滲流與側(cè)向流共同作用下的潮溝邊壁侵蝕研究進(jìn)展*

龔 政 王客予, 2 趙 堃 張凱麗

滲流與側(cè)向流共同作用下的潮溝邊壁侵蝕研究進(jìn)展*

龔 政1王客予1, 2①趙 堃1張凱麗1

(1. 河海大學(xué)江蘇省海岸海洋資源開發(fā)與環(huán)境安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 江蘇南京 210098; 2. 中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)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(duì)底床沖刷率有顯著影響, 然而側(cè)向邊壁的沖刷率量測(cè)以及相關(guān)影響因素問題亟待解決。前人較多關(guān)注側(cè)向流對(duì)于邊壁崩塌的影響, 而對(duì)滲流作用以及滲流與側(cè)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(huán)。因此, 滲流與側(cè)向流不同動(dòng)力作用下, 邊壁侵蝕的差異性和相似性, 以及兩種動(dòng)力共同作用下的侵蝕機(jī)制仍待進(jìn)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(fā)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(guó)東部沿海(Zhang, 2016; Chen, 2017)、英國(guó)西部及東南海岸(Chen, 2012)、荷蘭西北海岸(Kleinhans, 2009)、美國(guó)東海岸(Mariotti, 2013), 具有寬廣性、尺度大、坡度緩、底質(zhì)顆粒細(xì)(由淤泥質(zhì)黏土、粉砂、粉細(xì)砂等組成)等特征(呂亭豫等, 2016)。在淤泥質(zhì)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(dòng)力, 特別是潮汐作用形成的潮溝系統(tǒng)廣泛發(fā)育并呈現(xiàn)樹枝狀、矩形狀、平形狀或羽狀等平面形態(tài)結(jié)構(gòu)(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(duì)潮灘的地貌動(dòng)力過程具有重要影響, 隨水流運(yùn)動(dòng)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定有重要意義, 同時(shí)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(jīng)典理論將邊壁侵蝕從機(jī)理上分為兩個(gè)階段: (1)水流作用下的邊壁沖刷(水力學(xué)過程); (2) 土塊重力引起的邊壁崩塌(土力學(xué)過程) (Rinaldi, 2007)。研究表明, 潮溝邊壁崩塌是海岸地貌動(dòng)力過程中重要的一環(huán), 對(duì)海岸工程建設(shè)構(gòu)成嚴(yán)重威脅, 例如2015年江蘇沿海條子泥海域潮溝曲流向岸擺動(dòng)距離達(dá)1 800 m, 引發(fā)了一系列應(yīng)急搶險(xiǎn)工程。此外, 大江大河崩岸現(xiàn)象也十分普遍(夏軍強(qiáng)等, 2003; 余文疇等, 2008; 盧金友等, 2017; 假冬冬等, 2021), 由側(cè)向流沖刷形成懸臂及邊壁崩塌現(xiàn)場(chǎng)見圖1。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì), 近60年來長(zhǎng)江中下游累計(jì)崩岸長(zhǎng)度超過1 600 km, 占岸線總長(zhǎng)的37.6% (褚明華等, 2016; 張幸農(nóng)等, 2021)。此外, 崩塌土塊也是河道重要的供沙來源, 例如在美國(guó)中西部的黃土區(qū)域, 邊壁供沙占整個(gè)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(zhì)數(shù)據(jù), 需要改進(jìn)相關(guān)性質(zhì)的測(cè)量方法。雖然目前用于穩(wěn)定性分析的一些土壤性質(zhì), 如液體、沉積物的密度容易量測(cè), 但其他性質(zhì)和系數(shù)獲取難度大, 也鮮有現(xiàn)場(chǎng)表征這些性質(zhì)和系數(shù)的方法。即使是主要的侵蝕特性(如沖刷系數(shù)、剪切強(qiáng)度、有效黏聚力和臨界起動(dòng)切應(yīng)力)也難測(cè)量, 不能很好地理解它們與其他土壤特性的相互關(guān)系, 因此邊壁沖刷速率的量測(cè)以及相關(guān)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(gè)難點(diǎn)是各種機(jī)制之間的相互作用。因此, 本文重點(diǎn)回顧邊壁沖刷速率量測(cè)及其影響因素和滲流和側(cè)向流共同作用下岸壁侵蝕機(jī)制兩方面的研究進(jìn)展, 揭示潮灘-潮溝系統(tǒng)多因子共同作用下的崩岸機(jī)理, 對(duì)于保障海岸工程安全, 以及潮灘系統(tǒng)的科學(xué)開發(fā)、利用和保護(hù)具有現(xiàn)實(shí)意義, 對(duì)促進(jìn)多學(xué)科交叉具有重要的理論和實(shí)際價(jià)值。

