水位變化速率對河道崩岸的影響

呂慶標，岳紅艷，朱勇輝，李凌云

(長江科學(xué)院 河流研究所，武漢 430010)

1 研究背景

在沖積平原河流中，崩岸是河道橫向演變的重要表現(xiàn)形式。崩岸現(xiàn)象的頻繁發(fā)生，將嚴重威脅江河堤防安全、河勢穩(wěn)定、航運發(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]。三峽水庫的蓄水運用改變了長江中下游河道的水沙條件，由于來沙量大幅度減少，河道由沖淤總體基本平衡轉(zhuǎn)化為長時期長距離的沖刷[2]，長江中下游河道崩岸面臨新的嚴峻形勢。雖然兩岸護岸工程對河勢穩(wěn)定起到了積極作用，長江中下游河道河勢總體較為穩(wěn)定，但受水流頂沖點上提或下挫的影響，部分未護河段及失去防護作用的已護岸段河勢調(diào)整劇烈，仍常有崩岸發(fā)生[3]。僅2003—2018年十多年間共發(fā)生崩岸險情946處，累計崩岸長度約704 km。同時，水庫的調(diào)度改變了壩下游河道的水位、流量過程，而水位的漲落與河岸的穩(wěn)定和崩岸的發(fā)生息息相關(guān)。水庫蓄水期減小出庫流量，導(dǎo)致下游河道短時期內(nèi)水位變幅較天然時期大，對岸坡穩(wěn)定產(chǎn)生一定不利影響。因而，有必要研究水位變化速率對河岸崩塌的影響，所得成果對防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義，同時也可為三峽水庫科學(xué)調(diào)度提供科技支撐。以往對于崩岸問題的研究，國內(nèi)外學(xué)者多從影響因素著手，借助的研究方法包括理論分析、數(shù)值計算及概化模型試驗等。

吳玉華等[4]通過分析馬湖堤崩岸，認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[5]認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[6-7]認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動條件和河道邊界條件2大類，并指出崩岸的實質(zhì)首先是水流攜沙與泥沙輸移的動態(tài)結(jié)果，其次是河道邊界條件抑制或促進崩岸的發(fā)生。宗全利等[8]、夏軍強等[9]、劉昭希等[10]、王軍等[11]通過現(xiàn)場采樣，研究了荊江河岸土體力學(xué)特性，認為河岸土體組成是影響崩岸的重要因素，且河道水位變化是導(dǎo)致河岸穩(wěn)定性周期性變化的重要原因。概化模型試驗方面，岳紅艷等[12]采用塑料模型沙填筑二元結(jié)構(gòu)河岸，通過室內(nèi)概化模型試驗研究，提出了二元結(jié)構(gòu)河岸崩塌的5個階段，并總結(jié)了河岸坡比、上下土層厚度和流量等對崩岸的影響。宗全利等[13]通過試驗研究了荊江河段二元結(jié)構(gòu)河岸崩塌機理，認為上荊江崩岸以平面滑動為主，下荊江崩岸以繞軸崩塌為主，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，提出了相應(yīng)的崩塌計算模式。數(shù)值模擬多從土力學(xué)角度出發(fā)，依據(jù)各類崩塌模式和臨界指標進行穩(wěn)定性分析，主要以O(shè)sman和Thorne[14]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。此外，部分學(xué)者以數(shù)值模型為基礎(chǔ)進行了河岸穩(wěn)定性分析，如馬崇武等[15]通過計算黏性土河岸穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)水位漲落對河岸穩(wěn)定性有重要影響；王博等[16]借助BSTEM模型中的岸坡穩(wěn)定性模塊，計算了不同水位條件、岸坡形態(tài)和岸頂植被對穩(wěn)定性的影響；鄧珊珊等[17]考慮了水位變化過程中河岸潛水位的變化，在此基礎(chǔ)上通過河岸穩(wěn)定性分析，研究了上荊江河岸穩(wěn)定系數(shù)隨水位變化的過程。

