河道崩岸机理研究进展

2021-04-03吕庆标朱勇辉谢亚光岳红艳

长江科学院院报 2021年9期

吕庆标，朱勇辉，谢亚光，岳红艳

(1.长江科学院水利部长江中下游河湖治理与防洪重点实验室，武汉 430010； 2.黄河勘测规划设计研究院有限公司，郑州 450003)

1 研究背景

河道崩岸指的是岸坡因失稳而沿河岸发生的崩塌、滑坡等现象，常见于冲积河流中，是河道横向演变的重要表现形式。河道崩岸通常包括2个过程：近岸水流冲刷引起的岸坡侵蚀，以及河岸稳定性降低而发生的崩塌破坏。崩岸的发生严重威胁江河堤防安全、河势稳定、航运发展和沿岸基础设施安全，并造成河道两岸土地大量丧失等[1]，如2003—2018年长江中下游干流河道共发生崩岸险情966处，累计崩岸长度约704 km，其中2017年4月长江中游洪湖虾子沟段发生严重崩岸，崩长75 m，崩宽22 m，吊坎高6 m，距堤脚最近仅14 m；2017年11月长江下游扬中市发生崩岸，岸线崩塌540 m，坍失主江堤440 m，崩岸最大进深190 m，坍失房屋9户、江堤涵洞1座，坍失土地面积146亩(1 hm2=15亩)。因此，开展崩岸研究及治理工作意义重大。目前国内外学者多借助于理论分析、数值模拟及概化模型试验等手段进行崩岸研究工作，并积累了大量的成果。然而崩岸问题涉及泥沙运动力学、河床演变学、土力学、水动力学等多个学科的内容，并且崩岸的影响因素众多，过程也十分复杂，至今尚未完全弄清其内在机理。因此，河道崩岸一直都是河床演变及治河工程学科中的重难点问题。

2 河道崩岸类型的划分

河道崩岸是一个复杂的问题，自20世纪以来一直广受各国专家学者的关注，而进行崩岸类型的划分是对崩岸研究最基础最直观的认识，至今也积累了较为丰富的研究成果。

根据崩岸的平面形态和特征，余文畴和卢金友[2]将长江中下游河道崩岸形式大致分为以下3种：①窝崩，也称圆弧坐崩，其发生频率在长江中下游河道最高且危害较大，通常发生在水流冲刷强度大、河岸土体抗冲性能弱的河段，形成过程比较复杂，主要由历经多次大小不同的崩塌形成或者整块土体向下滑挫形成。②条崩，又称“倒崩”，形如带状，其崩塌长度通常可达数百米，远大于崩塌宽度，多发生在河岸上层黏性土层较薄或土质较松散的河段。崩塌过程通常为河岸坡脚被冲刷，上部薄黏土逐渐失去支撑，岸顶产生与岸线大致平行的裂缝，随后在重力作用下发生崩落并倒入水中。③洗崩，由水流或波浪等侵蚀水面附近河岸土体造成，此类崩岸分布广、频率高但规模小。此后，余文畴和卢金友[3]通过统计分析长江河道崩岸资料，进一步将崩岸类型细分为窝崩、条崩、“口袋型”崩窝、不受水流冲刷的情况下由滑坡形成的崩窝和洗崩5种。

按照崩岸的成因，张幸农等[4]根据长江中下游崩岸实例并结合以往研究，将崩岸分为以下4种类型：①侵蚀型崩岸，此类崩岸同前述洗崩，形成条件简单，在江河上普遍存在；②坍塌型崩岸，主要是在水流冲刷作用下，河床下切河岸后退，进而导致岸坡变陡，在土体自重、渗流等多种因素作用下，岸坡土体大块倾倒、塌落或崩解，该类崩岸大多出现在退水期或枯水期；③滑移型崩岸，该类崩岸多发生在河岸表体的薄弱面(或层)，河岸崩塌土体在众多因素的共同影响下出现整体性滑移，其破坏形态一般为线状或窝状，此类崩岸也多出现在退水期或枯水期；④流滑型崩岸，主要表现为大块土体在冲刷过程中崩落，其周围土体平衡被打破，从而引起连锁反应导致土体不断崩落，多发生在高水期。

