滲流對潮溝溝壁崩塌影響的三維物理模型試驗研究

龔 政，唐 帥，趙 堃，張凱麗

(河海大學(xué)江蘇省海岸海洋資源開發(fā)與環(huán)境安全重點實驗室，江蘇 南京 210098)

潮溝是一種發(fā)育在潮間帶、由海洋動力作用形成的潮汐通道[1-2]，泥灘潮溝因不斷經(jīng)歷漲、落潮交替過程，溝內(nèi)水位變幅大、頻次高，且溝壁的物質(zhì)組成多為無黏性粉砂[3]，易形成滲流。受潮汐作用和沉積物性質(zhì)影響，潮溝頻繁遷移、擺動，引起曲流和溯源侵蝕，嚴(yán)重威脅沿海堤閘、海上風(fēng)電等海岸工程建設(shè)安全[4]，已成為學(xué)術(shù)界和工程界的前沿和焦點問題[5-8]。因此，亟需耦合海岸動力學(xué)與土力學(xué)過程，揭示滲流對潮溝溝壁崩塌的作用機(jī)理[9]。

對于溝壁崩塌的成因，目前國內(nèi)外學(xué)者普遍接受的觀點認(rèn)為，當(dāng)作用于潛在破壞面上的驅(qū)動力(力矩)克服抵抗力(力矩)時，發(fā)生溝壁崩塌過程[10-14]。在研究潮溝溝壁崩塌時，國內(nèi)外學(xué)者多采用現(xiàn)場觀測[15-18]、數(shù)值模擬和物理模型等手段[19-24]。近年來有學(xué)者發(fā)現(xiàn)水位變化引起的滲流是溝壁崩塌的重要誘因，并據(jù)此建立了二維斷面模型，探究了溝壁高度、剖面形態(tài)和近岸水動力過程等因素[22-24]的影響。然而，上述研究往往對溝壁崩塌過程進(jìn)行簡化，且不難發(fā)現(xiàn)，這些研究更多是對大江大河的溝壁崩塌機(jī)理進(jìn)行探索，很少關(guān)注海岸環(huán)境中滲流對溝壁崩塌的影響機(jī)制。

本文以江蘇中部沿海泥灘潮溝為研究對象，開展?jié)B流作用下溝壁崩塌動力機(jī)制研究。由于該區(qū)域潮溝分布廣、形態(tài)差異大、動力過程復(fù)雜，以往采用的二維斷面模型(溝壁寬度較小模型)忽略了滲流沿潮溝寬度方向的差異，無法準(zhǔn)確復(fù)演溝壁崩塌過程。因此，本研究建立三維物理模型，重點關(guān)注物理模型設(shè)計、試驗過程分析及溝壁坍塌機(jī)理探究，并提供溝壁崩塌過程的力學(xué)解釋。

1 研究區(qū)域概況

江蘇海岸帶地處中國沿海中部，北起連云港繡針河口，南抵長江口北岸連興港，海岸線全長為954 km，粉砂淤泥質(zhì)海岸占比90%以上。本文以江蘇中部沿海川東港南側(cè)潮灘潮溝系統(tǒng)為研究對象(圖1(a)，圖片來源于美國地質(zhì)勘探局，2022年6月)，該區(qū)域潮間帶寬度為7～10 km[25]，平均坡度為0.1%～1%[26]。潮灘沉積物呈現(xiàn)明顯的分帶性特征，由陸向海依次為潮上帶草灘、高潮位泥灘、中潮位泥砂混合灘和低潮位粉砂細(xì)砂灘[27]。研究區(qū)海岸屬于中等潮差海岸，潮汐類型為不規(guī)則半日潮，平均潮差為3.68 m，最大潮差約4 m[28]。近岸潮流為往復(fù)流且平行于海岸，漲落潮歷時比值約為0.73，普遍呈現(xiàn)漲潮歷時小于落潮歷時；漲落潮流速比值約為1.4，普遍呈現(xiàn)漲潮流速大于落潮流速。研究區(qū)波浪作用較弱，冬季有效波高較大但小于1 m，其他季節(jié)有效波高均小于0.5 m[29]。研究區(qū)域內(nèi)潮溝廣泛發(fā)育，落潮期間潮溝溝壁崩塌過程頻繁發(fā)生(圖1(b))。

