河道內(nèi)水位變化對防洪工程岸坡穩(wěn)定性的影響

祝 靜

(江西省修江水利電力勘察設計有限責任公司，南昌 330000)

0 引 言

江西省重點中小河流治理項目修水縣黃港鎮(zhèn)防洪工程位于黃港鎮(zhèn)集鎮(zhèn)修河流域，東臨靖安縣中源鄉(xiāng)，南接奉新縣澡溪鄉(xiāng)，西南鄰上奉鎮(zhèn)，北接黃沙鎮(zhèn)黃坳鄉(xiāng)，防洪工程與修水縣城相距35km。防洪工程堤防及建筑物均為5級，根據(jù)《水利水電工程施工組織設計規(guī)范》，防洪工程導流臨時建筑物應為5級，土石圍堰導流標準為洪水重現(xiàn)期10-5a，為此，本防洪工程按照5a一遇洪水重現(xiàn)期設計。

1 河岸土體特征

黃港鎮(zhèn)防洪工程所在修河段屬于典型沖積型河段，以該防洪工程為界，可以將修河段劃分為上下兩段，上段為微彎分汊型河道，而下段位于沖積平原。河段地層下部非黏性土層主要分布有粒徑0.06-0.15mm細砂，地層上部黏性土層則主要為中值粒徑在0.005-0.05mm之間的低液限黏土和粉土、壤土。部分斷面河段地層上部黏性土層中又分布有粉土、黏土交錯的分層結構，但粉土層厚度通常不大，僅占黏土層總厚度的2-4%。其余斷面河段黏性土體結構均勻。

黃港鎮(zhèn)防洪工程所在修河段河岸上下層土體組成不同，力學特征也存在較大差異。河岸下層土體呈現(xiàn)弱抗沖性，起動流速在0.5m/s以下；上層土體則表現(xiàn)為較強的抗沖性特征，起動拖曳力取值在0.2-0.5N/m2之間。河岸穩(wěn)定性主要受到由內(nèi)摩擦角和黏聚力等指標所表示的上部黏性土體抗剪強度影響。結合剪切試驗可以看出，該防洪工程所在河段黏性土體內(nèi)摩擦角位于15-32°之間，黏聚力則處于11.5-27.4kN/m2之間；且含水率是影響以上兩個參數(shù)取值的關鍵：當含水率增大后，河道土體黏聚力先增大后減??；內(nèi)摩擦角則持續(xù)減小?？梢?，該河段黏性土體抗剪強度在水文周期內(nèi)隨含水率變化而變化，且在枯水期內(nèi)取較大值，在退水期和洪峰期內(nèi)取較小值[1]。

該防洪工程二元結構河岸下部土層抗沖性差，水流淘蝕嚴重，上部黏土層在顆粒黏結力的作用下抗沖性較強，河岸下部坡腳遭受嚴重沖刷后，上部土層在重力等的影響下極易發(fā)生崩塌，穩(wěn)定性不強。河岸上部黏性土體崩塌形式主要受水流沖刷程度、土層厚度、河岸形態(tài)等的影響。該河段近年來崩塌現(xiàn)象愈加嚴重，根據(jù)統(tǒng)計資料，自2010年以來近岸河床持續(xù)沖刷下切，深槽持續(xù)向右移動，河岸高度也不斷增大，導致岸坡日漸陡峭，穩(wěn)定性降低。2020年比2010年河岸累計崩退寬度增大160m，其中2010-2017年崩退寬度平均為19.8m，最大崩退寬度40m的情況出現(xiàn)在2015年；2018-2020年間則無明顯崩塌發(fā)生。根據(jù)調(diào)查結果不難發(fā)現(xiàn)，該河段斷面崩塌后岸坡表現(xiàn)為折線形，河岸上無垂直情況，下部緩和，上部黏性土層厚度大。

