水流沖刷過程中岸坡崩塌的數值分析

水流沖刷過程中岸坡崩塌的數值分析

1崩岸破壞機理河岸崩潰是中國防洪救災形勢的重要課題之一。我國許多河流經常會發(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。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，崩岸使岸邊大量農田喪失、威脅沿河港口碼頭、廠礦安全，使國民經濟遭受巨大損失。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，問題復雜，故至今對其產生機理尚不十分清楚，在防治措施方面大多仍憑經驗采用傳統(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，對防洪減災和江河治理具有重大的現實意義。崩岸的影響因素很多，導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：岸坡土質方面和河流動力方面。其中，岸坡土質方面的因素有岸坡土層組成及性質、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，土力學方面的研究較少，而將二者有機結合在一起的研究則更不多見。本文以某室內大比尺砂質概化模型坡體為例，通過土工數值分析手段，研究水流沖刷過程中坡體內的滲流狀態(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性質指標見表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。國內外某些學者在實測資料或極值假說基礎上提出了一些河岸橫向后退距離的經驗公式，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在的力學機理，因此，本文采用建立在力學機理分析基礎上的OsmanandThorne方法考慮橫向后退距離。OsmanandThorne提出，在?t(s)時間內粘性河岸被水流沖刷后退的距離為式中?B為?t時間內河岸被水流橫向沖刷后退的距離（m）;Ct為橫向沖刷系數，是一常數，Osman根據室內實驗研究成果得到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；τc為河岸土體的起動切應力（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性質有關。式（1）是針對粘性土岸坡的后退距離經驗公式。有關崩岸發(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構，上層為亞粘土和粉質粘土，下層為砂層，主要是粉細砂及中砂。顯然，二元結構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，國內外現還未見理論上或經驗上的計算公式反映水流側向沖刷對其形狀的影響。本文在Osman公式的基礎上，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性質、岸坡的形狀、組成及岸坡的滲流狀態(tài)等因素有關。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時坡內的滲流計算結果（圖中，80%，60%，…,10%代表分界線）。穩(wěn)定滲流計算結果顯示：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：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果可見，水流沖刷過程中，坡體不斷后退，坡內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水頭分布轉化為孔隙水壓力，再進行有效應力分析。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)定性計算結果。其結果顯示，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系從上述分析中可以看出，粉細砂層是河岸崩塌與否的關鍵土層。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，坡內地下水對土體的軟化效應，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組成與分布、河岸的坡度是河岸崩塌發(fā)生與否的主要內在因素，而岸坡內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。導致河岸發(fā)生崩塌的原因可能是某單因素作用的結果，也可能是多因素共同作用的結果。因此，對于由物理力學性質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、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