上述研究表明，崩岸的發(fā)生不僅受水流沖刷作用、河岸土體組成等因素的影響，還與河道水位變化密切相關(guān)。通過數(shù)值計算可以直觀地模擬水位變化條件下河岸內(nèi)孔隙水壓力分布情況，并得到河岸穩(wěn)定系數(shù)，但較少關(guān)注河岸實際的變形情況、崩塌過程以及崩塌模式。概化模型試驗大多采用原型沙且尺度較小，也較少結(jié)合河岸土體內(nèi)部應(yīng)力(如孔隙水壓力)監(jiān)測進行研究。本文在以往研究的基礎(chǔ)上，采用塑料模型沙進行概化模型試驗，觀察河岸崩塌破壞發(fā)展過程、監(jiān)測孔隙水壓力變化情況，初步分析水位變化速率對崩岸的影響，并結(jié)合數(shù)值計算模擬不同水位變化速率條件下岸坡穩(wěn)定性的演化特征。

2 概化模型試驗

2.1 試驗方案

試驗在封閉水槽內(nèi)進行，水槽尺寸為5 m×3 m×1 m(長×寬×高)。岸坡土體橫斷面上下土層厚度比為1∶2的梯形設(shè)計，高度為54 cm，另外河床床沙厚30 cm，河岸坡比為1∶1，河岸橫斷面布置見圖1。河岸土體采用分層填筑，每層鋪填厚度為20 cm，以確保河岸土體的均勻性。本次試驗在河岸內(nèi)埋設(shè)了4個孔隙水壓力傳感器，用于監(jiān)測水位變化情況下孔隙水壓力的變化過程。岸坡制模時將傳感器按相應(yīng)位置埋入，并且在土體填筑過程中要做好儀器防護以防損壞。

圖1 橫斷面布置

為模擬天然河道二元結(jié)構(gòu)河岸，以長江中游下荊江河段土體作為原型參考。本次模型試驗主要作用力為重力、滲透力等，且重力起主導(dǎo)作用，因此需滿足重力相似準則。模型沙的選取首先需要滿足運動相似條件，試驗中取原型與模型的水深比尺λh=40，則流速比尺λu=λh1/2=6.32(模型沙與原型沙滿足起動相似與揚動相似)。根據(jù)試驗相似設(shè)計，試驗中選用2種不同粒徑的新型復(fù)合塑料沙，上層為中值粒徑0.058 mm的細沙，下層及河床為中值粒徑0.2 mm的粗沙，分別模擬二元結(jié)構(gòu)河岸上層黏土和下層非黏性土。

試驗工況包括水位快速降落和緩慢降落2種情況，以對比分析水位降落速率對河道崩岸的影響。模型邊坡制備完成后，向河道內(nèi)緩慢注水至水深45 cm，待邊坡達到飽和穩(wěn)定后，開啟尾門排水，降水速率分別為0.1 m/h和0.3 m/h。

2.2 試驗成果分析

2.2.1 崩塌過程及模式

圖2為不同水位降落速率條件下的近岸河床地形變化。由圖2可知水位變化速率對河岸崩塌有重要影響。通過試驗觀測，在水位漲落過程中，河岸崩塌主要經(jīng)歷了3個階段,如圖3所示。

圖2 不同水位降落速率下近岸河床地形變化

圖3 河岸崩塌過程示意圖

第1階段，在水位緩慢上漲過程中，岸坡比較穩(wěn)定，局部坡面產(chǎn)生細微裂縫，崩岸現(xiàn)象較少發(fā)生，近岸地形變化不大，如圖3(a)所示。第2階段，隨著河道水位上漲并穩(wěn)定在高水位，河岸土體受浸泡軟化，岸頂出現(xiàn)縱向裂縫，并不斷發(fā)育展寬變長，最寬處約1 cm，并且裂縫向四周發(fā)育逐步擴展至坡面，河岸形態(tài)開始發(fā)生變化，河岸表面部分土體沿岸坡滑落，如圖3(b)所示。第3階段，由于水位降落速率不同，觀察到河岸崩塌破壞強度也有所差異：在水位快速降落過程中，河道內(nèi)水位隨之急劇回落，河岸穩(wěn)定性大幅降低，河岸土體在自身重力及滲流作用下沿縱向裂縫發(fā)生崩塌，最大后退距離達20 cm，如圖3(c)所示；相比之下，在水位緩慢降落過程中，崩岸較少發(fā)生，局部岸灘上的裂縫有所展寬但并未發(fā)生崩塌，岸坡形態(tài)與高水位時期的地形相比變化不大。