圖1 側(cè)向流沖刷形成懸臂及邊壁崩塌

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

1 邊壁沖刷

邊壁沖刷是指水流在特定條件下對(duì)側(cè)向土體進(jìn)行沖刷的現(xiàn)象, 其主要影響因素為水流條件和土體本身的性質(zhì)。目前對(duì)于側(cè)向邊壁的土體起動(dòng)及沖刷研究較少, 大部分研究集中于底床起動(dòng)和沖刷方面, 其實(shí)驗(yàn)方法及量測(cè)手段可以在側(cè)向邊壁起動(dòng)沖刷的研究中加以借鑒?，F(xiàn)有兩種主流的底床土體沖刷率計(jì)算公式, 其中一種在曹叔尤公式(曹叔尤等, 1986)的基礎(chǔ)上將沖刷率與過量剪應(yīng)力確定成指數(shù)關(guān)系, 即:

另一種沖刷率公式認(rèn)為水流切應(yīng)力大于土體的起動(dòng)切應(yīng)力時(shí), 土體才會(huì)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(shù), 單位為m3/(N?s); ?為沖刷時(shí)間, 單位為s;0為水流的平均切應(yīng)力, 單位為Pa;c為臨界起動(dòng)切應(yīng)力, 單位為Pa, 相應(yīng)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(dòng)條件等, 而土體起動(dòng)除水流作用外, 主要受到土體本身物理及力學(xué)性質(zhì)的影響, 因此水流條件與土體本身性質(zhì)均應(yīng)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(huì)導(dǎo)致土體本身密度、含水率及液塑限等物理性質(zhì)發(fā)生改變, 進(jìn)一步影響土體的內(nèi)摩擦角及黏聚力等抗剪強(qiáng)度指標(biāo), 土體臨界起動(dòng)切應(yīng)力隨之變化。

1.1 流速對(duì)邊壁沖刷的影響

黃建維(1989)在水槽實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上, 結(jié)合前人的研究成果, 認(rèn)為均勻容重底床的沖刷率與水流流速近似呈四次方關(guān)系。李華國(guó)等(1995)通過水槽實(shí)驗(yàn)得出了類似的結(jié)論, 認(rèn)為淤泥沖刷率與水流切應(yīng)力近似呈二次方關(guān)系, 與水流流速呈四次方關(guān)系。孫志林等(2011)在錢塘江河口河床獲取2個(gè)鉆孔共28個(gè)巖芯, 進(jìn)行起動(dòng)和沖刷水槽實(shí)驗(yàn), 發(fā)現(xiàn)未充分固結(jié)的淤泥沖刷率與相對(duì)剩余切應(yīng)力的二次方呈正比(與流速的四次方近似相關(guān)), 而固結(jié)已久的淤泥沖刷率與相對(duì)剩余切應(yīng)力呈線性關(guān)系(與流速的二次方近似相關(guān)), 二者的沖刷常數(shù)相差一個(gè)數(shù)量級(jí)。

1.2 水壓對(duì)邊壁沖刷的影響

萬兆惠等(1990)通過有壓管道實(shí)驗(yàn)表明, 粗顆粒泥沙在較大水深條件下的起動(dòng)流速幾乎不受水壓的影響; 而黏性細(xì)顆粒泥沙的起動(dòng)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(duì)黏性泥沙起動(dòng)的影響, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明: 在有壓管道中, 泥沙淤積固結(jié)初期, 黏結(jié)力對(duì)黏性泥沙的起動(dòng)影響不顯著, 阻礙黏性泥沙起動(dòng)的主要因素為管道壓力, 在后期, 黏性泥沙黏結(jié)力增強(qiáng), 對(duì)其起動(dòng)的影響增大。在明渠大水深條件下, 相對(duì)水深變化小, 無法對(duì)黏性泥沙的起動(dòng)造成明顯影響, 然而在明渠水槽中, 相對(duì)水深成為影響?zhàn)ば阅嗌称饎?dòng)的主要因素。明渠中水深的增大改變了土體微團(tuán)所受薄膜水附加壓力, 起動(dòng)流速和起動(dòng)切應(yīng)力隨水深的增大而增大。

