水力作用下均質(zhì)岸坡沖刷崩塌力學(xué)機(jī)理試驗(yàn)研究

水力作用下均質(zhì)岸坡沖刷崩塌力學(xué)機(jī)理試驗(yàn)研究

1研究方法沖積河在自然狀態(tài)下總是處于不斷變化和發(fā)展的過程中，包括河床沿縱向的沖積變化和河流的水平變形。崩岸是河道橫向變形的重要表現(xiàn)形式,是河床演變過程中水流對(duì)堤岸沖刷、侵蝕、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。從河床演變的形式來看,崩岸現(xiàn)象不但貫穿于整個(gè)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)律不斷地發(fā)展。河道演變過程中主流線的擺動(dòng)、河道沖刷可能引起崩岸發(fā)生,若河道崩岸沒有得到及時(shí)控制,就可能引發(fā)大的河勢(shì)調(diào)整。另一方面,塌入河道中的岸坡土體使泥沙來量或含沙量在短時(shí)間內(nèi)迅速增加,將直接影響下游河道的沖淤變化。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;長(zhǎng)江武漢至南京劃子口間約1479km的江岸,1970—1998年內(nèi)崩岸總面積89.1km2,崩入長(zhǎng)江的泥沙約267×106m3,期間該河段總淤積量770.6×106t,二者數(shù)量級(jí)上相當(dāng)?shù)匾恢隆RONVANG針對(duì)丹麥歐登塞河流崩岸及河道演變的調(diào)查研究也發(fā)現(xiàn)二者有高度的相關(guān)性。由于岸灘崩塌與河床沖淤交互作用過程復(fù)雜且影響因素眾多,現(xiàn)有研究成果或單一研究岸灘崩塌機(jī)理,或單一研究河床演變規(guī)律。如張幸農(nóng)等采用長(zhǎng)江中下游典型崩岸河段原體沙建立概化坡體模型,針對(duì)坡體崩塌水流沖刷破壞機(jī)理及極限穩(wěn)定坡度進(jìn)行模擬試驗(yàn)研究;Osman和Thorne、Darby和Thorne基于黏性岸坡的水動(dòng)力學(xué)-土力學(xué)方法,提出了河道展寬模式,該模式首先計(jì)算岸坡橫向沖刷距離,然后分析岸坡是否會(huì)失穩(wěn)、崩塌,并拓展至順直河段展寬模型;余明輝等通過對(duì)非黏性顆粒在不同水流條件下的受力分析,建立了動(dòng)水中的岸灘穩(wěn)定坡度與近底流速、顆粒粒徑以及容重的函數(shù)關(guān)系式,從力學(xué)角度闡明了岸灘穩(wěn)定機(jī)理。黑鵬飛等提出了可任意追蹤擬合復(fù)雜動(dòng)邊界的數(shù)值切割單元法,對(duì)于模擬崩岸等復(fù)雜問題具有重要的研究?jī)r(jià)值。夏軍強(qiáng)等針對(duì)下荊江二元結(jié)構(gòu)河岸的崩塌機(jī)理和影響因素做了較為細(xì)致的研究。許棟等著重分析了塌岸對(duì)河灣形成的影響。目前將二者結(jié)合起來研究塌岸淤床交互影響規(guī)律的成果不多,如:Simon等采用BSTEM模型,模擬研究了岸坡侵溝的方法對(duì)二元結(jié)構(gòu)河岸進(jìn)行了沖刷試驗(yàn),結(jié)果表明,黏性土崩塌體可以延緩水流對(duì)坡腳的進(jìn)一步?jīng)_刷;王延貴開展的概化模型試驗(yàn)也有類似的定性認(rèn)識(shí)。本文基于彎道水槽試驗(yàn),兼顧彎曲和順直兩種典型河型,研究水力沖刷作用下非黏性及黏性土組成的均質(zhì)岸坡坍塌模式及與河床沖淤的交互影響過程,初步探求塌岸淤床耦合驅(qū)動(dòng)機(jī)理及交換模式。2動(dòng)水流變對(duì)河岸變形的影響當(dāng)水流的剪切力大于河岸土體的抗剪力時(shí),河岸邊坡上水面以下的表層土體被淘刷帶走,河岸坡度變陡,穩(wěn)定性降低;穩(wěn)定性降低到一定程度后,河岸便會(huì)發(fā)生滑動(dòng)或崩塌。非黏性土組成的河岸,其岸坡上的泥沙顆粒,主要受到水流作用于岸壁的推力、上舉力以及有效重力的作用,見圖1。圖中,x軸沿水流方向,y軸垂直于坡面,z軸沿坡面垂直于x軸和y軸。FL為上舉力,FD為拖曳力,α為動(dòng)水中的臨界岸坡,β為摩擦力Ff及z軸的夾角;W為有效重力。若處于彎曲河道,還受到彎道環(huán)流的離心力作用,見圖2。