依据崩岸成因或破坏面形态，王延贵和匡尚富[5]将河岸崩塌类型分为5种：①滑崩，为水流横向冲刷岸脚或汛后河道水位退落较快而岸坡内水位滞后于河道水位，造成河岸土体在自身重力或渗透力作用下沿某一曲面发生的失稳崩塌；②挫崩，对于有纵向裂缝的黏性土壤河岸被水流冲刷至一定程度时，岸坡下部土体失去支撑而造成河岸发生挫落崩塌，其破坏面为平面；③落崩，即河岸坡脚被淘刷，上部临空土体在重力或重力矩的作用下发生坍落，其破坏面多为平面，根据成因和机理差异，落崩又可分为剪切、旋转和剪张落崩；④窝崩，即受水流剧烈冲刷或土体失去稳定影响，河岸连续大范围崩塌，在平面上呈现“口小肚子大”的特征，一般分为淘刷窝崩与液化窝崩；⑤洗崩，同前文洗崩定义。

假冬冬[6]总结了不同河岸土体组成(无黏性河岸、黏性河岸及组合河岸)的崩塌模式：①非黏性河岸通常在水流冲刷后，当河岸坡角大于水下休止角而失稳崩塌，一般表现为单个颗粒的崩塌或移动，或沿浅层滑动面发生破坏；②黏性河岸由于抗冲性较强，一般不易发生冲刷，其崩塌一般呈现为大块扰动土体沿微弯曲滑裂面或斜平面滑动崩塌模式,因河岸坡度不同而有所区别，在坡度较缓的河岸沿着曲面发生圆弧滑动而失稳破坏，而在坡度较陡的河岸发生平面滑动，河岸土体下挫发生崩塌；③组合河岸中较为典型的二元结构河岸，其崩塌模式可分为沿圆弧或平面发生的滑动破坏和河岸下部土体冲刷后导致上部土体发生的坍落，其中坍落根据实际崩塌的物理过程分为剪切坍塌、绕轴坍塌和拉伸坍塌3种方式。

总体而言，不同专家学者对崩岸类型提出了各自的划分方法，这些方法既有相似的地方,又有不同之处。但由于不同专家学者研究角度的不同，至今对崩岸类型的分类其实并没有统一标准。

从表2中可以看出，每组数据中所包含的粗差数量并不多，对平均值的影响比较微弱，各组数据的数量不同是因为实际观测时间长短不同，同一距离处的一组数据可以看作重复性观测。

3 河道崩岸的影响因素

崩岸的影响因素通常被分为水流动力条件、河道边界条件和其他因素3大类。

3.1 水流动力条件

水流动力条件包括纵向水流、水位变化、横向环流、波浪作用等。

水流纵向冲刷作用引发崩岸可以分为以下2个阶段：一是近岸水流直接作用于河岸，岸坡上的泥沙颗粒不断被冲刷分解并被水流带走，从而导致岸坡高度增加或角度变陡，河槽横断面也会在一定程度上拓宽；二是河岸土体在自身重力作用下发生崩塌，其过程通常是沿某一滑动面发生移动。从水流运动的角度而言，水流冲刷作用是河道崩岸的首要触发因素，水流的冲刷强度对崩岸强度有直接影响，宏观上水流的冲刷作用取决于流量(流速)的大小，在流量大且来沙少的情况下将加快河道床面及河岸冲刷；微观上近岸水流的冲刷力可用水流的剪切力来表示，剪切力大则冲刷作用强，如Ghosh和Roy[7]通过实测顺直梯形断面河道的剪切力分布，得到河道最大剪切力出现在河岸下部，解释了为何顺直河岸中下部及坡脚处往往冲刷比较严重。