1.3 土體密度對(duì)邊壁沖刷的影響

干密度是黏性土顆粒在沉積過程中對(duì)外表現(xiàn)的宏觀結(jié)果, 易于量測(cè)獲得, 能綜合反映出土體在沉降密實(shí)過程中土顆粒間黏結(jié)力的變化。干密度的差異反映出土體固結(jié)度的不同, 土體的固結(jié)度在宏觀層面影響對(duì)外表現(xiàn)的抗沖刷能力, 在微觀層面上對(duì)應(yīng)不同的顆粒間黏結(jié)力。顆粒間黏結(jié)力的大小影響床面泥沙的起動(dòng)現(xiàn)象: 土體干密度較小時(shí), 土顆粒間黏結(jié)力小, 床面泥沙以單顆粒起動(dòng)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(fā)生壓縮, 黏結(jié)力的增大導(dǎo)致床面起動(dòng)由單顆粒向微團(tuán)發(fā)生過渡; 當(dāng)土體干密度(或土顆粒間黏結(jié)力)增大到一定程度時(shí), 床面泥沙起動(dòng)則完全表現(xiàn)出微團(tuán)的運(yùn)動(dòng)形式(舒彩文等, 2007)。

Krone(1999)通過對(duì)前人的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后, 認(rèn)為底床抗沖刷能力隨著床層結(jié)構(gòu)沖刷的進(jìn)展而增加, 底床沖刷率與土體密度呈線性關(guān)系, 當(dāng)顆粒結(jié)構(gòu)幾乎完全沖刷到密度較高的結(jié)構(gòu)時(shí), 該線性關(guān)系的斜率及截距均發(fā)生較大變化。舒彩文等(2007)在前人實(shí)驗(yàn)資料的基礎(chǔ)上研究了土體干容重及粒徑對(duì)臨界起動(dòng)切應(yīng)力的影響, 結(jié)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(guān), 與粒徑呈負(fù)相關(guān)關(guān)系; 對(duì)于淤泥, 土體沖刷率與干容重則可以量化為六次方的關(guān)系, 基于此發(fā)現(xiàn)建立了相關(guān)的泥沙臨界起動(dòng)切應(yīng)力公式(舒彩文等, 2007)。

1.4 沖刷系數(shù)與起動(dòng)切應(yīng)力的計(jì)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(shù)和臨界起動(dòng)切應(yīng)力密切相關(guān)。土體本身的特性在很大程度上影響沖刷系數(shù)和臨界起動(dòng)切應(yīng)力, 其中前者是決定土體沖刷率的最主要因素。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別選取不同地區(qū)及植被覆蓋條件的土樣, 通過實(shí)驗(yàn)得到了相應(yīng)的沖刷系數(shù)與土體臨界起動(dòng)切應(yīng)力的數(shù)量關(guān)系式, 可歸納為d=·c的形式, 其中、均為常數(shù)。Hanson等(2001)在進(jìn)行了83組水下射流實(shí)驗(yàn)之后, 得到土體沖刷系數(shù)與臨界起動(dòng)切應(yīng)力的定量關(guān)系式為d=2×10–7c–0.5; Wynn等(2004)針對(duì)位于美國(guó)弗吉尼亞州西南部的河岸土體進(jìn)行了142組實(shí)驗(yàn), 得到該地區(qū)受到植被覆蓋的土體沖刷系數(shù)與臨界起動(dòng)切應(yīng)力的定量關(guān)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(jìn)行58次現(xiàn)場(chǎng)淹沒射流實(shí)驗(yàn)后, 得到土體沖刷系數(shù)與臨界起動(dòng)切應(yīng)力的定量關(guān)系式為d=3.1× 10–6c–0.185; 宗全利等(2014)對(duì)荊江段河岸黏性土進(jìn)行沖刷實(shí)驗(yàn)后, 通過數(shù)據(jù)擬合得到該河段邊壁黏性土沖刷系數(shù)與臨界起動(dòng)切應(yīng)力關(guān)系式為d=7.677× 10–6c–1.949。