2.2.2 孔隙水壓力變化特征

圖4給出了水位陡降工況下河岸內(nèi)各點實測孔隙水壓力和實際水深變化情況。在河道水深上升至0.45 m的過程中，孔隙水壓力也在不斷增加，靠近河岸坡面處的測點最先出現(xiàn)讀數(shù)，且讀數(shù)增大的幅度要明顯大于岸坡內(nèi)測點讀數(shù)增加的幅度。當(dāng)水位穩(wěn)定至0.45 m后，仍可見孔隙水壓力逐步增大，水體還在向河岸內(nèi)入滲，岸坡內(nèi)非飽和區(qū)域越來越小，當(dāng)土體飽和后各測點孔隙水壓力基本一致，約為6.7 kPa。在水位降落階段，各點孔隙水壓力整體開始下降，P-1點距河道較近，孔隙水壓力消散較快，其變化值基本與河道水位變化一致且變化幅度最大，而隨著河岸內(nèi)孔隙水壓力測點距河道的距離增大，孔隙水壓力變化幅度受河道水位變化的影響在逐步減小，孔隙水壓力變化幅度明顯小于河道水位變化幅度。如當(dāng)河道水位下降15 cm，水深為30 cm時，離河岸較遠的P-3、P-4點測得的孔隙水壓力分別為6.25、6.51 kPa，其相應(yīng)于高水位孔隙水壓力的變化值分別為0.35、0.19 kPa，遠小于水位下降15 cm所對應(yīng)的1.5 kPa，且隨著河道水位的進一步降落，各測點孔隙水壓力的差值也將繼續(xù)增大，差值越大，滲透坡降也越大，不利于河岸穩(wěn)定。而當(dāng)水位緩慢降落時，各點孔隙水壓力的差值要小很多，滲透坡降較為平緩。

圖4 孔隙水壓力隨時間變化過程

3 河岸穩(wěn)定性計算模型

在進行水位變化情況下的岸坡穩(wěn)定性分析時，需要考慮在水位變化過程中滲流對崩岸的影響。對于水位升降引起的非穩(wěn)定滲流，國內(nèi)外學(xué)者多采用假定邊界條件隨時間變化的滲流自由面的方式確定浸潤線，進而通過極限平衡法計算岸坡穩(wěn)定系數(shù)。本文擬采用理正巖土軟件進行岸坡穩(wěn)定性分析，先進行水位隨時間變化的滲流分析計算，從而得到不同時段岸坡內(nèi)浸潤線、孔隙水壓力分布情況，再進行岸坡穩(wěn)定性分析。

表1 土體力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

3.1 滲流分析計算

基于非飽和土理論和基本滲流理論，二維非穩(wěn)定滲流微分控制方程為

(1)

式中：H為總水頭；Kx和Ky分別為水平和豎直方向的滲透系數(shù)；Q為施加的邊界流量，當(dāng)不考慮降雨入滲時可取為0；Ss為單位儲水系數(shù)(當(dāng)潛水面上升時為飽和差，下降時為給水度)；t為時間。

對于二維滲流分析計算模型，通常采用有限元法求解，滲流有限元方程形式為

(2)