河道水文年内流量的周期性变化、水库枢纽的调度运用等都会引起河道水位的变化，岸坡土体受力随之发生改变，进而影响河岸稳定。这类研究多从土力学角度出发，通过岸坡稳定性分析解释崩岸现象，如马崇武等[8]、邓珊珊等[9]分别通过计算黏性河岸和二元结构河岸稳定性发现，在水位上涨阶段侧向水压力增加，土体抗滑力随之增大，土体含水率也逐渐增大至饱和，岸坡稳定性表现为略微增大后减小；反之，在水位降落阶段，侧向水压力消失及岸坡内水位降落滞后于河道水位，产生指向坡外的渗流，滑动力增大，河岸稳定性降低。河道水位变化导致河岸土体含水率发生改变，土体性质随之发生变化，王军等[10]通过对长江荆江河岸土体研究得出土体抗剪强度随水位变化的定量关系式，表现为随含水率增大，土体黏聚力先增大后减小，内摩擦角持续减小，且借助BSTEM模型对典型断面崩岸过程进行模拟发现，水位变化情况下的安全系数主要受土体黏聚力的影响。前人对水位变化过程中渗流对河岸稳定性的影响也做了许多研究工作，谢立全和于玉贞[11]认为在向河道方向渗流时岸坡泥沙的起动条件可大幅度降低，坡脚冲刷加剧，将增大崩岸发生的几率；张幸农等[12]认为在坡脚发生冲刷后，河岸内的渗径缩短，当渗透坡降逐渐增大至大于临界水力坡降时，坡体发生渗透破坏，岸坡局部失稳。

水流流经弯道时受离心力的作用，在凹岸边壁附近其动能转化为势能，凹岸水位升高，凸岸水位降低，在水位差的作用下产生横比降，从而形成横向环流。纵向主流与横向环流一起形成了螺旋流，在螺旋流侵蚀作用下，弯道凹岸岸坡持续冲刷而变高变陡，河岸稳定性降低，易发生失稳崩塌。李宝璋[13]在分析长江南京河段窝崩时指出大尺度纵轴螺旋流是形成窝崩的动力因素。魏延文和李百连[14]通过分析长江江苏河段嘶马弯道崩岸原因，认为弯道环流对崩岸的发生起着重要作用。Papanicolaou 等[15]研究表明二次流的存在使平均水深边壁剪切力至少增大2倍以上，且边壁剪切力最大值与水深平均边壁剪切力之比>5，从而导致黏性土河岸侵蚀速率增大。余文畴和卢金友[3]认为在弯道凹岸壅高的水面以下存在一个“滞点”，“滞点”以上会形成与横向环流反向的横向次环流，2个环流的存在引发了弯道横向输沙不平衡，可基本解释弯道河岸发生崩岸的原因。

波浪对河岸的侵蚀作用常发生在风吹程较大的河段，其作用是间歇性的。河道内波浪作用对河岸侵蚀的影响通常不大，其引发崩岸的尺度与速度均较小。

3.2 河道边界条件

河道边界条件包括河岸组成及岸坡形态、河道平面特征、渗流等。

河岸土体组成及岸坡形态特征对河岸崩塌模式、崩塌强度起着决定性作用。河岸土体的抗冲性与河岸土体组成紧密相关，是河道崩岸发生和发展的制约因素。杨怀仁和唐日长[16]在荆江变迁研究中指出，由于上荆江河岸上部黏性土层的不断淤厚，河岸抗冲性随之增强，其河势才能长期保持微弯状态。岳红艳和余文畴[17]通过比较黏土与细沙河岸发生崩岸时的临界流速发现，黏土的临界抗冲流速是细沙的4.5～9.0倍(水深为5～20 m)，随着水深增大，其比值也会增加。河岸土体组成不同，其崩塌模式也存在差别，如夏军强等[18]对长江荆江河段崩岸机理进行了分析，认为：上荆江河岸上部黏土较厚，下部沙土层较薄，崩岸常以整块土体沿平面或弧形破坏面向下滑动，以窝崩为主；下荆江河岸上部黏土层较薄，下部沙土层较厚，其河岸下部易受到水流淘刷后，上部悬空土体因失去支撑而发生绕轴崩塌，通常也称作条崩。岸坡形态包括岸坡高度、坡度、滩槽高差等，对河岸的稳定性有着直接影响，王延贵和匡尚富[5]分析了河岸岸坡形态与稳定性的关系，指出岸坡形态坡度是衡量河岸稳定性的重要参数。显然，当岸坡高度越大、坡度越陡、滩槽高差越大时，河岸越不稳定，越易发生崩岸。