不難發(fā)現(xiàn), 黏性土體的沖刷系數(shù)與臨界起動(dòng)切應(yīng)力之間確實(shí)存在某種數(shù)量關(guān)系, 但不同的植被覆蓋條件與土體本身性質(zhì)決定了該關(guān)系式中、兩個(gè)常數(shù)的大小。含水率增大導(dǎo)致黏性土體塑性增強(qiáng), 土體沖刷難度增大, 這是Karmaker與宗全利等實(shí)驗(yàn)結(jié)果中沖刷系數(shù)差異大的原因之一。此外, 宗全利等(2014)實(shí)驗(yàn)土體黏粒含量c=24.6%, Hanson、Wynn、Karmaker等實(shí)驗(yàn)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(shù)越大。另外, 土樣來源及實(shí)驗(yàn)條件也會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果, Hanson、Wynn、Karmaker等實(shí)驗(yàn)均在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行, 但Hanson等實(shí)驗(yàn)關(guān)注床面土體, Wynn、Karmaker等實(shí)驗(yàn)針對(duì)河岸土體起動(dòng), 且水流對(duì)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(dǎo)致了關(guān)系式中的沖刷系數(shù)計(jì)算結(jié)果偏小; 宗全利等在實(shí)驗(yàn)前將黏性土與水?dāng)嚢杈鶆? 靜置一段時(shí)間使土體在自重作用下固結(jié), 以此得到實(shí)驗(yàn)土樣, 而Hanson、Wynn等實(shí)驗(yàn)結(jié)果均是針對(duì)原狀土體現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得, 不同的土樣獲取方式在一定程度上影響計(jì)算結(jié)果。

通過對(duì)土體沖刷及臨界起動(dòng)切應(yīng)力影響因素的回顧, 發(fā)現(xiàn)大部分研究集中于底床起動(dòng)和沖刷方面, 對(duì)于側(cè)向邊壁的土體起動(dòng)及沖刷研究較少, 且大部分研究對(duì)于流速、水壓、土體密度等因素對(duì)于土體沖刷速率的影響意見不一。鑒于側(cè)向邊壁土顆粒受力與底床土顆粒受力不盡相同(側(cè)壁顆粒由于重量分量的作用沿坡面向下滑動(dòng), 是邊壁坍塌的驅(qū)動(dòng)力之一; 而底床顆粒則受到沿水流方向的拖曳力驅(qū)動(dòng)作用(Aldefae, 2020), 建議后續(xù)對(duì)側(cè)向邊壁沖刷率的影響因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析, 提出相關(guān)沖刷率計(jì)算公式。此外, 應(yīng)盡量采用現(xiàn)場(chǎng)取樣及測(cè)試, 以便得到更加貼近實(shí)際的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2 滲流對(duì)邊壁侵蝕的影響

在較長(zhǎng)一段時(shí)間里, 滲流的隱蔽性和復(fù)雜性是研究其影響邊壁侵蝕的難點(diǎn)所在。Hagerty和Fox等列舉了一些原因: 滲流侵蝕是一種非常復(fù)雜的機(jī)理, 在一次暴雨后, 許多不同的條件都會(huì)造成嚴(yán)重的滲流侵蝕, 而在另一次暴雨之后, 滲流侵蝕的規(guī)?？梢院雎圆挥?jì)(Hagerty, 1991; Fox, 2010)。此外, 其他邊壁侵蝕的機(jī)制可能會(huì)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(cè)向流侵蝕造成。在近期的研究中, 與地下水流動(dòng)相關(guān)的孔隙水含量和壓力的變化被認(rèn)為是控制堤岸坍塌發(fā)生的最重要因素之一(Simon, 2000; Darby, 2007; Rinaldi, 2008, 2013)。然而迄今為止發(fā)展起來的數(shù)學(xué)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(xiàn)象缺乏局部的詳細(xì)數(shù)據(jù), 對(duì)于坡度和水流等相關(guān)條件的數(shù)值模擬存在一定困難。因此, 需要更多的現(xiàn)場(chǎng)或?qū)嶒?yàn)室研究來標(biāo)定和驗(yàn)證多種條件下與河岸侵蝕相關(guān)的動(dòng)態(tài)特征(Shu, 2019)。

