河道崩岸機(jī)理研究進(jìn)展

呂慶標(biāo)，朱勇輝，謝亞光，岳紅艷

(1.長江科學(xué)院 水利部長江中下游河湖治理與防洪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010； 2.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，鄭州 450003)

1 研究背景

河道崩岸指的是岸坡因失穩(wěn)而沿河岸發(fā)生的崩塌、滑坡等現(xiàn)象，常見于沖積河流中，是河道橫向演變的重要表現(xiàn)形式。河道崩岸通常包括2個過程：近岸水流沖刷引起的岸坡侵蝕，以及河岸穩(wěn)定性降低而發(fā)生的崩塌破壞。崩岸的發(fā)生嚴(yán)重威脅江河堤防安全、河勢穩(wěn)定、航運(yùn)發(fā)展和沿岸基礎(chǔ)設(shè)施安全，并造成河道兩岸土地大量喪失等[1]，如2003—2018年長江中下游干流河道共發(fā)生崩岸險情966處，累計(jì)崩岸長度約704 km，其中2017年4月長江中游洪湖蝦子溝段發(fā)生嚴(yán)重崩岸，崩長75 m，崩寬22 m，吊坎高6 m，距堤腳最近僅14 m；2017年11月長江下游揚(yáng)中市發(fā)生崩岸，岸線崩塌540 m，坍失主江堤440 m，崩岸最大進(jìn)深190 m，坍失房屋9戶、江堤涵洞1座，坍失土地面積146畝(1 hm2=15畝)。因此，開展崩岸研究及治理工作意義重大。目前國內(nèi)外學(xué)者多借助于理論分析、數(shù)值模擬及概化模型試驗(yàn)等手段進(jìn)行崩岸研究工作，并積累了大量的成果。然而崩岸問題涉及泥沙運(yùn)動力學(xué)、河床演變學(xué)、土力學(xué)、水動力學(xué)等多個學(xué)科的內(nèi)容，并且崩岸的影響因素眾多，過程也十分復(fù)雜，至今尚未完全弄清其內(nèi)在機(jī)理。因此，河道崩岸一直都是河床演變及治河工程學(xué)科中的重難點(diǎn)問題。

2 河道崩岸類型的劃分

河道崩岸是一個復(fù)雜的問題，自20世紀(jì)以來一直廣受各國專家學(xué)者的關(guān)注，而進(jìn)行崩岸類型的劃分是對崩岸研究最基礎(chǔ)最直觀的認(rèn)識，至今也積累了較為豐富的研究成果。

根據(jù)崩岸的平面形態(tài)和特征，余文疇和盧金友[2]將長江中下游河道崩岸形式大致分為以下3種：①窩崩，也稱圓弧坐崩，其發(fā)生頻率在長江中下游河道最高且危害較大，通常發(fā)生在水流沖刷強(qiáng)度大、河岸土體抗沖性能弱的河段，形成過程比較復(fù)雜，主要由歷經(jīng)多次大小不同的崩塌形成或者整塊土體向下滑挫形成。②條崩，又稱“倒崩”，形如帶狀，其崩塌長度通常可達(dá)數(shù)百米，遠(yuǎn)大于崩塌寬度，多發(fā)生在河岸上層黏性土層較薄或土質(zhì)較松散的河段。崩塌過程通常為河岸坡腳被沖刷，上部薄黏土逐漸失去支撐，岸頂產(chǎn)生與岸線大致平行的裂縫，隨后在重力作用下發(fā)生崩落并倒入水中。③洗崩，由水流或波浪等侵蝕水面附近河岸土體造成，此類崩岸分布廣、頻率高但規(guī)模小。此后，余文疇和盧金友[3]通過統(tǒng)計(jì)分析長江河道崩岸資料，進(jìn)一步將崩岸類型細(xì)分為窩崩、條崩、“口袋型”崩窩、不受水流沖刷的情況下由滑坡形成的崩窩和洗崩5種。