河道平面形态可以改变河道水流特性从而影响崩岸，不同的河道形态对水流的约束作用和崩岸的影响也不同。余文畴和卢金友[2]从河床演变学的角度出发，认为崩岸将按不同河型的固有规律发生演化。对弯曲河道来说，由于受“凹冲凸淤”的影响，崩岸主要发生在凹岸；另外弯道河岸对水流的约束作用与河弯曲率密切相关，河弯曲率越大，河道平面形态就越弯曲，水流对河岸的顶冲角越大，冲刷作用越明显，河岸冲刷程度和崩岸强度也越大。顺直型河道由于环流强度较弱，泥沙输移以纵向输沙为主，若非水流贴岸冲刷，河岸通常较为稳定，其崩岸与分布于两岸的犬牙交错的边滩密切相关，当河岸附近没有边滩掩护时，深泓近岸，河岸被冲刷发生崩岸，顺直河道通常会呈现周期性展宽的特性。对于分汊型河段，其崩岸强度与汊道形态有关，且在分汊河道江心洲洲头及主支汊弯道凹岸受水流冲刷的部位，崩岸较为严重。王路军[19]在试验中通过变化水流顶冲角发现，崩岸类型与河道平面形态之间存在一定的联系，如窝崩多发生在弯道凹岸或迎流顶冲河段。但目前还没有关于河道崩岸类型与河道形态之间关系的系统理论研究。

3.3 其他因素

首先，人为因素对崩岸的发生有直接影响，如近岸挖沙、修建水工建筑物以及在河岸施加荷载等均会引发崩岸，但是人为因素导致的崩岸是可控的，可通过加强管理等手段避免。其次，岸坡植被、降雨等因素也会对崩岸产生影响。白玉川等[20]采用自然模型试验，得出植物根系可以使河岸土体抗冲抗剪强度增加，对减缓河岸的冲刷、增强河岸稳定性起到积极作用。一般而言，植物根部越长越密，河岸越不易发生崩塌。降雨入渗会使河岸土体含水率升高，进而改变土体的性质，对崩岸产生影响；另外当降水量超过岸坡土壤入渗能力时，会形成地表径流对坡面产生侵蚀，情况严重时也会导致岸坡失稳。

实际河道崩岸的发生往往是上述影响因素共同作用的结果。吴玉华等[21]通过对江西省彭泽县马湖堤崩岸的分析，认为马湖堤崩岸是水流冲刷作用、水位降落速率较快、河岸自身稳定性较差等因素共同作用的结果。王永[22]认为水流冲刷作用是长江安徽河段崩岸的主要因素，其次是河岸地质条件和渗流作用。余文畴和卢金友[3]认为影响长江中下游河道崩岸的自然因素可分为水流泥沙运动条件和河道边界条件2大类，一方面，水流的动力作用是影响长江中下游河道崩岸的主要因素，崩岸的发生就是水流携沙与泥沙输移的动态结果；另一方面，河床边界条件决定了近岸土体抗冲性能并对水流起约束作用，抑制或是促进崩岸的发生，水流动力作用和河床边界条件相互制约、趋于稳定。姚仕明等[23]利用层次分析法对长江中游河道崩岸的影响因素进行了分析，结果表明纵向水流冲刷、河弯曲率较大和河岸土质抗冲性差是崩岸发生的主要影响因素。夏军强等[24]定量分析了河岸土体组成、分布、力学性质及来水来沙条件等因素，发现影响崩岸的主导因素为来水来沙条件，河岸土体特性也与崩岸关系密切。

综上，从河流动力学角度分析，河道崩岸是水流与河床相互作用的过程，水流动力条件往往是触发崩岸的首要因素；从土力学角度进行分析，崩岸受水流、土体自重、渗流等多种因素的影响，河岸土体在力的作用下产生应力-应变过程。但总体而言，崩岸的影响因素众多，且各因素之间大多相互联系，相互影响，导致崩岸的成因十分复杂。此外，针对各因素对河道崩岸的影响，目前量化研究成果还较少。

