水流沖刷過程中岸坡崩塌的數(shù)值分析

水流沖刷過程中岸坡崩塌的數(shù)值分析

1崩岸破壞機理河岸崩潰是中國防洪救災(zāi)形勢的重要課題之一。我國許多河流經(jīng)常會發(fā)生岸坡崩塌，尤其是一些大江大河由于缺乏完全徹底的治理，許多河道河勢不穩(wěn)，沖淤變化頻繁，岸灘沖刷崩塌的現(xiàn)象十分普遍和嚴重，例如，長江中下游的江西九江和湖口河段、安徽官洲河段、江蘇揚州六圩河段和江都嘶馬河段，黃河下游鄭州至東壩頭河段、沁河口河段、濟南河段等，均出現(xiàn)過十分嚴重的崩岸險情。江河崩岸會造成河道洪水灘地流失，嚴重威脅防洪大堤的安全，甚至直接使堤防開裂形成洪災(zāi)。崩岸還破壞河勢穩(wěn)定，造成沿河工程中諸多難以補救的后果。另外，崩岸使岸邊大量農(nóng)田喪失、威脅沿河港口碼頭、廠礦安全，使國民經(jīng)濟遭受巨大損失。岸坡破壞是水流淘刷河岸、岸坡崩塌交替作用反復(fù)循環(huán)的一個過程。岸坡坡腳土體被沖掉后，其余部分塌入河中，水流繼續(xù)破壞暫存的岸坡使岸坡節(jié)節(jié)后退。河岸崩塌破壞的影響因素眾多，問題復(fù)雜，故至今對其產(chǎn)生機理尚不十分清楚，在防治措施方面大多仍憑經(jīng)驗采用傳統(tǒng)的方法。因此，進一步加強對崩岸機理的研究，探索其形成原因和規(guī)律，對防洪減災(zāi)和江河治理具有重大的現(xiàn)實意義。崩岸的影響因素很多，導(dǎo)致岸坡崩塌的原因除了人為破壞、突加荷載和地震等偶然因素外，主要有兩方面因素：岸坡土質(zhì)方面和河流動力方面。其中，岸坡土質(zhì)方面的因素有岸坡土層組成及性質(zhì)、剖面形狀（坡高、坡度等）、岸坡的滲流狀態(tài)等；河流動力方面的因素有河流的流路，表面流速大小和沿深度分布、流量、流態(tài)等。目前對河岸崩塌問題的研究往往從河流河勢方面考慮的較多，土力學(xué)方面的研究較少，而將二者有機結(jié)合在一起的研究則更不多見。本文以某室內(nèi)大比尺砂質(zhì)概化模型坡體為例，通過土工數(shù)值分析手段，研究水流沖刷過程中坡體內(nèi)的滲流狀態(tài)及穩(wěn)定變化情況，并對河岸發(fā)生崩塌的機理進行探討。概化模型坡體如圖1所示，其初始坡比為1:2.5，坡高1.6m，坡體前后水位差?H=40cm，坡前水位0.6391m，坡前水流表面流速為51.4cm/s。模型材料選用長江細砂，制模時材料顆粒級配與長江實際崩岸段土體基本一致，模型砂體的物理力學(xué)性質(zhì)指標見表1。2岸坡橫向沖刷距離對于考慮沖刷作用的河岸崩塌問題，首要的就是確定河岸被水流橫向沖刷后退的距離。國內(nèi)外某些學(xué)者在實測資料或極值假說基礎(chǔ)上提出了一些河岸橫向后退距離的經(jīng)驗公式，但這些方法存在較大的局限性，均不能考慮河岸沖刷崩塌時內(nèi)在的力學(xué)機理，因此，本文采用建立在力學(xué)機理分析基礎(chǔ)上的OsmanandThorne方法考慮橫向后退距離。OsmanandThorne提出，在?t(s)時間內(nèi)粘性河岸被水流沖刷后退的距離為式中?B為?t時間內(nèi)河岸被水流橫向沖刷后退的距離（m）;Ct為橫向沖刷系數(shù)，是一常數(shù)，Osman根據(jù)室內(nèi)實驗研究成果得到Ct=3.64×10-4；τ為作用在岸坡上的水流切向力（N/m2），τ=γwRhS，γw為水的重度；hR為水力半徑；S為水流能坡，與河床縱向坡度、粗糙程度及橫截面形狀有關(guān)；τc為河岸土體的起動切應(yīng)力（量綱同τ），與岸坡土體的顆粒粒度、鈉原子吸收率、孔隙流體鹽度集中、介電擴散等物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。式（1）是針對粘性土岸坡的后退距離經(jīng)驗公式。有關(guān)崩岸發(fā)生段的岸坡土體組成資料顯示，崩岸段土體組成多為二元結(jié)構(gòu)，上層為亞粘土和粉質(zhì)粘土，下層為砂層，主要是粉細砂及中砂。顯然，二元結(jié)構(gòu)中的細砂層抗沖性能相對于上層粘土層極差，最易起動和分散搬運。對于無粘性土組成的岸坡，國內(nèi)外現(xiàn)還未見理論上或經(jīng)驗上的計算公式反映水流側(cè)向沖刷對其形狀的影響。本文在Osman公式的基礎(chǔ)上，對此類無粘性土坡體考慮一影響因子m(m>1），以修正砂質(zhì)岸坡被水流橫向沖刷后退的距離。m的大小和砂土的物理力學(xué)性質(zhì)、岸坡的形狀、組成及岸坡的滲流狀態(tài)等因素有關(guān)。