按照崩岸的成因，張幸農(nóng)等[4]根據(jù)長江中下游崩岸實(shí)例并結(jié)合以往研究，將崩岸分為以下4種類型：①侵蝕型崩岸，此類崩岸同前述洗崩，形成條件簡單，在江河上普遍存在；②坍塌型崩岸，主要是在水流沖刷作用下，河床下切河岸后退，進(jìn)而導(dǎo)致岸坡變陡，在土體自重、滲流等多種因素作用下，岸坡土體大塊傾倒、塌落或崩解，該類崩岸大多出現(xiàn)在退水期或枯水期；③滑移型崩岸，該類崩岸多發(fā)生在河岸表體的薄弱面(或?qū)?，河岸崩塌土體在眾多因素的共同影響下出現(xiàn)整體性滑移，其破壞形態(tài)一般為線狀或窩狀，此類崩岸也多出現(xiàn)在退水期或枯水期；④流滑型崩岸，主要表現(xiàn)為大塊土體在沖刷過程中崩落，其周圍土體平衡被打破，從而引起連鎖反應(yīng)導(dǎo)致土體不斷崩落，多發(fā)生在高水期。

依據(jù)崩岸成因或破壞面形態(tài)，王延貴和匡尚富[5]將河岸崩塌類型分為5種：①滑崩，為水流橫向沖刷岸腳或汛后河道水位退落較快而岸坡內(nèi)水位滯后于河道水位，造成河岸土體在自身重力或滲透力作用下沿某一曲面發(fā)生的失穩(wěn)崩塌；②挫崩，對于有縱向裂縫的黏性土壤河岸被水流沖刷至一定程度時，岸坡下部土體失去支撐而造成河岸發(fā)生挫落崩塌，其破壞面為平面；③落崩，即河岸坡腳被淘刷，上部臨空土體在重力或重力矩的作用下發(fā)生坍落，其破壞面多為平面，根據(jù)成因和機(jī)理差異，落崩又可分為剪切、旋轉(zhuǎn)和剪張落崩；④窩崩，即受水流劇烈沖刷或土體失去穩(wěn)定影響，河岸連續(xù)大范圍崩塌，在平面上呈現(xiàn)“口小肚子大”的特征，一般分為淘刷窩崩與液化窩崩；⑤洗崩，同前文洗崩定義。

假冬冬[6]總結(jié)了不同河岸土體組成(無黏性河岸、黏性河岸及組合河岸)的崩塌模式：①非黏性河岸通常在水流沖刷后，當(dāng)河岸坡角大于水下休止角而失穩(wěn)崩塌，一般表現(xiàn)為單個顆粒的崩塌或移動，或沿淺層滑動面發(fā)生破壞；②黏性河岸由于抗沖性較強(qiáng)，一般不易發(fā)生沖刷，其崩塌一般呈現(xiàn)為大塊擾動土體沿微彎曲滑裂面或斜平面滑動崩塌模式,因河岸坡度不同而有所區(qū)別，在坡度較緩的河岸沿著曲面發(fā)生圓弧滑動而失穩(wěn)破壞，而在坡度較陡的河岸發(fā)生平面滑動，河岸土體下挫發(fā)生崩塌；③組合河岸中較為典型的二元結(jié)構(gòu)河岸，其崩塌模式可分為沿圓弧或平面發(fā)生的滑動破壞和河岸下部土體沖刷后導(dǎo)致上部土體發(fā)生的坍落，其中坍落根據(jù)實(shí)際崩塌的物理過程分為剪切坍塌、繞軸坍塌和拉伸坍塌3種方式。

總體而言，不同專家學(xué)者對崩岸類型提出了各自的劃分方法，這些方法既有相似的地方,又有不同之處。但由于不同專家學(xué)者研究角度的不同，至今對崩岸類型的分類其實(shí)并沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

從表2中可以看出，每組數(shù)據(jù)中所包含的粗差數(shù)量并不多，對平均值的影響比較微弱，各組數(shù)據(jù)的數(shù)量不同是因?yàn)閷?shí)際觀測時間長短不同，同一距離處的一組數(shù)據(jù)可以看作重復(fù)性觀測。