4 河道崩岸的数值模拟和试验研究

除对崩岸现象现场观测，以及如上述从河流特性、河岸形态、土壤特性、水流泥沙运动等多因素进行理论分析外，数值模拟和物理模型试验也是当前研究崩岸较为常用的方法。

4.1 数值模拟

数值模拟主要来自于水力学与土力学相结合的方法，通常依据各类崩岸过程的力学机制，采用力学方法建立相应的岸坡稳定分析模型，对河岸的崩塌进行研究。

当前国内外学者对岸坡稳定性的研究多基于静力平衡分析方法，主要以Osman和Thorne[25]提出的均质黏土河岸稳定性分析模型为代表，该模型考虑了冲刷作用下的河岸横向展宽、临界坡度、岸坡所受剪切力等因素的影响。Millar和Quick[26]在岸坡稳定性计算中，具体分析了岸坡泥沙中值粒径和内摩擦角对岸坡稳定系数的影响。Darby和Throne[27]对Osman和Thorne的模型加以改进，其河岸破坏模式包含平面滑动和圆弧滑动2种，并考虑了静水压力和孔隙水压力的影响。Amiri-Tokaldany等[28]在Darby和Thorne的模型基础上，将均质土岸坡改进为多元结构土体岸坡。美国农业部泥沙实验室以Osman和Thorne的模型为基础开发出的BSTEM模型，是当前常用的河岸稳定性模型之一，其河岸稳定性模块可综合考虑河岸的物质组成和分层、植被作用和护岸工程等对河岸稳定性的影响。众多学者运用BSTEM模型对崩岸进行了研究，如王博等[29]使用该模型中的河岸稳定性模块对长江中游河道典型断面水文年内不同水位时期、河岸形态及植被类型进行了分析；袁帅等[30]采用遥感数据和BSTEM模型对七弓岭弯道崩岸情况进行了多尺度研究。马崇武等[8]采用Bishop法分析了河道水位及河岸土体潜水位的变化对岸坡稳定性的影响，结果表明河岸土体中潜水位的变化滞后于江河水位变化是造成快速退水时河岸更容易破坏的主要原因。段金曦等[31]考虑动水压力对河岸崩塌的作用，提出了岸坡滑动的计算方法。王延贵和匡尚富[32]在研究陡坡和垂直岸滩的崩塌挫落机制的基础上，根据对河岸崩塌体稳定分析，推导出了折线河岸初次崩塌与二次崩塌的临界崩塌高度的计算公式。王党伟等[33]总结并阐述了非黏性土、黏性土及二元结构河岸冲刷过程的数值模拟方法。假冬冬[6]在Osman和Thorne的模拟方法基础上，从三维角度分析了二元结构河岸相邻河岸土体对岸坡稳定性的影响。邓珊珊等[9]以Darby和Throne提出的方法为基础研究了河道水位变化对河岸稳定性的影响。

基于不同观点提出的瑞典圆弧法、Bishop法、Janbu法、Morgenstern-Price法、Spencer法等岸坡稳定分析方法都属于极限平衡法，在岸坡稳定分析中被广泛使用，研究的深度和考虑的因素也越来越全面，涌现了很多研究成果。但是，极限平衡法难以考虑到岸坡破坏的内在变形过程和变形机理及河道水位变化情况下的渗流情况。随着计算机技术的快速发展，有限元分析方法也被广泛采用，相比之下有限元分析法可同时考虑河岸土体中的应力、变形、渗流等情况下的岸坡稳定性问题，计算结果通常比极限平衡法更符合实际情况。如张幸农等[12]采用二维渗流有限元程序SEEP/W进行了渗流计算，计算结果与概化模型试验结果基本对应。叶威等[34]借助SEEP/W和SLOPE/E模块，对渗流和岸坡稳定性进行了耦合分析，研究了河流冲刷作用下的堤岸稳定性演化规律。