2.1 滲流影響邊壁侵蝕的實(shí)驗(yàn)研究

不少學(xué)者通過滲漏儀實(shí)驗(yàn)(Fox, 2006, 2007; Lindow, 2009; Karmaker, 2013)揭示了滲流導(dǎo)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(shí)驗(yàn)?zāi)M滲流作用下的邊壁侵蝕過程見圖2。Fox等(2007)通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 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(zhì)吸力的降低和底切誘導(dǎo)彎矩共同作用的結(jié)果。邊壁坍塌后形成的岸趾對(duì)邊壁起到一定的保護(hù)作用, 阻礙了側(cè)向流的進(jìn)一步侵蝕和滲流的底切過程。只有側(cè)向流或人工將岸趾移除之后, 滲流底切才會(huì)繼續(xù)進(jìn)行, 這項(xiàng)工作表明了今后將河流侵蝕和滲流侵蝕同時(shí)進(jìn)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(guān)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(huì)反過來影響邊壁的穩(wěn)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(xiàn)(Fox, 2010)

上述實(shí)驗(yàn)研究大多采用二維滲漏儀進(jìn)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(nèi)部復(fù)雜的水流特性、泥沙運(yùn)動(dòng)的縱向坡度、孔隙水壓力和崩塌塊體效應(yīng)(Fox, 2007; Patsinghasanee, 2017)。此外, SLOPE/W數(shù)值模型預(yù)測(cè)的邊壁坍塌時(shí)間比在滲漏儀實(shí)驗(yàn)中觀察到的更早, 可能原因是土體受到了滲漏儀兩側(cè)邊壁的壓縮力(Fox, 2007)。Chu-Agor等(2008)在Fox等(2006)二維模型實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn), 使用三維模型進(jìn)行滲漏實(shí)驗(yàn), 在此基礎(chǔ)上建立了泥沙輸移函數(shù), 但仍存在滲流入口集中, 模型比尺較小, 無法真實(shí)還原土體應(yīng)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步研究。

2.2 滲流作用下的邊壁侵蝕機(jī)制

滲流可以通過三種不同的機(jī)制導(dǎo)致邊壁侵蝕:

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

(2) 滲流梯度力(Fox, 2014)。當(dāng)滲流壓力大于土的抗剪強(qiáng)度時(shí), 土體會(huì)發(fā)生拉伸或“突出”破壞, 而土體的抗剪強(qiáng)度因含水量增大而降低, 滲流力的增大和土體抗剪強(qiáng)度降低是實(shí)驗(yàn)中觀察到的拉伸或“突出”破壞的原因(Chu-Agor, 2008)?？紫端畨毫突|(zhì)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(dǎo)致孔隙水壓力相對(duì)較高, 不利于岸坡穩(wěn)定。因此, 堤岸坍塌大多發(fā)生在水位下降期(Deng, 2019)。相關(guān)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 增大滲透水頭, 黏性土可蝕性隨之增加, 土體內(nèi)濕潤(rùn)鋒推進(jìn)速度加快, 崩岸速度加快; 對(duì)于同一滲透水頭, 隨著岸高的降低, 崩岸泥沙質(zhì)量減少, 但滲流侵蝕對(duì)岸坡泥沙總量的貢獻(xiàn)率增加(Fox, 2006; Al-Madhhachi, 2011)。

(3) 滲流顆粒的移動(dòng)和底切(Fox, 2014)。滲流梯度力小于土塊的初始抗力時(shí), 顆粒移動(dòng)(即滲透侵蝕)和土體下切導(dǎo)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(cè)向流共同作用下的邊壁侵蝕機(jī)制

滲流與其他導(dǎo)致邊壁侵蝕(即河流侵蝕、圍壓和植被)的因子間復(fù)雜相互作用, 使得人們很難充分了解滲流對(duì)邊壁侵蝕的作用(Fox, 2006)。復(fù)雜的原因主要在于難以量化影響崩岸這一現(xiàn)象的土壤、水文和巖土機(jī)制, 以及理解它們之間的相互作用。相關(guān)研究表明, 滲流本身似乎不是造成侵蝕的主要因素。然而, 當(dāng)有其他因素(如降雨)引起侵蝕時(shí), 滲流會(huì)影響侵蝕速率。滲流對(duì)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(guān)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(xué)者研究了側(cè)向流對(duì)河岸邊壁侵蝕的影響。Samadi等(2013)采用人工開挖的方式代替?zhèn)认蛄鬟M(jìn)行實(shí)驗(yàn), 并將數(shù)值模型得到的應(yīng)力和形變分布與實(shí)驗(yàn)室觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比較, 研究發(fā)現(xiàn)邊壁發(fā)生傾倒破壞的可能性大于剪切破壞。Patsinghasanee等(2017)通過對(duì)泰國(guó)U-Tapao河岸的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值模擬, 對(duì)懸臂破壞的機(jī)理進(jìn)行了分析研究, 開發(fā)了可以較準(zhǔn)確地模擬邊壁破壞機(jī)制與懸臂形狀的數(shù)值模型。Thi等(2019)關(guān)注側(cè)向流的漲落速率與邊壁土體性質(zhì)的影響, 研究發(fā)現(xiàn)水位不變時(shí), 土體密度更大、黏聚力更高的邊壁容易出現(xiàn)更大更深的崩塌破壞, 水位變化率低時(shí), 側(cè)向流的入滲成為邊壁侵蝕的主要因素, 而水位變化率高時(shí), 邊壁侵蝕以懸臂的傾倒破壞為主。Aldefae等(2021)發(fā)現(xiàn)邊壁土體侵蝕率隨著側(cè)向流流速的下降而降低。

