河道沖刷崩塌與河床沖淤交互作用試驗研究

河道沖刷崩塌與河床沖淤交互作用試驗研究

沖積河以沉積物為聯(lián)系，河流和水流構(gòu)成了相互限制、相互依存的矛盾統(tǒng)一，使河流處于不斷變化和發(fā)展的過程中，包括河床侵蝕、周灘侵蝕、岸壁坍塌等。塌岸是河床演變過程中水流對堤岸沖刷、侵蝕發(fā)生、發(fā)展積累的突發(fā)事件,屬于水土結(jié)合邊界的耦合作用問題,除與水流動力的沖刷關(guān)系密切外,還與土體的物理特性及其中滲流作用有關(guān),同時還受人為荷載、植被、地表侵蝕、凍融等因素的影響。另一方面,塌入河道中的岸坡土體是河道泥沙的主要來源之一,影響著河床沖淤變形。如黃河來沙高峰期就是晉陜峽谷兩側(cè)的黃土崩岸滑塌所產(chǎn)生,而且由于黃土的直立性,多在水力淘刷懸空后崩岸造成;據(jù)1996—1998年遙感調(diào)查,從武漢至南京劃子口約1479km的江岸,自1970年以來30年內(nèi)崩岸總面積為89.1km2,崩入長江的泥沙約2.67億m3,其間武漢至南京長江總淤積量為7.706億t,二者數(shù)量級上相當(dāng)一致。從河床演變形式來看,塌岸屬于河道的平面變形,塌岸現(xiàn)象不但貫穿于整個河流的造床過程,而且當(dāng)河流形成一定的形態(tài)后,將按不同河型的固有規(guī)律而不斷地發(fā)生發(fā)展。這種岸灘崩塌與河床沖淤的交互作用過程復(fù)雜,影響因素眾多。現(xiàn)有研究成果或單一研究岸灘崩塌機(jī)理[3,4,5,6,7,8,9,10,11],或單一研究河床演變規(guī)律,如:孫東坡等引入河流功與縱、橫向能坡等指標(biāo),從河流能量耗散角度研究水沙過程變化情況下的黃河內(nèi)蒙古段河床形態(tài)調(diào)整;張原鋒等結(jié)合黃河下游床面形態(tài)運(yùn)動特征,建立了床面形態(tài)判別方法。將二者結(jié)合起來研究塌岸淤床交互影響規(guī)律的成果很少,且多采用數(shù)學(xué)模型的方法,如:Simon等采用BSTEM模型,模擬研究了岸坡侵蝕的水力過程(侵蝕坡腳)和地質(zhì)過程(重力坍塌);Sahoo等以JordanCreek河為研究背景,試圖結(jié)合動態(tài)流域仿真模型和岸坡侵蝕模型模擬河岸侵蝕量對下游沖積型河道沖淤變化的貢獻(xiàn)值;肖毅等建立了考慮河岸植被影響及變形的數(shù)學(xué)模型用于模擬河流形態(tài)的變化及河型的轉(zhuǎn)化。由于問題的復(fù)雜性,本文只針對泥沙起動及輸移模式相對簡單的非粘性顆粒組成的岸坡及河床組成,兼顧彎曲和順直兩種典型河型,研究水力沖刷作用下的岸坡坍塌模式以及與河床沖淤的交互影響過程,初步探求塌岸與河床沖淤的耦合驅(qū)動機(jī)理。1試驗過程及試驗工況試驗在180°彎道水槽中進(jìn)行,水槽橫斷面呈矩形,寬1.2m,深1.0m,彎道段外徑為3.0m,內(nèi)徑為1.8m,槽底縱向坡降為0.1%,水槽總長度50.0m,彎道兩端連接順直過渡段長均約為15.0m,如圖1所示。水槽首部設(shè)有電磁流量計控制流量,調(diào)節(jié)尾門控制水位。試驗中,在如圖1所示的水位控制斷面處設(shè)測針控制水位,該斷面槽底高程設(shè)置為水位零點;并沿程均勻分布6臺自動水位計監(jiān)測水位沿程變化;小螺旋漿流速儀監(jiān)測流速分布;自動地形儀結(jié)合三維激光掃描儀監(jiān)測岸灘崩塌及河床演變情況。在彎道凹岸一側(cè)彎頂至其下游順直過渡段內(nèi)壁壘河沙模擬可動岸坡,首尾用碎石與邊壁光滑連接,河沙中值粒徑d50=0.44mm;岸坡鋪沙段水槽底部均勻鋪白礬石厚5cm模擬可動河床,方便從顏色上直觀地區(qū)分塌岸淤床交互影響程度,白礬石比重與河沙相當(dāng),中值粒徑d50=0.54mm,鋪沙均勻保證槽底動床初始縱向坡降為0.1%。