3 河道崩岸的影響因素

崩岸的影響因素通常被分為水流動力條件、河道邊界條件和其他因素3大類。

3.1 水流動力條件

水流動力條件包括縱向水流、水位變化、橫向環(huán)流、波浪作用等。

水流縱向沖刷作用引發(fā)崩岸可以分為以下2個階段：一是近岸水流直接作用于河岸，岸坡上的泥沙顆粒不斷被沖刷分解并被水流帶走，從而導(dǎo)致岸坡高度增加或角度變陡，河槽橫斷面也會在一定程度上拓寬；二是河岸土體在自身重力作用下發(fā)生崩塌，其過程通常是沿某一滑動面發(fā)生移動。從水流運(yùn)動的角度而言，水流沖刷作用是河道崩岸的首要觸發(fā)因素，水流的沖刷強(qiáng)度對崩岸強(qiáng)度有直接影響，宏觀上水流的沖刷作用取決于流量(流速)的大小，在流量大且來沙少的情況下將加快河道床面及河岸沖刷；微觀上近岸水流的沖刷力可用水流的剪切力來表示，剪切力大則沖刷作用強(qiáng)，如Ghosh和Roy[7]通過實(shí)測順直梯形斷面河道的剪切力分布，得到河道最大剪切力出現(xiàn)在河岸下部，解釋了為何順直河岸中下部及坡腳處往往沖刷比較嚴(yán)重。

河道水文年內(nèi)流量的周期性變化、水庫樞紐的調(diào)度運(yùn)用等都會引起河道水位的變化，岸坡土體受力隨之發(fā)生改變，進(jìn)而影響河岸穩(wěn)定。這類研究多從土力學(xué)角度出發(fā)，通過岸坡穩(wěn)定性分析解釋崩岸現(xiàn)象，如馬崇武等[8]、鄧珊珊等[9]分別通過計(jì)算黏性河岸和二元結(jié)構(gòu)河岸穩(wěn)定性發(fā)現(xiàn)，在水位上漲階段側(cè)向水壓力增加，土體抗滑力隨之增大，土體含水率也逐漸增大至飽和，岸坡穩(wěn)定性表現(xiàn)為略微增大后減??；反之，在水位降落階段，側(cè)向水壓力消失及岸坡內(nèi)水位降落滯后于河道水位，產(chǎn)生指向坡外的滲流，滑動力增大，河岸穩(wěn)定性降低。河道水位變化導(dǎo)致河岸土體含水率發(fā)生改變，土體性質(zhì)隨之發(fā)生變化，王軍等[10]通過對長江荊江河岸土體研究得出土體抗剪強(qiáng)度隨水位變化的定量關(guān)系式，表現(xiàn)為隨含水率增大，土體黏聚力先增大后減小，內(nèi)摩擦角持續(xù)減小，且借助BSTEM模型對典型斷面崩岸過程進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn)，水位變化情況下的安全系數(shù)主要受土體黏聚力的影響。前人對水位變化過程中滲流對河岸穩(wěn)定性的影響也做了許多研究工作，謝立全和于玉貞[11]認(rèn)為在向河道方向滲流時岸坡泥沙的起動條件可大幅度降低，坡腳沖刷加劇，將增大崩岸發(fā)生的幾率；張幸農(nóng)等[12]認(rèn)為在坡腳發(fā)生沖刷后，河岸內(nèi)的滲徑縮短，當(dāng)滲透坡降逐漸增大至大于臨界水力坡降時，坡體發(fā)生滲透破壞，岸坡局部失穩(wěn)。

水流流經(jīng)彎道時受離心力的作用，在凹岸邊壁附近其動能轉(zhuǎn)化為勢能，凹岸水位升高，凸岸水位降低，在水位差的作用下產(chǎn)生橫比降，從而形成橫向環(huán)流。縱向主流與橫向環(huán)流一起形成了螺旋流，在螺旋流侵蝕作用下，彎道凹岸岸坡持續(xù)沖刷而變高變陡，河岸穩(wěn)定性降低，易發(fā)生失穩(wěn)崩塌。李寶璋[13]在分析長江南京河段窩崩時指出大尺度縱軸螺旋流是形成窩崩的動力因素。魏延文和李百連[14]通過分析長江江蘇河段嘶馬彎道崩岸原因，認(rèn)為彎道環(huán)流對崩岸的發(fā)生起著重要作用。Papanicolaou 等[15]研究表明二次流的存在使平均水深邊壁剪切力至少增大2倍以上，且邊壁剪切力最大值與水深平均邊壁剪切力之比>5，從而導(dǎo)致黏性土河岸侵蝕速率增大。余文疇和盧金友[3]認(rèn)為在彎道凹岸壅高的水面以下存在一個“滯點(diǎn)”，“滯點(diǎn)”以上會形成與橫向環(huán)流反向的橫向次環(huán)流，2個環(huán)流的存在引發(fā)了彎道橫向輸沙不平衡，可基本解釋彎道河岸發(fā)生崩岸的原因。