Van Eerdt(1985)和Gabet(1998)對(duì)潮汐環(huán)境中的崩岸進(jìn)行了開創(chuàng)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(wěn)定性。Ginsberg等(1990)證明了崩岸是如何導(dǎo)致侵蝕尖頂形狀的發(fā)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(guān)注潮溝邊壁高度與近岸水深的作用, 結(jié)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(duì)潮溝邊壁破壞面的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)一步分析后發(fā)現(xiàn)破壞面角與岸坡后退距離呈線性負(fù)相關(guān)。

前人對(duì)于邊壁侵蝕的研究多傾向于孤立地看待單個(gè)過程, 但邊壁侵蝕是滲流、側(cè)向流等多因素相互作用的綜合結(jié)果(Wolman, 1959; Thorne, 1982; Lawler, 1997)。簡(jiǎn)而言之, 孤立地看待側(cè)向流或滲流等因素在邊壁侵蝕中的作用, 會(huì)導(dǎo)致對(duì)相關(guān)過程的預(yù)測(cè)出現(xiàn)偏差(Darby, 2007)。因此, 多位學(xué)者提出建議, 今后的研究應(yīng)嘗試將滲流侵蝕與側(cè)向流侵蝕相結(jié)合, 對(duì)崩岸機(jī)理的認(rèn)識(shí)應(yīng)涵蓋側(cè)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(duì)滲流與側(cè)向流共同作用下邊壁侵蝕機(jī)制的研究較少, 部分學(xué)者通過對(duì)比研究發(fā)現(xiàn), 在只有側(cè)向流作用于邊壁的情況下, 土體內(nèi)孔隙水壓力從試驗(yàn)開始到結(jié)束一直保持穩(wěn)定(Ning, 2011)。側(cè)向流一方面沖刷岸底促進(jìn)懸臂的形成, 加速邊壁坍塌的過程; 另一方面通過對(duì)邊壁由外向內(nèi)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(qiáng)了邊壁土體的抗滑移能力(葉威等, 2019), 水流持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短影響沖刷崩塌過程。在側(cè)向流和滲流的共同作用下, 土體內(nèi)孔隙水壓力開始時(shí)增長(zhǎng)較快, 然后增長(zhǎng)速度逐漸減小, 最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。相比于只存在側(cè)向流的情況, 兩種因素共同作用下邊壁崩塌更容易發(fā)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(fā)生的時(shí)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(tǒng)擁有相似之處, 二者均具有復(fù)雜的樹枝網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)及蜿蜒曲流的特性(Coco, 2013), 在潮溝系統(tǒng)的研究中借鑒河岸侵蝕的方法基本可行, 但需要考慮兩個(gè)系統(tǒng)的差異所帶來的影響。主要的區(qū)別在于二者水流驅(qū)動(dòng)力的不同: 潮溝內(nèi)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(shí)間尺度, 在潮溝內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng), 流速變化劇烈, 其最大流速時(shí)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(jié)為時(shí)間尺度, 單向流態(tài)穩(wěn)定, 其最大流速與高水位同時(shí)出現(xiàn)(Bayliss-Smith, 1979)。Xin等(2011)的數(shù)值模型研究強(qiáng)調(diào)了潮灘水文研究的復(fù)雜機(jī)制, 發(fā)現(xiàn)在潮周期內(nèi), 滲流存在明顯的不對(duì)稱性, 在由海向陸的方向上潮灘土體內(nèi)孔隙水循環(huán)的特征時(shí)間尺度逐漸減少多個(gè)數(shù)量級(jí)。其研究表明滲流過程在一定的空間尺度下對(duì)于潮溝形態(tài)的演變具有重要作用。往復(fù)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(shí)不同導(dǎo)致土體強(qiáng)度與破壞頻率的空間差異(D’Alpaos, 2006)。Simon等(2000)認(rèn)為邊壁坍塌主要由洪水衰退期的靜水壓力迅速喪失導(dǎo)致。與河流環(huán)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(qiáng)等, 2013; 鄧珊珊等, 2020), 潮汐環(huán)境中潮溝邊壁土體受往復(fù)流影響而導(dǎo)致的各項(xiàng)異性主要表現(xiàn)在垂直于海岸的方向。風(fēng)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(wěn)定性。因此, 漲落潮的頻繁出現(xiàn)對(duì)潮溝邊壁侵蝕產(chǎn)生顯著的影響。