圖中,P為離心力引起的附加壓力,θ為動(dòng)水中的凹岸臨界岸坡。非黏性土以單個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)形式起動(dòng),河岸崩塌通常表現(xiàn)為單個(gè)顆粒的崩塌或移動(dòng),或者沿略微彎曲的淺層滑動(dòng)面發(fā)生剪切破壞。黏性土組成的河岸,其岸坡上的土體,起動(dòng)時(shí)除了受到上述力作用以外,還受到顆粒間黏結(jié)力的作用,見圖3。圖中,C為黏土顆粒間的黏結(jié)力。當(dāng)土體被水流沖動(dòng)時(shí),以多顆粒成片或成團(tuán)的塊體形態(tài)起動(dòng)。黏性河岸的土體崩塌一般表現(xiàn)為大塊擾動(dòng)土體沿弧形破壞面滑入河槽,破壞面較深,如圖4所示。圖中,W1i、W2i、Ti、Ni分別為條分法中第i土條水面上土體重力、水面下土體重力、抗滑力和支持力。水下岸坡滑塌常常導(dǎo)致水上岸坡頂部形成懸臂,受力如圖5所示。圖5中σt、σc分別為土體的抗拉及抗壓強(qiáng)度,其崩塌模式一般為繞軸破壞。3水岸帶水岸灘開裂試驗(yàn)在180°彎道水槽中進(jìn)行,水槽總長(zhǎng)度50.0m,彎道兩端連接順直過渡段分別長(zhǎng)約15.0m,如圖6所示。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0.1%,水槽首部設(shè)有電磁流量計(jì)控制流量,調(diào)節(jié)尾門控制水位。并沿程均勻分布6臺(tái)自動(dòng)水位計(jì)監(jiān)測(cè)水位沿程變化;小螺旋漿流速儀監(jiān)測(cè)流速分布;自動(dòng)水下地形儀結(jié)合三維激光掃描儀監(jiān)測(cè)岸灘崩塌及河床變化情況。試驗(yàn)設(shè)定如圖6所示的斷面CS0為水位控制斷面,該斷面槽底高程為水位零點(diǎn)。3.1試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)材料的基本參數(shù)在彎道凹岸(右岸)一側(cè)彎頂至其下游順直過渡段內(nèi)壁壘河沙模擬可動(dòng)岸坡,首尾用碎石與邊壁光滑連接,河沙中值粒徑d50=0.44mm;水槽底部鋪白礬石厚5cm模擬可動(dòng)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(dòng)床初始縱向坡降為0.1%。試驗(yàn)材料初始級(jí)配見圖7。采用斷面板法并控制同體積模型重量以保證模型均勻性及可復(fù)制性。岸坡及河床模型初始孔隙率為40%~42%。橫斷面初始形態(tài)如圖8(a)及圖9(a)所示。動(dòng)水試驗(yàn)前浸泡2h,穩(wěn)定后形成水下橫斷面形態(tài)如圖8(b)所示。試驗(yàn)中除考慮可動(dòng)河床,另設(shè)固定河床(將上述可動(dòng)河床初始高程固定而成)方案,對(duì)比分析河床可動(dòng)性對(duì)泥沙輸移交換的影響。3.2斷面板法分層壘筑模型以武漢沌口后官湖區(qū)域黏土與細(xì)沙的混合樣為試驗(yàn)材料,在彎道凹岸一側(cè)彎頂至其下游順直過渡段內(nèi)壁壘該土樣模擬可動(dòng)岸坡,水槽底部鋪同種材料模擬可動(dòng)河床,首尾用碎石與邊壁光滑連接,為便于與非黏性土試驗(yàn)成果對(duì)比,斷面初始形態(tài)如圖8(b)及圖9(b)所示。采用斷面板法分層壘筑并控制同體積重量以保證模型均勻性及可復(fù)制性。河床及岸坡模型初始孔隙率32%~34%,含水率12.31%,內(nèi)聚力C=17.95kPa,內(nèi)摩擦角φ=19.55°,黏粒含量6.5%,試驗(yàn)材料初始級(jí)配見圖7,土樣中值粒徑d50=0.41mm。3.3坡位與流場(chǎng)的試驗(yàn)工況為便于對(duì)比分析,非黏性土及黏性土試驗(yàn)中均謹(jǐn)慎調(diào)節(jié)尾門保持?jǐn)嗝鍯S0處水位為19cm,水面上岸坡高度為4~7cm,便于觀測(cè)岸坡的崩塌情況。因黏性土不容易沖刷起動(dòng),在實(shí)驗(yàn)過程中加大了流量及水力沖刷時(shí)間。不同河床、岸坡條件下試驗(yàn)工況見表1。試驗(yàn)開始前關(guān)閉尾門,在水槽的下游緩慢注水,當(dāng)斷面CS0處水位上升到18cm時(shí),停止注水。