波浪對河岸的侵蝕作用常發(fā)生在風(fēng)吹程較大的河段，其作用是間歇性的。河道內(nèi)波浪作用對河岸侵蝕的影響通常不大，其引發(fā)崩岸的尺度與速度均較小。

3.2 河道邊界條件

河道邊界條件包括河岸組成及岸坡形態(tài)、河道平面特征、滲流等。

河岸土體組成及岸坡形態(tài)特征對河岸崩塌模式、崩塌強(qiáng)度起著決定性作用。河岸土體的抗沖性與河岸土體組成緊密相關(guān)，是河道崩岸發(fā)生和發(fā)展的制約因素。楊懷仁和唐日長[16]在荊江變遷研究中指出，由于上荊江河岸上部黏性土層的不斷淤厚，河岸抗沖性隨之增強(qiáng)，其河勢才能長期保持微彎狀態(tài)。岳紅艷和余文疇[17]通過比較黏土與細(xì)沙河岸發(fā)生崩岸時的臨界流速發(fā)現(xiàn)，黏土的臨界抗沖流速是細(xì)沙的4.5～9.0倍(水深為5～20 m)，隨著水深增大，其比值也會增加。河岸土體組成不同，其崩塌模式也存在差別，如夏軍強(qiáng)等[18]對長江荊江河段崩岸機(jī)理進(jìn)行了分析，認(rèn)為：上荊江河岸上部黏土較厚，下部沙土層較薄，崩岸常以整塊土體沿平面或弧形破壞面向下滑動，以窩崩為主；下荊江河岸上部黏土層較薄，下部沙土層較厚，其河岸下部易受到水流淘刷后，上部懸空土體因失去支撐而發(fā)生繞軸崩塌，通常也稱作條崩。岸坡形態(tài)包括岸坡高度、坡度、灘槽高差等，對河岸的穩(wěn)定性有著直接影響，王延貴和匡尚富[5]分析了河岸岸坡形態(tài)與穩(wěn)定性的關(guān)系，指出岸坡形態(tài)坡度是衡量河岸穩(wěn)定性的重要參數(shù)。顯然，當(dāng)岸坡高度越大、坡度越陡、灘槽高差越大時，河岸越不穩(wěn)定，越易發(fā)生崩岸。

河道平面形態(tài)可以改變河道水流特性從而影響崩岸，不同的河道形態(tài)對水流的約束作用和崩岸的影響也不同。余文疇和盧金友[2]從河床演變學(xué)的角度出發(fā)，認(rèn)為崩岸將按不同河型的固有規(guī)律發(fā)生演化。對彎曲河道來說，由于受“凹沖凸淤”的影響，崩岸主要發(fā)生在凹岸；另外彎道河岸對水流的約束作用與河彎曲率密切相關(guān)，河彎曲率越大，河道平面形態(tài)就越彎曲，水流對河岸的頂沖角越大，沖刷作用越明顯，河岸沖刷程度和崩岸強(qiáng)度也越大。順直型河道由于環(huán)流強(qiáng)度較弱，泥沙輸移以縱向輸沙為主，若非水流貼岸沖刷，河岸通常較為穩(wěn)定，其崩岸與分布于兩岸的犬牙交錯的邊灘密切相關(guān)，當(dāng)河岸附近沒有邊灘掩護(hù)時，深泓近岸，河岸被沖刷發(fā)生崩岸，順直河道通常會呈現(xiàn)周期性展寬的特性。對于分汊型河段，其崩岸強(qiáng)度與汊道形態(tài)有關(guān)，且在分汊河道江心洲洲頭及主支汊彎道凹岸受水流沖刷的部位，崩岸較為嚴(yán)重。王路軍[19]在試驗(yàn)中通過變化水流頂沖角發(fā)現(xiàn)，崩岸類型與河道平面形態(tài)之間存在一定的聯(lián)系，如窩崩多發(fā)生在彎道凹岸或迎流頂沖河段。但目前還沒有關(guān)于河道崩岸類型與河道形態(tài)之間關(guān)系的系統(tǒng)理論研究。