式中：[K]為滲透系數(shù)矩陣；{H}為總水頭向量；[M]為單位儲水矩陣；{Q}為流量向量。

在計算過程中，初始壓力水頭取初始水位形成的穩(wěn)定滲流的結(jié)果，認為流量邊界q(x,y,t)恒為0。

3.2 岸坡穩(wěn)定性計算

岸坡穩(wěn)定分析采用極限平衡法中的瑞典圓弧法。假設(shè)河岸崩塌形式為圓弧滑動，采用瑞典圓弧滑動法，將河岸土體劃分為1 m寬的土條，且滑動面上各點同時達到極限平衡狀態(tài)。岸坡穩(wěn)定系數(shù)F可以由滑動面上抗滑力FR與滑動力FS之比表示，即F=FR/FS，當(dāng)F低于某一臨界值即可認為河岸發(fā)生崩塌。

抗滑力FR主要由土體黏聚力及重力、浮力和滲透力等在滑動面法向上的合力的函數(shù)構(gòu)成，即

FR=∑{c′bsecθ+[(W1+W2)cosθ-

(u-Zγw)bsecθ]tanφ′} 。

(3)

其中u=γwZ′。滑動力FS主要由重力及滲透力在滑動方向分量的合力組成，即

FS=∑(W1+W2)sinθ。

(4)

式中：b為土條的寬度(m)；W1為水位以上土條的重力(kN)，浸潤線以上取重度，以下取飽和重度；W2為水位以下土條重力(kN)；Z為水位高出土條底面中心點的距離(m)；Z′為浸潤線到土條底面中點的距離(m)；u為孔隙水壓力(kPa)；θ為重力方向與通過土條中心點半徑的夾角；γw為水的重度(kN/m3)；c′和φ′為土體抗剪強度指標。

3.3 計算參數(shù)選取

選取的計算參數(shù)包括岸坡形態(tài)、土層結(jié)構(gòu)、土體力學(xué)特性及水位變化情況。北門口河段位于下荊江，河岸為上層粉質(zhì)黏土與下層細砂組成的典型二元結(jié)構(gòu)河岸，并且河岸下部砂土層較厚，下部砂土層又可分為松散-稍密粉細砂和中密粉細砂。如圖5，根據(jù)北門口河段岸坡土體情況，岸坡形態(tài)可概化為如下：河底高程15 m，坡比為1∶2.5，并根據(jù)土體性質(zhì)不同分為上下2層，上部黏性土厚度約4.2 m，下部細砂層厚33.8 m，另外假設(shè)同類土體都為均勻分布。

圖5 北門口河段岸坡概化形態(tài)

河岸土體力學(xué)特性參數(shù)，包括土體黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ、重度γ、滲透系數(shù)k等通過查閱相關(guān)資料得到(詳見表1)。

為研究水位變化速率對崩岸的影響，根據(jù)北門口上游石首站實測資料獲得的2017年5—9月份逐日水位過程(見圖6)，模擬從水位上漲階段至水位降落階段，設(shè)計概化水位變化工況如下。水位上升階段：水位從31 m上升至36 m，水位上升速率0.2 m/d，持續(xù)時間25 d；高水位階段：水位維持在36 m，持續(xù)時間20 d；水位降落階段：水位從36 m降至32 m，水位下降速率0.2 m/d，持續(xù)時間20 d。

圖6 2017年石首站水位變化情況

4 岸坡穩(wěn)定性分析

4.1 岸坡穩(wěn)定系數(shù)隨水位變化過程

根據(jù)上述岸坡概化形態(tài)和水位變化過程，借助數(shù)值模擬開展?jié)B流和岸坡穩(wěn)定性計算分析，得到岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)的變化規(guī)律(見圖7)。下面按照漲水階段、高水位階段、落水階段分別進行分析。

圖7 穩(wěn)定系數(shù)和水位隨時間的變化曲線

4.1.1 水位上漲階段

在水位上漲過程中，河道岸坡的穩(wěn)定系數(shù)隨著水位升高而變大。當(dāng)水位上漲時，側(cè)向水壓力增加，河道向岸坡內(nèi)的滲流可以抵消一部分坡體的滑動力；其次在開始階段孔隙水壓力變化不大，河岸內(nèi)的基質(zhì)吸力還較大；同時水位上升導(dǎo)致岸坡含水率變大、抗剪強度減小的幅度較小，從而岸坡的穩(wěn)定系數(shù)隨著水位上漲而變大，河岸較穩(wěn)定，此階段崩岸發(fā)生概率不大。