試驗材料初始級配見圖2。試驗岸坡與河床的制作采用斷面板法,以保證模型斷面的可復(fù)制性及精確性;橫斷面初始形態(tài)如圖3(a)所示。河床及岸坡模型初始孔隙率為40%~42%。動水試驗前浸泡2h,穩(wěn)定后形成水下橫斷面形態(tài)如圖3(b)所示。沿水槽布置11個監(jiān)測斷面,位置如圖1所示。試驗中考慮高水位和低水位兩種水位情況,模擬天然情況下高灘和低灘。高、低水位均在可動邊界下進(jìn)行試驗;低水位下另設(shè)固定河床(將上述可動河床初始高程固定而成)試驗方案,對比分析河床可動性對泥沙輸移交換的影響。不同河床、岸坡及水位條件下分別施放4級流量進(jìn)行動水試驗。各級流量隨水位調(diào)整至其近岸流速分布及大小基本相同。依上述不同的河床岸坡邊界、水位、流量條件組合成12組試驗工況。其中:低水位時4級流量分別為22.74L/s、28.78L/s、31.84L/s、34.87L/s,相應(yīng)水位控制為18.95cm、19.03cm、19.03cm、19.04cm,對應(yīng)于上述4級流量可動河床可動岸坡情況下工況編號依次為1-1、1-2、1-3、1-4;固定河床可動岸坡情況下各級流量與水位控制同上,工況編號依次為2-1、2-2、2-3、2-4。高水位時4級流量分別為27.13L/s、37.92L/s、41.96L/s、45.85L/s,相應(yīng)水位控制為22.48cm、22.49cm、22.50cm、22.48cm,只考慮可動河床可動岸坡情況,工況編號依次為3-1、3-2、3-3、3-4。試驗開始時,關(guān)閉尾門,在水槽的下游緩慢注水,當(dāng)水位控制斷面處水位上升到控制值以下1cm時,停止注水。浸泡2h后靜水下岸坡基本穩(wěn)定,開始動水試驗。每組試驗工況施放相應(yīng)流量,并在整個試驗過程中謹(jǐn)慎調(diào)節(jié)尾門保持水位控制斷面處水位為上述設(shè)定值;當(dāng)岸坡上的材料開始起動時,監(jiān)測如圖1所示的11個典型斷面的縱向流速(主流)分布。繼續(xù)該流量級下動水試驗2.5h,待岸坡穩(wěn)定后,測量動水中穩(wěn)定岸坡形狀。2試驗結(jié)果與分析2.1水坡面為深度城市,在形成基層組織結(jié)構(gòu)上,可以把水面打以低水位條件下可動岸坡可動河床邊界為例分析岸坡沖刷崩退模式。當(dāng)流量較小時,水流對岸坡的淘刷作用很小,形成的沖刷凹槽淺,水面上的岸坡基本穩(wěn)定,幾乎看不到崩塌現(xiàn)象。從水下坡面上淘刷的泥沙在重力和縱向水流作用下,沿坡面作斜向下游的滑落,部分堆積在坡腳,水下坡面變緩。隨著流速增大,水流剪切作用增強(qiáng),對水面附近岸坡的淘蝕速度加快,形成較深的沖刷凹槽,岸坡變陡甚至部分懸空,繼而發(fā)生崩塌,見圖4。崩塌體部分堆積在坡腳,水下坡面變緩并得以暫時穩(wěn)定。但由于近岸流及彎道環(huán)流的存在,對坡腳造成持續(xù)的淘刷,當(dāng)岸坡再次變高變陡,超過了其穩(wěn)定坡角時,上部的岸坡又會繼續(xù)崩塌,如此循環(huán)反復(fù),岸坡在水流作用下節(jié)節(jié)后退。崩塌體在彎道段同床面上泥沙一起受縱向水流及彎道環(huán)流合成的螺旋流作用,發(fā)生橫向輸沙,沙波不斷向凸岸延伸,在凸岸出現(xiàn)一定程度的淤積。在沙波延伸到凸岸的過程中,兩道沙波的波峰與波谷床面之間,會產(chǎn)生橫軸環(huán)流,來自岸坡的泥沙與河床泥沙發(fā)生混摻,以工況1-3為例,塌岸淤床情況見圖5。