3.3 其他因素

首先，人為因素對崩岸的發(fā)生有直接影響，如近岸挖沙、修建水工建筑物以及在河岸施加荷載等均會引發(fā)崩岸，但是人為因素導(dǎo)致的崩岸是可控的，可通過加強(qiáng)管理等手段避免。其次，岸坡植被、降雨等因素也會對崩岸產(chǎn)生影響。白玉川等[20]采用自然模型試驗(yàn)，得出植物根系可以使河岸土體抗沖抗剪強(qiáng)度增加，對減緩河岸的沖刷、增強(qiáng)河岸穩(wěn)定性起到積極作用。一般而言，植物根部越長越密，河岸越不易發(fā)生崩塌。降雨入滲會使河岸土體含水率升高，進(jìn)而改變土體的性質(zhì)，對崩岸產(chǎn)生影響；另外當(dāng)降水量超過岸坡土壤入滲能力時，會形成地表徑流對坡面產(chǎn)生侵蝕，情況嚴(yán)重時也會導(dǎo)致岸坡失穩(wěn)。

實(shí)際河道崩岸的發(fā)生往往是上述影響因素共同作用的結(jié)果。吳玉華等[21]通過對江西省彭澤縣馬湖堤崩岸的分析，認(rèn)為馬湖堤崩岸是水流沖刷作用、水位降落速率較快、河岸自身穩(wěn)定性較差等因素共同作用的結(jié)果。王永[22]認(rèn)為水流沖刷作用是長江安徽河段崩岸的主要因素，其次是河岸地質(zhì)條件和滲流作用。余文疇和盧金友[3]認(rèn)為影響長江中下游河道崩岸的自然因素可分為水流泥沙運(yùn)動條件和河道邊界條件2大類，一方面，水流的動力作用是影響長江中下游河道崩岸的主要因素，崩岸的發(fā)生就是水流攜沙與泥沙輸移的動態(tài)結(jié)果；另一方面，河床邊界條件決定了近岸土體抗沖性能并對水流起約束作用，抑制或是促進(jìn)崩岸的發(fā)生，水流動力作用和河床邊界條件相互制約、趨于穩(wěn)定。姚仕明等[23]利用層次分析法對長江中游河道崩岸的影響因素進(jìn)行了分析，結(jié)果表明縱向水流沖刷、河彎曲率較大和河岸土質(zhì)抗沖性差是崩岸發(fā)生的主要影響因素。夏軍強(qiáng)等[24]定量分析了河岸土體組成、分布、力學(xué)性質(zhì)及來水來沙條件等因素，發(fā)現(xiàn)影響崩岸的主導(dǎo)因素為來水來沙條件，河岸土體特性也與崩岸關(guān)系密切。

綜上，從河流動力學(xué)角度分析，河道崩岸是水流與河床相互作用的過程，水流動力條件往往是觸發(fā)崩岸的首要因素；從土力學(xué)角度進(jìn)行分析，崩岸受水流、土體自重、滲流等多種因素的影響，河岸土體在力的作用下產(chǎn)生應(yīng)力-應(yīng)變過程。但總體而言，崩岸的影響因素眾多，且各因素之間大多相互聯(lián)系，相互影響，導(dǎo)致崩岸的成因十分復(fù)雜。此外，針對各因素對河道崩岸的影響，目前量化研究成果還較少。

4 河道崩岸的數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究

除對崩岸現(xiàn)象現(xiàn)場觀測，以及如上述從河流特性、河岸形態(tài)、土壤特性、水流泥沙運(yùn)動等多因素進(jìn)行理論分析外，數(shù)值模擬和物理模型試驗(yàn)也是當(dāng)前研究崩岸較為常用的方法。

4.1 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬主要來自于水力學(xué)與土力學(xué)相結(jié)合的方法，通常依據(jù)各類崩岸過程的力學(xué)機(jī)制，采用力學(xué)方法建立相應(yīng)的岸坡穩(wěn)定分析模型，對河岸的崩塌進(jìn)行研究。