圖1 研究區(qū)域位置和潮溝溝壁崩塌觀測Fig.1 Location of study area and on-site bank collapse observation

2 物理模型設(shè)計及試驗流程

本試驗?zāi)M恒定滲流水頭作用下的潮溝溝壁崩塌過程。雖然真實條件下溝壁崩塌過程受滲流與側(cè)向流共同作用，但在落潮末期側(cè)向流較淺且多發(fā)生在潮溝中間低洼處，潮溝兩側(cè)溝壁可認(rèn)為由滲流主導(dǎo)(圖1(b))。

2.1 試驗土體性質(zhì)

(1) 現(xiàn)場泥沙特性分析。將潮溝溝壁表層、中層和底層土壤進(jìn)行取樣并等量摻混，測得土體含水率ω=29.06%，土體的平均密度ρs=1.98 g/cm3。

表1 試驗土體參數(shù)

2.2 試驗裝置

試驗裝置由3部分組成：溝壁塑造區(qū)、滲流模擬區(qū)及水循環(huán)系統(tǒng)，布置如圖2所示。溝壁塑造區(qū)長3.2 m，寬1.2 m，高1.0 m；滲流模擬區(qū)長3.0 m，寬0.2 m，高1.0 m。溝壁塑造區(qū)正中間設(shè)置混凝土隔墻，兩側(cè)為有機(jī)玻璃，緊貼有機(jī)玻璃內(nèi)壁為混凝土墻，3塊墻體分隔出2個相同區(qū)域，可進(jìn)行對照試驗。溝壁塑造區(qū)后方為滲流模擬區(qū)，由有機(jī)玻璃板和玻璃水箱組成。為模擬滲流，有機(jī)玻璃板上設(shè)置均勻圓形孔洞，孔洞直徑為0.8 cm，相鄰孔洞圓心距為2 cm。玻璃水箱中間設(shè)置隔板，隔板兩側(cè)分別連接水循環(huán)系統(tǒng)來控制滲流水位。

傳感器位置如圖2(b)，每次試驗左右兩邊為2組試驗，每組試驗各選取1個斷面放置4個基質(zhì)吸力傳感器、1個土壓力傳感器和1個水分傳感器，每組試驗斷面位置均在重塑岸壁的正中間位置，土體寬度為140 cm，傳感器斷面位置為距離左右兩邊70 cm處，斷面位置固定，位置如圖2(a)所示。

圖2 物理模型試驗裝置和傳感器位置Fig.2 Physical model experiment device and the position of sensors

2.3 試驗流程

試驗具體流程可分為以下4個步驟：

(1) 固定溝壁形態(tài)。試驗開始前，在溝壁塑造區(qū)前固定木板，以實現(xiàn)溝壁各土層的緊密壓實。將塑料保鮮膜覆蓋在木板表面來減小土體和木板間的摩擦力，確保移除木板后溝壁的完整性。為減小溝壁土體與混凝土墻之間的夾持力，在其接觸的前半部分插入薄板，并涂抹凡士林，溝壁建造完成后抽出。

(2) 堆土重塑溝壁。溝壁的重塑使用現(xiàn)場收集的潮溝邊壁土體通過構(gòu)建一系列15 cm高土層逐步完成。對每一土層填充420 kg土體以達(dá)到預(yù)設(shè)密度(2.0 g/cm3)。土層的壓縮采用表面積分別為100 cm2和300 cm2的手錘進(jìn)行。當(dāng)土層壓縮完成后，放置12 h，使其在自重下充分排水固結(jié)。當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)的溝壁高度，將土體放置48 h。