4 結(jié)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(zhì)數(shù)據(jù), 需要改進(jìn)相關(guān)侵蝕特性與土壤性質(zhì)的測(cè)量方法。前人研究表明, 底床泥沙沖刷速率與流速正相關(guān), 而與靜水壓力、土體干密度負(fù)相關(guān), 但就某一種因素對(duì)沖刷率的影響程度意見尚未統(tǒng)一, 且大多數(shù)研究針對(duì)底床沖刷, 較少研究關(guān)注邊壁的側(cè)向沖刷過程, 因此邊壁沖刷侵蝕速率的量測(cè)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(gè)研究難點(diǎn)是各種機(jī)制之間的相互作用。例如, 前人大多研究側(cè)向流沖刷條件下邊壁的侵蝕坍塌, 而對(duì)滲流作用以及滲流與側(cè)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(dǎo)致邊壁侵蝕破壞的重要因素, 可以通過三種不同的機(jī)制導(dǎo)致邊壁侵蝕: (1) 增加土壤孔隙水壓力, 降低土體的抗剪強(qiáng)度; (2) 滲流梯度力; (3) 滲流顆粒的移動(dòng)和底切。滲流與側(cè)向流不同動(dòng)力作用下, 邊壁侵蝕的差異性和相似性, 以及兩種動(dòng)力共同作用下的侵蝕機(jī)制仍待進(jìn)一步探究。

邊壁侵蝕的實(shí)驗(yàn)研究較多針對(duì)河流環(huán)境下尺度較大的分層邊壁, 且多使用降比尺的模型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探索, 而對(duì)受潮流影響的尺度相對(duì)小的潮溝邊壁關(guān)注不足。雖然二者的研究方法可以相互借鑒, 但潮溝環(huán)境中往復(fù)流的水力特性及細(xì)顆粒的泥沙性質(zhì)帶來的影響仍不可忽略。針對(duì)潮流、滲流對(duì)泥灘潮溝等海岸環(huán)境的影響, 建議從以下方面進(jìn)行探究: (1) 潮流與滲流不同動(dòng)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(jī)制。應(yīng)采用水槽實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬手段, 考慮水流和土體性質(zhì)的影響, 優(yōu)化邊壁沖刷速率經(jīng)驗(yàn)公式, 基于實(shí)驗(yàn)建立滲流水力坡度與邊壁侵蝕速率的經(jīng)驗(yàn)公式, 分析邊壁侵蝕類型及破壞頻率和距離等指標(biāo), 明確侵蝕過程控制因素及貢獻(xiàn)率。(3) 考慮潮汐環(huán)境中往復(fù)流的水動(dòng)力特性及細(xì)顆粒的泥沙性質(zhì)對(duì)潮溝邊壁侵蝕的影響。(4) 植被根系較高的抗拉強(qiáng)度與吸水的特性對(duì)邊壁穩(wěn)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(cè)向流外, 植被、土壤性質(zhì)、波浪、底棲生物等因素均對(duì)潮溝邊壁穩(wěn)定性造成不同程度的影響, 對(duì)多因子驅(qū)動(dòng)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(dòng)力地貌模型, 從本質(zhì)上闡明潮溝崩岸的力學(xué)機(jī)理與周期性的侵蝕機(jī)制, 對(duì)于保障海岸工程安全, 以及潮灘資源的科學(xué)開發(fā)、利用和保護(hù)具有現(xiàn)實(shí)意義, 對(duì)促進(jìn)多學(xué)科交叉具有重要的理論和實(shí)際價(jià)值。

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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(guó)家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目, 51925905號(hào)。龔 政, 博士生導(dǎo)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