4.1.2 高水位階段

此過程河道內(nèi)水位達到較高值，側(cè)向水壓力對河岸土體的支撐作用達到最大；隨之孔隙水壓力達到穩(wěn)定，基質(zhì)吸力變小，以及土體含水率較高(或達到飽和)，土體抗剪強度小，岸坡穩(wěn)定系數(shù)出現(xiàn)變小的情況，將促進崩岸發(fā)生，隨著時間的持續(xù)，岸坡內(nèi)浸潤線與坡外水位一致時，穩(wěn)定系數(shù)開始保持穩(wěn)定?？傮w來說，在高水位階段岸坡穩(wěn)定系數(shù)為先減小后不變。

4.1.3 水位降落階段

在退水期，岸坡穩(wěn)定系數(shù)進一步減小，且趨于平緩。在這個過程中，水位降落導(dǎo)致岸坡側(cè)向水壓力逐漸消失；岸坡內(nèi)的水流滲透方向由岸坡指向河道，滲透坡降隨著水位降落而增大，且岸坡下層細砂可能發(fā)生潛蝕，將使岸坡土體的滑動力增加；岸坡土體被高水位浸泡后，坡體軟化抗剪強度降低，這些因素都不利于岸坡穩(wěn)定，從而使岸坡穩(wěn)定系數(shù)變小，崩岸發(fā)生機率增大。

需要指出的是，在此計算中并未考慮水流沖刷作用對崩岸的影響。以往研究表明，水流沖刷作用是河道崩岸的最主要因素，故若考慮水流條件，岸坡穩(wěn)定系數(shù)將進一步降低。可見，在沖刷作用劇烈的洪水期和沖刷稍弱的落水期都很容易引發(fā)崩岸。

4.2 水位不同降落速率對崩岸的影響

在水位降落過程中，不同水位降落速率V對崩岸的影響不同，圖8給出了水位降落速率在上述基礎(chǔ)上(V=0.2 m/d)及增大1倍和減小1倍后，對岸坡穩(wěn)定系數(shù)的影響。由圖8可知，水位降落速率越小，河岸穩(wěn)定系數(shù)隨水位降落減小的幅度越小。這是由于水位下降得越慢，岸坡向河道方向的滲透坡降越小，坡體的滑動力也相對偏小。但隨著時間的增長，岸坡內(nèi)的水不斷被排出，指向河道方向的力逐漸減弱，穩(wěn)定系數(shù)反而有所增大。

圖8 不同水位降落速率下的穩(wěn)定系數(shù)

以上研究表明，河道水位降落速率加快將不利于岸坡的穩(wěn)定，導(dǎo)致河道崩岸機率增加。

5 結(jié) 論

本文通過概化模型試驗初步分析了不同水位變化速率對河道崩岸的影響，并結(jié)合數(shù)值分析計算水位變化對岸坡穩(wěn)定性的影響，得出如下結(jié)論:

(1)通過概化模型試驗研究總結(jié)出了二元結(jié)構(gòu)河岸在水位變化情況下的一般崩塌模式；孔隙水壓力監(jiān)測表明，岸坡內(nèi)孔隙水壓力消散的滯后作用是導(dǎo)致河岸失穩(wěn)的重要原因，且水位降落速率越快，這種滯后現(xiàn)象越明顯。

(2)河岸穩(wěn)定系數(shù)基本隨水位漲落而變化，隨著水位上升而增大，隨著水位降落而減小，在水位降落階段，水位下降速率越大，穩(wěn)定系數(shù)越小，這與試驗中觀測到的河岸崩塌情況比較一致。

(3)由于受試驗條件和時間的限制，試驗考慮的因素還較少，今后也還有很多工作要做，如沖刷條件下的試驗研究還未能完全開展，模型沙與原型沙力學(xué)性質(zhì)的相似模擬還需進一步完善等。