當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者對岸坡穩(wěn)定性的研究多基于靜力平衡分析方法，主要以O(shè)sman和Thorne[25]提出的均質(zhì)黏土河岸穩(wěn)定性分析模型為代表，該模型考慮了沖刷作用下的河岸橫向展寬、臨界坡度、岸坡所受剪切力等因素的影響。Millar和Quick[26]在岸坡穩(wěn)定性計(jì)算中，具體分析了岸坡泥沙中值粒徑和內(nèi)摩擦角對岸坡穩(wěn)定系數(shù)的影響。Darby和Throne[27]對Osman和Thorne的模型加以改進(jìn)，其河岸破壞模式包含平面滑動和圓弧滑動2種，并考慮了靜水壓力和孔隙水壓力的影響。Amiri-Tokaldany等[28]在Darby和Thorne的模型基礎(chǔ)上，將均質(zhì)土岸坡改進(jìn)為多元結(jié)構(gòu)土體岸坡。美國農(nóng)業(yè)部泥沙實(shí)驗(yàn)室以O(shè)sman和Thorne的模型為基礎(chǔ)開發(fā)出的BSTEM模型，是當(dāng)前常用的河岸穩(wěn)定性模型之一，其河岸穩(wěn)定性模塊可綜合考慮河岸的物質(zhì)組成和分層、植被作用和護(hù)岸工程等對河岸穩(wěn)定性的影響。眾多學(xué)者運(yùn)用BSTEM模型對崩岸進(jìn)行了研究，如王博等[29]使用該模型中的河岸穩(wěn)定性模塊對長江中游河道典型斷面水文年內(nèi)不同水位時期、河岸形態(tài)及植被類型進(jìn)行了分析；袁帥等[30]采用遙感數(shù)據(jù)和BSTEM模型對七弓嶺彎道崩岸情況進(jìn)行了多尺度研究。馬崇武等[8]采用Bishop法分析了河道水位及河岸土體潛水位的變化對岸坡穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明河岸土體中潛水位的變化滯后于江河水位變化是造成快速退水時河岸更容易破壞的主要原因。段金曦等[31]考慮動水壓力對河岸崩塌的作用，提出了岸坡滑動的計(jì)算方法。王延貴和匡尚富[32]在研究陡坡和垂直岸灘的崩塌挫落機(jī)制的基礎(chǔ)上，根據(jù)對河岸崩塌體穩(wěn)定分析，推導(dǎo)出了折線河岸初次崩塌與二次崩塌的臨界崩塌高度的計(jì)算公式。王黨偉等[33]總結(jié)并闡述了非黏性土、黏性土及二元結(jié)構(gòu)河岸沖刷過程的數(shù)值模擬方法。假冬冬[6]在Osman和Thorne的模擬方法基礎(chǔ)上，從三維角度分析了二元結(jié)構(gòu)河岸相鄰河岸土體對岸坡穩(wěn)定性的影響。鄧珊珊等[9]以Darby和Throne提出的方法為基礎(chǔ)研究了河道水位變化對河岸穩(wěn)定性的影響。

基于不同觀點(diǎn)提出的瑞典圓弧法、Bishop法、Janbu法、Morgenstern-Price法、Spencer法等岸坡穩(wěn)定分析方法都屬于極限平衡法，在岸坡穩(wěn)定分析中被廣泛使用，研究的深度和考慮的因素也越來越全面，涌現(xiàn)了很多研究成果。但是，極限平衡法難以考慮到岸坡破壞的內(nèi)在變形過程和變形機(jī)理及河道水位變化情況下的滲流情況。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，有限元分析方法也被廣泛采用，相比之下有限元分析法可同時考慮河岸土體中的應(yīng)力、變形、滲流等情況下的岸坡穩(wěn)定性問題，計(jì)算結(jié)果通常比極限平衡法更符合實(shí)際情況。如張幸農(nóng)等[12]采用二維滲流有限元程序SEEP/W進(jìn)行了滲流計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與概化模型試驗(yàn)結(jié)果基本對應(yīng)。葉威等[34]借助SEEP/W和SLOPE/E模塊，對滲流和岸坡穩(wěn)定性進(jìn)行了耦合分析，研究了河流沖刷作用下的堤岸穩(wěn)定性演化規(guī)律。

4.2 概化模型試驗(yàn)