2 典型岸坡穩(wěn)定性計算

2.1 參數(shù)選取

進行河道內(nèi)水位變化對河岸穩(wěn)定性影響分析所需參數(shù)主要包括岸坡形態(tài)、岸坡土體力學參數(shù)等，其中岸坡形態(tài)主要根據(jù)實測斷面地形狀況而定；而岸坡土體力學參數(shù)主要選自土工試驗資料，具體見表1。文章選取防洪工程以上19m處右側岸坡和防洪工程以下23.5m處左側岸坡進行典型岸坡穩(wěn)定性分析。右側岸坡斷面形態(tài)呈“W”形，河槽平均寬度1.5-1.7km；右側岸坡斷面整體較高，黏土層頂部高程達到32.4m，河槽高程16.5m，斷面形態(tài)呈“V”形，河槽平均寬度1.3m。

表1 防洪工程所在河段岸坡土體物理力學參數(shù)

以2020年實測防洪工程以上19m處右側岸坡典型斷面地形為例進行岸坡形態(tài)參數(shù)確定：該斷面坡頂?shù)倪x擇較為容易，按照黏土層頂面取值；而坡腳因處于枯水位以下，存在一定的觀測難度，文章根據(jù)枯水位最小值和近岸河槽形態(tài)進行坡腳推測?？菟凰罹蹈鶕?jù)枯水位以下河槽面積和水面寬度比確定，枯水位降低平均水深后與河岸的交點即為坡腳。為簡化分析過程，暫不考慮坡腳沖刷細節(jié)，僅將坡腳橫向沖刷寬度暫定為5.0m，以確定岸坡沖刷高度。

2.2 實測水位下岸坡穩(wěn)定性計算

河道水位主要受降水等過程的影響較大，利用河段兩個水文站實測水位過程插值便可求得斷面1水位過程，而斷面2水位則直接采用所設置的X水位站實測資料。根據(jù)實測資料，河道內(nèi)水位于2020年3月底就從18.65m開始上漲，到5月底進入洪峰期，最高水位達到28.96m，9月初-10月底，水位迅速回落，到12月底退水期結束后水位降至19.45m。

河道斷面1和斷面2在2020年漲水前岸坡形態(tài)已知，結合斷面河道內(nèi)水位實際變化，應用一維非穩(wěn)定滲流模型進行土體潛水位變化過程的確定，再借助河岸穩(wěn)定分析模型進行岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)變動趨勢測算[2]。根據(jù)滲流結果，滑動土體受河道水位影響較大，土體結構內(nèi)部潛水位也存在較快變化，文章主要采用潛水位變動均值。

圖1 2020年右側岸坡斷面1穩(wěn)定性分析

圖2 2020年左側岸坡斷面2穩(wěn)定性分析

不同時期河道斷面岸坡潛水位變化和岸坡穩(wěn)定性系數(shù)取值不同，分期分析如下：

1)漲水期：隨著河道內(nèi)水位的上漲，側向水壓力增大，潛水位逐漸升高，但是仍未達到較高水平，導致孔隙水壓力小，基質(zhì)吸力大。故這一階段岸坡穩(wěn)定性有保證，發(fā)生崩塌的可能性不大，斷面1和斷面2處岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)均值分別為1.27和3.68。

2)洪峰期：河道內(nèi)水位漲落頻繁，側向水壓力也隨之變動，潛水位繼續(xù)升高，且已經(jīng)達到較高水平，導致孔隙水壓力增大，基質(zhì)吸力減小。整體上看，這一階段岸坡穩(wěn)定性與漲水期相比略有下降，兩個斷面岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)均值分別為1.07和2.71。與此同時，岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)表現(xiàn)為高低波動態(tài)勢，尤其在河道內(nèi)水位驟降的過程中，岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)隨之降低，其中斷面1岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)降至1.0左右，意味著河岸已經(jīng)處于崩塌狀態(tài)。