黏性土岸坡及河床組成情況隨即開始動(dòng)水試驗(yàn);非黏性土岸坡及河床組成情況在靜水中浸泡2h,待水下岸坡穩(wěn)定后開始動(dòng)水試驗(yàn)。4試驗(yàn)結(jié)果與分析4.1沙波作用下的橫向輸送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。這一規(guī)律既適用于非黏性土岸坡及河床組成,又適用于黏性土岸坡及河床組成。非黏性土組成的岸坡及河床,小流量(22.7L/s)時(shí)水下坡面上僅有少數(shù)泥沙起動(dòng),水面附近形成的沖刷凹槽較淺,水面上的岸坡基本穩(wěn)定,幾乎看不到崩塌現(xiàn)象。隨著流速增大,水流剪切作用增強(qiáng),對(duì)水面附近岸坡的淘蝕速度加快,形成較深的沖刷凹槽,岸坡變陡繼而發(fā)生滑塌?；哪嗌巢糠侄逊e在坡腳,水下坡面變緩維系暫時(shí)穩(wěn)定。隨著近岸縱向水流及彎道環(huán)流持續(xù)的淘刷,岸坡再次變高變陡,當(dāng)超過其水下休止角時(shí),上部的岸坡又會(huì)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?；哪嗌吃趶澋蓝瓮裁嫔夏嗌骋黄鹗軓澋缆菪髯饔?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(huì)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10(a)。若不考慮沙波的形態(tài),動(dòng)水作用下非黏性土岸坡水下坡面基本為斜面。黏性土組成的岸坡及河床,土體起動(dòng)流速遠(yuǎn)大于非黏性土,流量較小時(shí)(60L/s)岸坡上只有少量的黏土團(tuán)剝落,后順?biāo)餍毕蛳掠纹履_處滾動(dòng)。隨著流量增加(80L/s),岸坡黏性土較大范圍起動(dòng)、剝落以及斜向下游滾動(dòng)。當(dāng)流量繼續(xù)增大(100L/s),近岸流速增大,彎頂偏下游區(qū)域凹岸坡腳處土體大量被掀起,形成陡坡,甚至出現(xiàn)懸臂,上部黏性土體失穩(wěn)進(jìn)而坍塌,坍塌的土體大部分都隨水流帶至下游,極少數(shù)較大團(tuán)狀的土體塌落至坡腳,暫時(shí)停留并延緩坡腳的進(jìn)一步?jīng)_刷。坡腳附近的黏性土塊被水流分解、破碎,破碎后的松散細(xì)顆粒泥沙相對(duì)容易起動(dòng)和輸移,一部分細(xì)顆粒泥沙會(huì)以懸移質(zhì)的形式隨螺旋水流運(yùn)動(dòng)到凸岸或直接被帶往下游,粗顆粒的泥沙或黏土小塊體以沙波的形式斜向下游凸岸推移,并與河床發(fā)生摻混及交換。如此循環(huán)反復(fù)。以工況3-4為例,塌岸淤床情況見圖10(b)。黏性土岸坡水力沖刷作用下坡面為內(nèi)凹的拋物線形狀。4.2在坍塌流量影響的理論分析中4.2.1流量對(duì)岸坡崩退的影響水流對(duì)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(dòng)輸沙作用等直接或間接地導(dǎo)致塌岸的發(fā)生。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)。以黏性土工況3-5為例,當(dāng)上游來流量Q=106L/s作用2.5h后,彎道段斷面CS3、CS5和順直段斷面CS7、CS9,其地形及流速分布見圖11?？梢钥闯?水流在彎道段逐漸貼岸,在彎頂偏下游附近,近岸流速達(dá)到最大。發(fā)生岸坡崩塌最嚴(yán)重的斷面依次是CS5、CS7、CS3與CS9,與主流距離岸坡由近漸遠(yuǎn)具有高度的一致性。各流量級(jí)下岸坡崩退及河床沖淤變形見圖12。可以看出,流速較小時(shí),岸坡上只有少量的黏土團(tuán)剝落,岸線后退不明顯;隨著流速逐漸增大,近坡腳流速較大的區(qū)域沖刷明顯,大量黏土團(tuán)開始剝落,上部土體短時(shí)間內(nèi)可呈懸空狀態(tài),或坍塌滑落至坡腳,岸線后退明顯。4.2.2道坡的發(fā)生機(jī)制在彎道水流中,床面剪切力的分布與縱向流速的分布一致,流速最大處,剪切力也最大。受彎道環(huán)流的影響,在彎道進(jìn)口斷面(彎道上游),凸岸為高剪切力區(qū),凹岸為低剪切力區(qū);而在彎道出口斷面則情況正好相反,凹岸為高剪切力區(qū),凸岸為低剪切力區(qū);最大剪應(yīng)力發(fā)生在彎道下游的凹岸處。