4.2 概化模型试验

由于河道崩岸机理非常复杂，也有较多学者尝试通过概化模型试验来研究河岸崩塌机理。借助室内便利的量测条件，观察崩岸形成过程以及测量各种影响因素，对揭示崩岸形成的动力机制及其规律十分必要。1976年Frydman和Beasley[35]对概化后的河岸边坡模型进行离心试验，通过对岸坡土体位移与应力变化的监测，分析了可能出现的滑移面形态。Fukuoka[36]在日本新川的河漫滩上通过人工挖一弯曲河槽，对河岸进行冲蚀试验，提出二元结构河岸侵蚀过程的3个阶段，并给出了上层黏土河岸悬挂临界宽度的计算方法。岳红艳等[37]采用塑料沙填筑二元结构河岸，通过试验观测与分析，将河岸崩塌过程分为5个阶段，并总结了河岸坡比、河岸上下层厚度、流量等对崩岸的影响。王路军[19]在直道水槽与弯道水槽中采用天然沙修建模型，研究了水位差、退水速度、土体结构等多种影响因素对河道崩岸的影响。Lindow等[38]通过室内试验，研究了渗流、孔隙水压力对3种不同坡度组成的二元结构河岸的稳定性的影响。张幸农等[39]利用长江中下游典型崩岸河段原型沙，建立了河岸概化模型，研究了坡体前后存在水位差及水流冲刷作用和不同坡度条件下的河岸崩塌情况，认识到渗流强度、坡面流速和河岸坡度越大的情况下河岸越易发生崩塌。Samadi等[40]采用2种土样进行室内水槽试验，通过破坏河岸基础一定深度使河岸上部土体悬空，试验给出了悬臂崩塌的破坏模式及相应的机理。余明辉等[41]对由非黏性土组成的岸坡在弯道水槽中进行试验，研究了不同水力条件和岸坡条件下的河岸崩塌模式及河岸侵蚀过程中河道断面水流结构变化规律。宗全利等[42]通过试验研究了荆江河段二元结构河岸崩塌机理，提出上荆江崩岸以平面滑动为主，下荆江河岸以绕轴崩塌为主，并根据二元结构河岸在不同时期(枯水期、高水期和退水期)的崩塌形式及过程，给出了相应的崩塌计算模式。

综上可见，河岸稳定性数值模拟主要通过对可能影响岸坡稳定的因素、可能的变形破坏方式及失稳力学机制进行分析，借助于不同的计算分析方法，如极限平衡法、有限元法等计算确定特定状态下的岸坡稳定安全系数。概化模型试验研究主要通过对河岸崩塌过程及崩塌模式进行观测，多采用控制变量法变化单一影响因素来研究各种因素对河道崩岸的影响，并涉及对崩岸过程中河岸内部应力场变化、土体性质及水力参数等的监测，目前的研究中系统定量研究成果还不多。

5 河道崩岸机理研究中的不足

迄今为止，不少学者已围绕崩岸机理开展了大量的研究。以往的研究工作多从河道已发生崩岸现象的影响因素着手进行理论分析与总结，或通过数学模型计算和概化模型试验进行崩岸研究，并取得了较丰富的研究成果。但是受限于研究手段和试验条件，当前的研究还不能完全解释清楚崩岸产生的原因及过程与机制，针对河道崩岸问题的研究尚存在以下不足。

(1)河道崩岸的影响因素众多，而崩岸的发生往往是多个因素之间共同作用的结果，在崩岸研究中如何将各因素分离并量化其影响仍然有一定困难。另外崩岸机理涉及泥沙运动力学、河床演变学、土力学等多个学科的内容，当前学科综合交叉研究还不多，而且各学科学者研究的出发点也各不相同，现有的观点还不能全面揭示河道崩岸的机理。

(2)崩岸数值模拟技术还不够完善。首先，当前的崩岸数学模型计算过程基本都进行了大量简化，考虑的因素不甚全面，从而影响计算精度；其次，岸坡稳定性分析多采用静力平衡法，计算采用崩岸时的临界应力条件，无法体现岸坡实际的破坏变形过程和变形机理，只能探究特定情形或固定指标下的岸坡稳定问题;再者，多过程融合模拟还需改进，如进行冲刷作用下的崩岸预测，通常还是将河道冲刷和岸坡稳定性分析作为2个“耦合”步骤，并未实现真正的多过程融合模拟;最后，当前的研究大多将崩岸数值模拟作为二维问题来解决，虽有三维模拟的尝试，但还很不完善，而考虑到水流、河岸及相邻土体之间的作用等，三维模拟是很有必要的。

(3)概化模型试验模拟精度还需进一步提高。采用常规模拟方法难以做到试验河道与天然河道完全相似，如模型沙在试验中虽较易满足泥沙起动、沉降等运动相似条件，但难以做到土体的力学性质(特别是黏结性)、渗流条件等与天然河道相似;其次，受限于量测技术，试验量测结果还不够精细，量测参数也很难全面;最后，崩岸概化模型试验中对河岸土体内部的应力变化过程关注还较少。