試驗中可以觀察到完整的坡腳沖刷、岸坡失穩(wěn)崩塌、崩塌體沖刷破碎并在河床上輸移的交互作用反復(fù)循環(huán)過程。2.2表1中坍塌水流的影響因素分析水流對岸坡坡腳的沖刷,是導(dǎo)致塌岸的重要原因。水流的頂沖淘刷作用、紊動輸沙作用等直接或間接地導(dǎo)致塌岸的發(fā)生。2.2.1動水穩(wěn)定性分析岸坡的崩退模式、速度以及穩(wěn)定后的形態(tài)與水流特別是近岸水流的沖刷作用密切相關(guān)。以低水位為例,位于彎道段的斷面CS3和位于順直段的CS9,實驗開始后0.5h流速分布見圖6,圖中Q表示流量,Z表示水位。低水位條件,各流量級下實驗開始后2.5h岸坡崩退及河床沖淤變形見圖7。流速較小時,岸坡上的細(xì)小顆粒開始滑落,岸線后退不明顯;隨著流速逐漸增大,岸坡上近坡腳流速較大的區(qū)域大量泥沙開始起動,該區(qū)域沖刷明顯,隨之坡頂附近泥沙失穩(wěn)坍塌,岸線后退明顯,坡頂滑落的泥沙一部分堆積在坡角,一部分被水流帶往下游。另一方面,由于彎道環(huán)流的橫向輸沙作用,彎曲段凸岸發(fā)生淤積。如當(dāng)上游來流量大于31.84L/s時,斷面CS3凹岸岸坡沖刷崩塌明顯,凸岸有淤積發(fā)生。主流的近岸程度,是影響塌岸的重要因素,主流離岸坡越近,岸坡越容易崩塌失穩(wěn)。以工況1-3為例,動水試驗開始時主流線示意見圖8,主流線根據(jù)所監(jiān)測的斷面流速分布及水深選取各斷面單寬流量最大的點連接而成。該工況下,岸灘及河床變形基本穩(wěn)定后不同位置斷面形態(tài)變化見圖9?？梢园l(fā)現(xiàn),發(fā)生岸坡崩塌最嚴(yán)重的斷面依次是CS5、CS7、CS3與CS9,與主流距離岸坡距離由近漸遠(yuǎn)具有高度的一致性。另外,在岸坡邊壁處,流速梯度和剪應(yīng)力強(qiáng)度較大,加上壁面糙度干擾的影響,在這些地方很容易產(chǎn)生小尺度渦體并有利于其發(fā)展。小尺度渦體對岸坡的隨機(jī)擾動作用可能會導(dǎo)致泥沙顆粒與岸坡之間的咬合松動,使泥沙顆粒易于從岸坡剝離。試驗中可以大量觀察到,當(dāng)岸坡土體失穩(wěn)崩塌堆積在河道中時,岸坡出現(xiàn)不連續(xù)段,在崩塌體下游會形成漩渦,不停旋轉(zhuǎn)的渦體會增加對崩落體的擾動和剪切,加速土體的破碎和輸移。2.2.2高水位情況下岸坡穩(wěn)定性以CS3、CS5為例,岸灘及河床變形基本穩(wěn)定后,高、低水位情況下斷面形態(tài)變化情況如圖10所示。試驗觀察到,當(dāng)水位較高時,岸坡更容易發(fā)生漸進(jìn)性侵蝕崩塌;當(dāng)水位較低時,隨著水面以下岸坡的侵蝕淘刷,水面以上岸坡失穩(wěn),發(fā)生突變性坍塌,如條形崩塌,瞬間崩塌規(guī)模相對較大。相同水流流速情況下,高水位下穩(wěn)定后的岸坡坡度較低水位下穩(wěn)定后的岸坡為緩。該成果與文獻(xiàn)理論分析結(jié)果“河流沖刷對堤岸滲流和變形產(chǎn)生的影響隨著河水位的上升而加劇,河水位越高,沖刷作用使堤岸穩(wěn)定性降低的幅度越大”一致。2.3測試結(jié)果以水槽彎頂(圓心角90°)為縱向起始斷面、水下初始斷面坡腳為岸坡及河床分界點,統(tǒng)計岸坡沖刷崩塌及河床沖淤累計量。典型試驗工況下累計岸坡沖刷崩塌量及河床沖淤量如圖11所示。將各斷面附近累計河床淤積量與累計岸坡沖刷崩塌量比值稱為累計淤積率;兩斷面之間河床淤積量與岸坡沖刷崩塌量比值稱為當(dāng)?shù)赜俜e率。典型試驗工況下河床累計淤積率對比見圖12;當(dāng)?shù)赜俜e率對比見圖13。