因此,彎道坍岸一般發(fā)生在進(jìn)口處的凸岸和出口處的凹岸。據(jù)Hooke在模型中測(cè)量的凹岸邊壁剪切力表明,當(dāng)河底為動(dòng)床時(shí),最大邊壁剪切力出現(xiàn)在水面以下5cm深的范圍內(nèi)(模型最大水深25cm),再向下受河床表面沙波的影響,其變化很不規(guī)則。而當(dāng)河底為定床時(shí),最大邊壁剪切力在更深處出現(xiàn)。在模型中,凹岸邊壁剪切力有兩個(gè)最大值。最大的在彎頂稍下游,次大的在接近彎道出口處。各級(jí)流量下,均出現(xiàn)這兩個(gè)最大值,而且它們的位置基本上不隨流量而變化。理論分析及試驗(yàn)成果均表明,黏性或非黏性組成的岸坡崩塌最劇烈的位置均在彎道出口附近。因土體力學(xué)性質(zhì)的不同,非黏性和黏性岸坡崩塌的機(jī)制也不同。隨著深度的增加,非黏性岸坡的剪切強(qiáng)度比剪切力增加的快,所以崩塌更容易發(fā)生在水面附近較淺的地方。而黏性岸坡則規(guī)律相反,崩塌更傾向于在坡腳比較深的地方發(fā)生。4.3非黏土情形下的結(jié)構(gòu)堆積率以水槽彎頂(圓心角90°處)為縱向起始斷面、水下初始斷面坡腳為岸坡及河床分界點(diǎn),統(tǒng)計(jì)岸坡沖刷崩塌及河床沖淤累計(jì)量。黏性土及非黏性土典型試驗(yàn)工況下累計(jì)岸坡沖刷崩塌量及河床沖淤量如圖13、圖14所示。將各斷面附近累計(jì)河床淤積量與累計(jì)岸坡沖刷崩塌量比值稱為累計(jì)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。非黏性土典型試驗(yàn)工況下河床累計(jì)淤積率對(duì)比見圖15;當(dāng)?shù)赜俜e率對(duì)比見圖16。對(duì)于黏性土組成的岸坡及河床,在大于起動(dòng)流速的水力條件作用下,岸坡及河床都處于沖刷狀態(tài)(見圖13)或在彎道出口(斷面CS7)以下河床有微淤現(xiàn)象。對(duì)于非黏性土組成的岸坡及河床,無論河床是否可動(dòng),岸坡在動(dòng)水中均表現(xiàn)為沖刷坍塌,其中彎頂偏下段(斷面CS3—CS7)沖刷較強(qiáng);河床可動(dòng)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(dòng)情況下河床總淤積量大于河床固定的情況,但河床累計(jì)淤積率小于河床固定的情況。在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。不同流量級(jí)下水槽水流結(jié)構(gòu)以及近岸流速分布不同,對(duì)不同斷面的岸坡沖刷崩塌影響程度也不一樣,由圖16可見,無論河床條件如何,流量越大,試驗(yàn)河段總累計(jì)淤積率越大的趨勢(shì)是一致的。4.4崩岸土體試驗(yàn)結(jié)束后,慢慢放干水槽,在典型斷面處從水槽左端至右岸坡腳處小心挖槽約10cm寬,用帶刻度的透明網(wǎng)格板慢慢地平行貼近挖開的斷面,量測(cè)水槽底部各組成層厚度,通過與初始時(shí)刻河床厚度對(duì)比,確定河床泥沙沖淤、岸坡上沖刷崩塌的泥沙在河床上的輸移、混摻范圍及程度,見圖17。非黏性土組成情況,崩塌體在河床上的輸移與交互模式可以較容易從河沙及白礬石顏色上區(qū)分,如圖18所示,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)生岸坡崩塌泥沙和河床的泥沙交互。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(huì)被水流拖拽,沿坡面向上運(yùn)動(dòng),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(dòng),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CS9。黏性土組成情況,在大于土體起動(dòng)流速的水力條件作用下,岸坡及河床都處于沖刷狀態(tài)或僅在彎道出口(斷面CS5)以下河道河床有微淤狀態(tài)出現(xiàn),岸坡崩塌體在河床上的輸移與交換不太明顯。無論是黏性土組成或是非黏性土組成,坡腳