí)，堤岸的安全系數(shù)等于0.991，此時(shí)堤岸很有可能會(huì)發(fā)生崩塌;而未考慮沖刷作用時(shí)，其安全系數(shù)為1.167，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

由于水流對(duì)河床與堤岸的沖刷所引起的岸坡變高變陡是累積性的過(guò)程，當(dāng)?shù)贪侗粵_刷到一定程度時(shí)，無(wú)論水位升降，堤岸穩(wěn)定性都會(huì)明顯下降，甚至可能發(fā)生崩塌，因此崩岸大多會(huì)發(fā)生在水位上升或下降后期。當(dāng)?shù)贪栋l(fā)生崩塌后，岸坡雖然形態(tài)上有改變，但依舊會(huì)再次達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，又重新開(kāi)始被水流所沖刷，不斷地進(jìn)行適應(yīng)演變。

4 結(jié) 論

本文選取下荊江荊98斷面處的堤岸，分別通過(guò)計(jì)算水位上升與下降期間河床沖淤變化與堤岸橫向后退距離來(lái)確定水流侵蝕后的堤岸形狀，在此基礎(chǔ)上將SEEP/W和SLOPE/W相耦合，分析了河流沖刷作用下堤岸穩(wěn)定性演化規(guī)律。主要結(jié)論如下：

（1）堤岸穩(wěn)定是由許多因素決定的，針對(duì)本文研究的堤岸來(lái)說(shuō)，河流沖刷對(duì)堤岸穩(wěn)定性的影響比由水位升降所引起的側(cè)向水壓力及滲流變化的影響要大。

（2）水流對(duì)河床與堤岸的沖刷受到多種因素的影響，其中水位變化對(duì)其沖刷量也起一定的作用。當(dāng)水位上升時(shí)，岸坡的每日橫向沖刷距離變大，而每日的河床下切距離會(huì)減小，但由于河流沖刷導(dǎo)致岸坡失穩(wěn)是累積性的過(guò)程，因此當(dāng)坡腳累積的橫向沖刷距離越大，堤岸越不穩(wěn)定，如在水位下降時(shí)，當(dāng)坡腳累積橫向沖刷距離達(dá)4.45 m，堤岸穩(wěn)定系數(shù)為0.991。由此可見(jiàn)，保護(hù)堤岸的坡腳有助于堤岸穩(wěn)定。

（3）對(duì)比考慮與未考慮河流沖刷作用2種情況下堤岸穩(wěn)定性演化規(guī)律，結(jié)果表明：當(dāng)考慮河流沖刷作用后，由于河床的下切及坡腳沖刷導(dǎo)致岸坡的高度與坡度會(huì)逐漸增大，在水位上升階段，堤岸的安全系數(shù)隨著水位上升而減小，且減小的幅度逐漸變大;在水位下降階段，堤岸的安全系數(shù)則隨著水位下降而減小，且下降的幅度明顯大于未考慮沖刷作用時(shí)下降的幅度。

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