由于河道崩岸機(jī)理非常復(fù)雜，也有較多學(xué)者嘗試通過概化模型試驗(yàn)來研究河岸崩塌機(jī)理。借助室內(nèi)便利的量測條件，觀察崩岸形成過程以及測量各種影響因素，對揭示崩岸形成的動力機(jī)制及其規(guī)律十分必要。1976年Frydman和Beasley[35]對概化后的河岸邊坡模型進(jìn)行離心試驗(yàn)，通過對岸坡土體位移與應(yīng)力變化的監(jiān)測，分析了可能出現(xiàn)的滑移面形態(tài)。Fukuoka[36]在日本新川的河漫灘上通過人工挖一彎曲河槽，對河岸進(jìn)行沖蝕試驗(yàn)，提出二元結(jié)構(gòu)河岸侵蝕過程的3個階段，并給出了上層黏土河岸懸掛臨界寬度的計(jì)算方法。岳紅艷等[37]采用塑料沙填筑二元結(jié)構(gòu)河岸，通過試驗(yàn)觀測與分析，將河岸崩塌過程分為5個階段，并總結(jié)了河岸坡比、河岸上下層厚度、流量等對崩岸的影響。王路軍[19]在直道水槽與彎道水槽中采用天然沙修建模型，研究了水位差、退水速度、土體結(jié)構(gòu)等多種影響因素對河道崩岸的影響。Lindow等[38]通過室內(nèi)試驗(yàn)，研究了滲流、孔隙水壓力對3種不同坡度組成的二元結(jié)構(gòu)河岸的穩(wěn)定性的影響。張幸農(nóng)等[39]利用長江中下游典型崩岸河段原型沙，建立了河岸概化模型，研究了坡體前后存在水位差及水流沖刷作用和不同坡度條件下的河岸崩塌情況，認(rèn)識到滲流強(qiáng)度、坡面流速和河岸坡度越大的情況下河岸越易發(fā)生崩塌。Samadi等[40]采用2種土樣進(jìn)行室內(nèi)水槽試驗(yàn)，通過破壞河岸基礎(chǔ)一定深度使河岸上部土體懸空，試驗(yàn)給出了懸臂崩塌的破壞模式及相應(yīng)的機(jī)理。余明輝等[41]對由非黏性土組成的岸坡在彎道水槽中進(jìn)行試驗(yàn)，研究了不同水力條件和岸坡條件下的河岸崩塌模式及河岸侵蝕過程中河道斷面水流結(jié)構(gòu)變化規(guī)律。宗全利等[42]通過試驗(yàn)研究了荊江河段二元結(jié)構(gòu)河岸崩塌機(jī)理，提出上荊江崩岸以平面滑動為主，下荊江河岸以繞軸崩塌為主，并根據(jù)二元結(jié)構(gòu)河岸在不同時期(枯水期、高水期和退水期)的崩塌形式及過程，給出了相應(yīng)的崩塌計(jì)算模式。

綜上可見，河岸穩(wěn)定性數(shù)值模擬主要通過對可能影響岸坡穩(wěn)定的因素、可能的變形破壞方式及失穩(wěn)力學(xué)機(jī)制進(jìn)行分析，借助于不同的計(jì)算分析方法，如極限平衡法、有限元法等計(jì)算確定特定狀態(tài)下的岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)。概化模型試驗(yàn)研究主要通過對河岸崩塌過程及崩塌模式進(jìn)行觀測，多采用控制變量法變化單一影響因素來研究各種因素對河道崩岸的影響，并涉及對崩岸過程中河岸內(nèi)部應(yīng)力場變化、土體性質(zhì)及水力參數(shù)等的監(jiān)測，目前的研究中系統(tǒng)定量研究成果還不多。

5 河道崩岸機(jī)理研究中的不足

迄今為止，不少學(xué)者已圍繞崩岸機(jī)理開展了大量的研究。以往的研究工作多從河道已發(fā)生崩岸現(xiàn)象的影響因素著手進(jìn)行理論分析與總結(jié)，或通過數(shù)學(xué)模型計(jì)算和概化模型試驗(yàn)進(jìn)行崩岸研究，并取得了較豐富的研究成果。但是受限于研究手段和試驗(yàn)條件，當(dāng)前的研究還不能完全解釋清楚崩岸產(chǎn)生的原因及過程與機(jī)制，針對河道崩岸問題的研究尚存在以下不足。