(3) 繪制網(wǎng)格線。溝壁重塑完成后移除木板，在溝壁表面繪制一系列白色正交網(wǎng)格線，用于量化溝壁整體后退距離和局部破壞。網(wǎng)格線的橫向和縱向間距均為20 cm。

(4) 數(shù)據(jù)采集及處理。堆土過程中埋設(shè)基質(zhì)吸力、土壓力和土壤水分傳感器，用來測量溝壁崩塌過程中孔隙水壓力、總應(yīng)力和含水量的實時變化。分別在溝壁前方和上方安裝攝像機(jī)記錄試驗過程中土體的變形和破壞，并從拍攝影像中提取圖片計算溝壁頂部后退距離以及溝壁的后退速率[24]。

3 試驗結(jié)果

3.1 溝壁崩塌模式差異

為探究潮溝溝壁內(nèi)部滲流對溝壁崩塌的影響，共進(jìn)行4組試驗。每組試驗改變滲流水頭高度，并控制其他參數(shù)不變。圖3給出了試驗期間溝壁演變過程，其中溝壁高度均為60 cm，4組試驗的滲流水頭高度分別為15、30、45和60 cm。圖3(d)中滲流水位與溝壁高度相近，導(dǎo)致溝壁背部土體因水流漫灘被卷入滲流水箱。

由此推論，對任何一個違法亂紀(jì)者而言，查處真的是一種愛護(hù)。從這個角度講，被查處者不論受到的是處分或者處罰，都要有這種清醒認(rèn)識，做到口無怨言、心存感激。這樣，才有助于痛改前非，重新做人。

圖3 滲流作用下的潮溝溝壁崩塌過程Fig.3 Bank collapse process of tidal channel in response to seepage

試驗一中溝壁高度設(shè)為60 cm，滲流水頭為15 cm，試驗時長為6 h。定義試驗開始時間為滲流水頭達(dá)到預(yù)設(shè)高度。試驗進(jìn)行到62 min時，溝壁下部觀察到水流出滲，隨即發(fā)生小范圍的底切破壞；在隨后30 min內(nèi)，上述過程持續(xù)發(fā)生，底切破壞連結(jié)成片，形成懸臂狀的溝壁結(jié)構(gòu)；試驗進(jìn)行到155 min時，懸臂頂部出現(xiàn)大規(guī)模的拉裂縫，隨后裂縫向下延伸，溝壁中部發(fā)生懸臂破壞，見圖3(a)、圖3(b)，在剩余時間內(nèi)沒有觀察到其他破壞。

試驗二中溝壁高度設(shè)為60 cm，滲流水頭為30 cm，試驗時長為6 h。試驗進(jìn)行到36 min時，溝壁底部觀察到顯著的底切侵蝕，具體位置為中部和左右2個坡腳，2 min后，上述過程連結(jié)成片，形成懸臂狀的溝壁結(jié)構(gòu)；在隨后13 min內(nèi)，溝壁底部侵蝕加劇，導(dǎo)致頂部出現(xiàn)橫向張裂縫；隨著溝壁頂部裂縫的發(fā)育，試驗進(jìn)行到51 min時，發(fā)生懸臂破壞，如圖3(a)、圖3(b)。在剩余時間內(nèi)沒有觀察到其他破壞。

試驗三中溝壁高度設(shè)為60 cm，滲流水頭為45 cm，試驗時長為3 h。試驗進(jìn)行到26 min時，溝壁底部觀察到滲水，且頂部形成橫向裂縫，隨著溝壁頂部裂縫的發(fā)育，溝壁底部滲流侵蝕加?。徊煌谇?組試驗，底切侵蝕并沒有形成懸臂狀的溝壁結(jié)構(gòu)，卻使得溝壁整體向前推移；試驗進(jìn)行到30 min時，溝壁頂部拉裂縫寬度達(dá)到峰值，溝壁右部發(fā)生張拉破壞，2 min后左部也隨之發(fā)生張拉破壞，如圖3(c)、圖3(d)。在剩余時間內(nèi)沒有觀察到其他破壞。