對于概化模型坡體，砂的干重度γs=15.0kN/m3，水流切向力τ=7.5kPa，砂體起動切應(yīng)力τc=1.5kPa。修正因子m=2.0時，由式（1）可得到：前端水流淘刷1h后坡體后退距離?B=0.15m，前端水流淘刷2h后坡體后退距離?B=0.30m，前端水流淘刷4h后坡體后退距離?B=0.60m。3坡體及坡體情況對保持坡體前后水位差?H=0.40m下的初始坡比及橫向后退0.30,0.60m情況下的概化模型坡體分別進行了滲流計算。圖2～4分別為初始坡比1:2.5，坡體后退0.30m,0.60m時坡內(nèi)的滲流計算結(jié)果（圖中，80%，60%，…,10%代表分界線）。穩(wěn)定滲流計算結(jié)果顯示：在初始坡比下，滲流出逸坡降為0.143；當坡前水流沖刷2h且坡體后退0.30m時，滲流出逸坡降為0.152；而當坡前水流沖刷4h且坡體橫向后退0.60m時，滲流出逸坡降為0.289。對于斜坡土體，臨界水力坡降：式中Jcr為臨界水力坡降；γ′為土體浮重度；γw為水的重度；β為坡角；?為土體的內(nèi)摩擦角。而對于文中的模型坡體，γ′=9.5kN/m3，γw=10kN/m3，?=31.1°，則對應(yīng)于坡度1:2.5時，坡體的臨界坡降Jcr=0.179。比較滲流出逸坡降與其臨界坡降可以發(fā)現(xiàn)：初始坡比時，滲流出逸坡降為0.143，小于其臨界坡降0.179，坡體不會發(fā)生滲透破壞。而隨著水流對坡體的沖刷，坡體不斷后退，滲流逸出處水力坡降越來越大，當坡體后退0.30m時，出逸坡降為0.152，仍小于其臨界坡降，坡體不會發(fā)生滲透破壞；而當坡體后退0.60m時，出逸坡降則達到0.289，大于坡體臨界坡降，坡體發(fā)生滲透破壞。由沖刷過程中坡體的滲流計算結(jié)果可見，水流沖刷過程中，坡體不斷后退，坡內(nèi)滲流的滲徑不斷縮短，滲流出逸點不斷后縮，滲流出逸坡降逐漸增大，當坡體后退到一定程度時滲流坡降大于坡體的臨界水力坡降，坡體將會發(fā)生滲透破壞，表征為砂顆粒不斷流失，坡體局部失穩(wěn)。4模型砂強度及穩(wěn)定性計算結(jié)果穩(wěn)定分析方法采用極限平衡方法中的Bishop方法、Morgenstern-Price方法。計算時將上述滲流分析計算出的坡體內(nèi)水頭分布轉(zhuǎn)化為孔隙水壓力，再進行有效應(yīng)力分析。模型砂強度計算指標見表1。表2列出了3種計算工況下模型坡體的穩(wěn)定性計算結(jié)果。其結(jié)果顯示，隨著坡前水流對水下坡體的沖刷，坡體不斷后退，水下坡度越來越陡，坡體的穩(wěn)定安全系數(shù)越來越小，坡體從穩(wěn)定狀態(tài)到臨界穩(wěn)定狀態(tài)，再到失穩(wěn)狀態(tài)。5坡體坡度與坡體滲流的關(guān)系從上述分析中可以看出，粉細砂層是河岸崩塌與否的關(guān)鍵土層。粉細砂凝聚性差，強度指標低，難于抵抗坡前水流的沖刷作用，對于粉細砂坡體，由于易被水流所侵蝕，而被侵蝕的粉細砂又迅即被水流帶走，因此，粉細砂坡體在水流沖刷作用下坡腳后退快。而粘質(zhì)坡體由于土體強度指標高，土體顆粒不易被起動，在水流沖刷作用下則坡腳后退緩慢。河岸坡度也是崩岸發(fā)生的內(nèi)在原因之一。顯然，坡體坡度越陡，坡體抗?jié)B透破壞的能力越差，坡體的穩(wěn)定性也越差，崩岸更易于發(fā)生。坡內(nèi)的滲流作用與坡前水流的沖刷作用是河岸發(fā)生崩塌的主要動力因素。當水流流速大于土體的起動流速，土體將被起動，并被水流沖走，坡腳土體在水流的淘刷下不斷流失，尤其對于以粉細砂為主的土體，抗沖刷能力極低。另外，坡內(nèi)地下水對土體的軟化效應(yīng)，使得土體更易被水流所沖走。坡前水流的沖刷使得水下坡體不斷后退，水下坡度越來越陡，坡內(nèi)滲流狀況也隨之不斷改變，從而使得坡體的穩(wěn)定性不斷下降。在滲流與坡前水流沖刷的雙重作用下，坡體的穩(wěn)定性越來越差，岸坡越易于發(fā)生崩塌破壞。6岸坡基層變形治理河岸土體的物質(zhì)組成與分布、河岸的坡度是河岸崩塌發(fā)生與否的主要內(nèi)在因素，而岸坡內(nèi)的滲流作用與坡前水流的沖刷作用是河岸發(fā)生崩塌的主要動力因素。導(dǎo)致河岸發(fā)生崩塌的原因可能是某單因素作用的結(jié)果，也可能是多因素共同作用的結(jié)果。因此，對于由物理力學(xué)性質(zhì)較差土體組成的岸坡，處于枯水期或長期浸泡在洪水中的岸坡，位于迎流頂沖部位和水位浮動區(qū)的岸坡等這些內(nèi)、外在因素影響強烈的岸坡，將更易發(fā)生失穩(wěn)與崩塌。除削坡減載、加