分析試驗結(jié)果可知:無論河床是否可動,岸坡在動水中均表現(xiàn)為沖刷坍塌,其中彎頂偏下段(斷面CS3~CS9)沖刷較強(qiáng);河床可動情況下(工況1-3)岸坡總沖刷坍塌量大于河床固定情況(工況2-3);相應(yīng)地,因岸坡沖刷坍塌的泥沙落淤在坡腳附近河床或被水流攜帶至下游河床,河床表現(xiàn)為淤積,河床可動情況下河床總淤積量大于河床固定情況,但河床累計淤積率小于河床固定情況。在彎頂偏下游部分(斷面CS1、CS2)以及順直過渡段的偏下游部分(斷面CS9、CS10),當(dāng)?shù)睾哟灿俜e率有大于1的情況出現(xiàn),說明上游岸坡沖刷坍塌下來的泥沙有一部分被攜帶至此地落淤。另一方面,高水位下岸坡總沖刷坍塌量、河床總淤積量以及河床累計淤積率均大于低水位情況。不同流量級下水槽水流結(jié)構(gòu)以及近岸流速分布不同,對不同斷面的岸坡沖刷崩塌影響程度也不一樣,由圖12可見,無論水位及河床條件如何,流量越大,試驗河段總累計淤積率越大的趨勢是一致的。2.4橫向泥沙交互模式岸坡崩塌土體在河床上的輸移范圍及程度,關(guān)系到岸坡的二次崩塌,以及河床的沖淤變形,而后者的改變又會反過來影響岸坡的穩(wěn)定。當(dāng)岸坡崩塌以后,崩岸土體沿岸坡作斜向下游的運(yùn)動,一部分淤積在坡腳附近,一部分隨水流帶往下游。淤積在坡腳的泥沙容易形成小尺度的沙波,當(dāng)沙波波峰線與水流方向不再垂直時,沿波峰線方向就存在一個水流分速,使得泥沙在沿縱向主流方向移動時,還發(fā)生橫向運(yùn)動。在彎道段,由于還會受彎道環(huán)流作用,也會發(fā)生橫向輸移,不同的是一部分細(xì)顆粒的泥沙會以懸移質(zhì)的形式直接隨水流運(yùn)動到凸岸,而粗顆粒的泥沙依舊以沙波的方式向凸岸推移。順直段與彎道段相比,泥沙橫向運(yùn)動的速度和程度要小很多。試驗結(jié)束后,將水槽中的水體慢慢放干,挖槽后用透明網(wǎng)格板量測河床泥沙沖淤、岸坡上沖刷崩塌的泥沙在河床上的輸移、混摻范圍及厚度(圖14)。高、低水位情況下代表斷面測量結(jié)果見圖15。岸坡崩塌體在河床上的輸移與交互模式可描述為:岸坡發(fā)生崩塌后,崩塌體沿岸坡滑落,覆蓋在坡腳的河床上并深入河床一定距離。最初崩岸土體在坡腳附近的淤積是連續(xù)的,交界面為近似平行于水流的直線,在順?biāo)鞣较?幾乎未發(fā)生泥沙交互。當(dāng)沙波逐漸發(fā)展延伸,兩相鄰沙波之間出露原始河床。在縱向水流作用下,沙波的背流面產(chǎn)生橫軸環(huán)流,位于波谷位置的床沙會被水流拖拽,沿坡面向上運(yùn)動,淤積在背流面。隨著迎流面沖刷背流面淤積,沙波不斷地向前運(yùn)動,在此過程中岸坡崩塌泥沙與河床泥沙完成混摻。橫向輸沙強(qiáng)度較大的地方發(fā)生混摻程度也較大,如位于彎頂及下游的斷面(如CS4、CS5)混摻強(qiáng)度要高于位于順直段的斷面(如CS9)。高水位下(工況3-3)彎道段斷面混摻強(qiáng)度大于低水位(工況1-3)情況;而高水位下順直段斷面混摻強(qiáng)度小于低水位情況。另一方面,靠近岸坡的一段河床并沒有與崩塌土體發(fā)生混摻,與原始地形對比,只是厚度有所降低,頂部覆蓋了一層崩岸土體。進(jìn)一步說明了水流沖刷過程中岸坡破壞是水流淘刷岸坡坡腳、岸坡崩塌及崩塌體淤積坡腳并在河床上輸移的交互作用反復(fù)循環(huán)過程。3岸坡沖刷崩退特征水流沖刷過程中岸坡破壞是水流淘刷岸坡坡腳、岸坡崩塌及崩塌體淤積坡腳并在河床上輸移的交互作用反復(fù)循環(huán)過程。本文在彎道水槽中進(jìn)行系列試驗,兼顧彎曲和順直兩種典型河型,研究水流沖刷作用下非粘性顆粒組成的岸坡坍塌模式及其與河床沖淤的交互影響過程。試驗結(jié)果表明:岸坡的崩退模式、速度以及穩(wěn)定后的形態(tài)與水流的流速分布特別是近岸流速關(guān)系密切,流速越大岸坡越趨平緩;主流離岸坡越近,岸坡越容易崩塌失穩(wěn);