(1)河道崩岸的影響因素眾多，而崩岸的發(fā)生往往是多個因素之間共同作用的結(jié)果，在崩岸研究中如何將各因素分離并量化其影響仍然有一定困難。另外崩岸機(jī)理涉及泥沙運(yùn)動力學(xué)、河床演變學(xué)、土力學(xué)等多個學(xué)科的內(nèi)容，當(dāng)前學(xué)科綜合交叉研究還不多，而且各學(xué)科學(xué)者研究的出發(fā)點(diǎn)也各不相同，現(xiàn)有的觀點(diǎn)還不能全面揭示河道崩岸的機(jī)理。

(2)崩岸數(shù)值模擬技術(shù)還不夠完善。首先，當(dāng)前的崩岸數(shù)學(xué)模型計(jì)算過程基本都進(jìn)行了大量簡化，考慮的因素不甚全面，從而影響計(jì)算精度；其次，岸坡穩(wěn)定性分析多采用靜力平衡法，計(jì)算采用崩岸時的臨界應(yīng)力條件，無法體現(xiàn)岸坡實(shí)際的破壞變形過程和變形機(jī)理，只能探究特定情形或固定指標(biāo)下的岸坡穩(wěn)定問題;再者，多過程融合模擬還需改進(jìn)，如進(jìn)行沖刷作用下的崩岸預(yù)測，通常還是將河道沖刷和岸坡穩(wěn)定性分析作為2個“耦合”步驟，并未實(shí)現(xiàn)真正的多過程融合模擬;最后，當(dāng)前的研究大多將崩岸數(shù)值模擬作為二維問題來解決，雖有三維模擬的嘗試，但還很不完善，而考慮到水流、河岸及相鄰?fù)馏w之間的作用等，三維模擬是很有必要的。

(3)概化模型試驗(yàn)?zāi)M精度還需進(jìn)一步提高。采用常規(guī)模擬方法難以做到試驗(yàn)河道與天然河道完全相似，如模型沙在試驗(yàn)中雖較易滿足泥沙起動、沉降等運(yùn)動相似條件，但難以做到土體的力學(xué)性質(zhì)(特別是黏結(jié)性)、滲流條件等與天然河道相似;其次，受限于量測技術(shù)，試驗(yàn)量測結(jié)果還不夠精細(xì)，量測參數(shù)也很難全面;最后，崩岸概化模型試驗(yàn)中對河岸土體內(nèi)部的應(yīng)力變化過程關(guān)注還較少。

6 結(jié) 語

河道崩岸涉及因素眾多，過程非常復(fù)雜，盡管目前已開展了不少研究工作，也取得了較豐富的成果，但總體而言，受限于當(dāng)前的研究手段和試驗(yàn)條件，對崩岸機(jī)理尚未完全掌握，對崩岸發(fā)生、發(fā)展的模擬和預(yù)測仍然不夠完善，還需持續(xù)推進(jìn)崩岸機(jī)理研究工作。基于前文的梳理，對今后的崩岸研究工作提出以下建議：

(1)注重崩岸有關(guān)實(shí)測資料(包括崩岸本身、岸坡土體情況、河道情況、崩岸發(fā)生期間的水流和其他可能的外部影響因素等)的收集與保存，為崩岸理論研究和數(shù)值模型校驗(yàn)等提供更為準(zhǔn)確全面的信息。

(2)對河道崩岸機(jī)理的研究需加強(qiáng)多學(xué)科交叉，并綜合全面考慮各種因素影響，還需要強(qiáng)化多種研究手段相結(jié)合。

(3)進(jìn)一步完善和改進(jìn)崩岸數(shù)值模擬技術(shù)，如開發(fā)出能滿足實(shí)際需求的三維河岸穩(wěn)定計(jì)算模型，提升多過程融合模擬技術(shù)等。

(4)繼續(xù)開展崩岸模型試驗(yàn)研究，完善模型試驗(yàn)量測技術(shù)手段，提高量測精度，提升模型試驗(yàn)中河岸組成及土體力學(xué)特性等的模擬相似性。

(5)與時俱進(jìn)，充分吸收飛速發(fā)展的各類先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，開展河道崩岸的現(xiàn)場監(jiān)測和預(yù)警。