3)退水期：潛水位降速下降，但是仍滯后于河道內(nèi)水位，導致孔隙水壓力仍較大，基質(zhì)吸力??；河道側向水壓力消失后使得岸坡穩(wěn)定性持續(xù)降低，兩個斷面的岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)分別降至0.88和1.56。由此可以斷定，在退水期內(nèi)斷面1岸坡已經(jīng)發(fā)生崩塌，而斷面2岸坡崩塌的可能性較小。通過分析原因發(fā)現(xiàn)，此處河岸土體具有較大的滲透系數(shù)，滑動土體內(nèi)潛水位表現(xiàn)出較大的變化，從而使河岸岸坡穩(wěn)定性增強。

以上分析表明，在坡腳沖刷寬度和岸坡形態(tài)不變時，該防洪工程所在河道典型斷面河岸在退水期內(nèi)安全系數(shù)取值最小，發(fā)生崩塌的可能性非常大；而在洪峰期內(nèi)，若水位快速下降，則也存在崩塌的可能。斷面1岸坡在洪水期間水位驟降，岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)接近臨界值1.0，進入退水期后該系數(shù)降至1.0以下，則也存在崩塌的可能。斷面2岸坡穩(wěn)定性在洪峰期和退水期內(nèi)均下降，但是取值并未降至1.0以下，故發(fā)生崩塌的可能性不大。根據(jù)該河段歷年汛后實測資料，斷面1在2020水文年內(nèi)崩塌18.8m，而斷面2并無明顯崩塌跡象，故文章計算結果與河道運行實際較為相符。

值得注意的是，文章分析過程僅考慮了岸坡穩(wěn)定性受河道內(nèi)水位變化的影響，而并未將真實的坡腳沖刷過程考慮進去，而河道運行的實際情況是，洪峰期內(nèi)坡腳所遭受的水流沖刷十分劇烈，引發(fā)岸坡崩塌的可能性較大。

3 河道內(nèi)水位變化速率對崩岸的影響

岸坡穩(wěn)定性還受河道內(nèi)水位變化速率的影響。河道內(nèi)水位變化速率不同時，潛水位將受到影響，河岸滑動土體物理力學性質(zhì)及受力狀況也將發(fā)生改變，進而影響河岸穩(wěn)定[3]。以該防洪工程所在河道斷面1岸坡為例，通過計算岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)在漲水、退水等不同水位過程下的變動，分析水位升降速率對岸坡穩(wěn)定的可能影響。

從圖3(a)和(b)可以看出，在河道內(nèi)漲水速率及退水速率不同的情況下岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)表現(xiàn)為不同的調(diào)整過程。由圖可知，兩個斷面岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)的最大值均出現(xiàn)在漲水期最高水位之前。當河道內(nèi)漲水速率上升時，岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)隨之增大；而當退水速率上升時，岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)隨之減小。無論是河道漲水減緩還是退水過程加快，均不利于岸坡穩(wěn)定，且河岸岸坡在退水階段穩(wěn)定性較低，發(fā)生崩岸的可能性大。

(a)漲水速率不同的岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)

4 結 論

分析結果表明，該防洪工程所在河道內(nèi)水位變化對岸坡穩(wěn)定存在較大影響，且在岸坡形態(tài)不變的情況下，漲水期內(nèi)岸坡穩(wěn)定性較高，洪峰期內(nèi)次之，退水期內(nèi)最差。2020年實測河道水位的基礎上所得到的斷面1，即防洪工程以上19m處右側岸坡在退水期內(nèi)穩(wěn)定安全系數(shù)值在1.0以下，說明該斷面岸坡實際已發(fā)生崩塌；而斷面2，即防洪工程以下23.5m處左側岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)在1.0以上，岸坡具備一定穩(wěn)定性。以上理論分析結果與河岸運行實際基本一致。此外，防洪工程所在河道內(nèi)水位的升降速率也對岸坡穩(wěn)定存在一定影響，分析結果顯示，河道內(nèi)漲水速率的下降及退水速率的升高均會使岸坡穩(wěn)定性降低。文章的分析結果可為修水縣黃港鎮(zhèn)防洪工程設計提供借鑒指導，以保證防洪工程攔洪調(diào)蓄作用和社會效益的順利發(fā)揮。