試驗四中溝壁高度設(shè)為60 cm，滲流水頭為60 cm，試驗時長為3 h。試驗進(jìn)行到17 min時，溝壁底部出現(xiàn)滲水，同時頂部形成了橫向裂縫。與第3組試驗類似，沒有觀察到懸臂結(jié)構(gòu)的溝壁形態(tài)，底切侵蝕將溝壁整體向前推移；隨著溝壁頂部裂縫的發(fā)育，裂縫前土體在滲流作用下不斷向前推移，如圖3(c)、圖3(d)。在剩余時間內(nèi)沒有觀察到其他破壞。

基于上述溝壁崩塌過程，不難發(fā)現(xiàn)存在2種破壞模式。對于試驗一和試驗二，由于滲流水頭較低，溝壁發(fā)生以底切破壞為顯著特征的滲流侵蝕，進(jìn)而形成懸臂狀的溝壁結(jié)構(gòu)，最終發(fā)生懸臂破壞；試驗三和試驗四由于滲流水頭較高，在滲流力作用下溝壁整體向前推移，溝壁頂部出現(xiàn)張裂縫，最終發(fā)生張拉破壞。

3.2 溝壁線變化過程及溝壁后退速率

圖4(a)為溝壁崩塌引起的溝壁線變化，其中，試驗一、試驗二和試驗三溝壁線整體呈拱形，溝壁中部坍塌較多，兩側(cè)較少；試驗四因滲流力作用較為均勻，溝壁線呈現(xiàn)整體后退。4組試驗溝壁線后退距離峰值均不超過40 cm，試驗一、試驗二和試驗四后退距離峰值均在38 cm左右。溝壁頂部后退距離均值與破壞模式相關(guān)，相較于張拉破壞，發(fā)生懸臂破壞時后退距離均值較大。相同破壞模式下，滲流水頭較低時后退距離均值較小。

圖4 溝壁崩塌引起的溝壁線變化和溝壁后退速率Fig.4 Bank line evolution and bank retreat rate due to bank collapse events

溝壁后退速率可由單位時間內(nèi)溝壁頂部的后退距離表示，故采用公式：

(1)

表2 溝壁后退速率

式中：E為溝壁后退速率，m/s；S為溝壁頂部坍塌面積，m2；a為頂部溝壁線的初始長度，m；t為滲流的作用時長[24]。溝壁后退速率的計算結(jié)果見表2。

圖4(b)為溝壁后退速率與滲流水頭的關(guān)系，可見，滲流水頭與溝壁后退速率均值存在顯著的正相關(guān)關(guān)系(R2=0.77)。在擬合曲線時發(fā)現(xiàn)，使用溝壁后退距離峰值及中位值計算所得的后退速率，與滲流水頭仍存在顯著正相關(guān)關(guān)系(R2=0.88、R2=0.81)。

3.3 土體參數(shù)變化及溝壁崩塌力學(xué)機(jī)理

溝壁崩塌過程中土體參數(shù)變化如圖5所示，圖中箭頭表示溝壁崩塌發(fā)生。

(1) 試驗一和試驗二。在試驗初期，隨著滲流對溝壁作用時長的增加，土壓力傳感器數(shù)值穩(wěn)步上升，接近峰值時溝壁發(fā)生底切侵蝕且坡腳土被帶出，達(dá)到峰值后溝壁上部出現(xiàn)裂縫，應(yīng)力釋放，溝壁有坍塌趨勢。試驗一因滲流水頭低，滲流力弱，裂縫發(fā)育慢，滲流力作用一段時間后裂縫拉大，溝壁最終發(fā)生懸臂破壞。相較于試驗一，試驗二中滲流水頭高，裂縫發(fā)育快，在應(yīng)力釋放后裂縫隨即拉大，進(jìn)而發(fā)生懸臂破壞。類似地，試驗初期，隨著水流入滲土體含水率緩慢上升，水分傳感器數(shù)值增加，接近峰值時發(fā)生溝壁崩塌。因基質(zhì)吸力傳感器位置較高，其數(shù)值無明顯變化。

圖5 土體參數(shù)變化過程Fig.5 Variation in soil properties

圖6 不同模式溝壁崩塌過程的示意Fig.6 Sketch of bank collapse for different modes

(2) 試驗三和試驗四。在試驗初期，土壓力傳感器數(shù)值快速上升，達(dá)到峰值后溝壁上部開始出現(xiàn)張拉裂縫，此時應(yīng)力釋放，土壓力傳感器數(shù)值下降。相較于試驗一，后續(xù)3組試驗中土壓力數(shù)值上升速度較快，且破壞后土壓力數(shù)值減小較多。由于底切侵蝕沒有將溝壁土體帶出形成懸臂，隨著底切侵蝕擴(kuò)大，溝壁整體向前推移。觀察到基質(zhì)吸力傳感器T2和T4的測數(shù)快速下降，表明土體含水率的升高，由此可知溝壁崩塌前土體抗拉強(qiáng)度降低。

由3.1可知，溝壁崩塌模式與滲流相關(guān)，結(jié)合上述土體參數(shù)的變化過程可分析溝壁崩塌的力學(xué)機(jī)理如圖6所示。由圖6可以看出：溝壁崩塌模式可以分為2種，一是滲流較低時發(fā)生的懸臂破壞，二是滲流較高時發(fā)生的張拉破壞；2種破壞模式均經(jīng)歷3個階段，與現(xiàn)場觀測的落潮不同階段的溝壁崩塌過程吻合。

當(dāng)滲流較低時(落潮末期)，溝壁坡腳首先發(fā)生底切侵蝕。隨著坡腳土體被出滲水流帶出，溝壁底部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，溝壁上部形成懸臂。在懸臂重力驅(qū)動下，溝壁頂部形成張裂縫，隨著裂縫發(fā)育，發(fā)生懸臂破壞(圖6(a))。

在滲流較高時(落潮初期)，滲流的作用使溝壁坡腳處的土體強(qiáng)度降低，底部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。進(jìn)一步，隨著滲流入滲，溝壁內(nèi)部土體強(qiáng)度逐步降低(表現(xiàn)為基質(zhì)吸力的降低，見圖5(c)和圖5(d))。當(dāng)滲流力大于土體顆粒間的摩擦力時，溝壁頂部出現(xiàn)張拉裂縫，隨即裂縫向下延伸，溝壁最終發(fā)生張拉破壞(圖6(b))。

綜上所述，2種破壞模式的轉(zhuǎn)折點取決于滲流力與土體摩擦力的相對大小，因此，滲流是影響潮溝溝壁崩塌的關(guān)鍵因素。

4 結(jié) 論

本文針對滲流對潮溝溝壁穩(wěn)定性的影響機(jī)制，建立了三維物理模型試驗，通過對試驗影像和傳感器數(shù)據(jù)的分析，研究了滲流作用下潮溝溝壁崩塌的力學(xué)機(jī)理，主要結(jié)論如下：

(1) 溝壁崩塌模式與滲流相關(guān)。低滲流水頭時，溝壁首先發(fā)生底切侵蝕，形成的懸臂最終因頂部裂縫的發(fā)育而破壞；高滲流水頭時，土體的抗拉強(qiáng)度因含水率的增加而降低，當(dāng)滲流力大于土體顆粒間的摩擦力時，發(fā)生張拉破壞。

(2) 基于試驗影像獲取的溝壁線變化過程可計算溝壁后退速率，且溝壁后退速率與滲流水頭存在顯著正相關(guān)關(guān)系。

(3) 揭示了在滲流作用下潮溝因滲流水頭不同導(dǎo)致最終崩塌模式不同的力學(xué)機(jī)理，進(jìn)而解釋了現(xiàn)場潮溝從落潮初期(高滲流水頭)到落潮末期(低滲流水頭)的溝壁崩塌過程，通過比較土體破壞模式的差異，發(fā)現(xiàn)滲流是影響潮溝溝壁崩塌的關(guān)鍵因素。