河道内水位变化对防洪工程岸坡稳定性的影响

祝 静

(江西省修江水利电力勘察设计有限责任公司，南昌 330000)

0 引 言

江西省重点中小河流治理项目修水县黄港镇防洪工程位于黄港镇集镇修河流域，东临靖安县中源乡，南接奉新县澡溪乡，西南邻上奉镇，北接黄沙镇黄坳乡，防洪工程与修水县城相距35km。防洪工程堤防及建筑物均为5级，根据《水利水电工程施工组织设计规范》，防洪工程导流临时建筑物应为5级，土石围堰导流标准为洪水重现期10-5a，为此，本防洪工程按照5a一遇洪水重现期设计。

1 河岸土体特征

黄港镇防洪工程所在修河段属于典型冲积型河段，以该防洪工程为界，可以将修河段划分为上下两段，上段为微弯分汊型河道，而下段位于冲积平原。河段地层下部非黏性土层主要分布有粒径0.06-0.15mm细砂，地层上部黏性土层则主要为中值粒径在0.005-0.05mm之间的低液限黏土和粉土、壤土。部分断面河段地层上部黏性土层中又分布有粉土、黏土交错的分层结构，但粉土层厚度通常不大，仅占黏土层总厚度的2-4%。其余断面河段黏性土体结构均匀。

黄港镇防洪工程所在修河段河岸上下层土体组成不同，力学特征也存在较大差异。河岸下层土体呈现弱抗冲性，起动流速在0.5m/s以下；上层土体则表现为较强的抗冲性特征，起动拖曳力取值在0.2-0.5N/m2之间。河岸稳定性主要受到由内摩擦角和黏聚力等指标所表示的上部黏性土体抗剪强度影响。结合剪切试验可以看出，该防洪工程所在河段黏性土体内摩擦角位于15-32°之间，黏聚力则处于11.5-27.4kN/m2之间；且含水率是影响以上两个参数取值的关键：当含水率增大后，河道土体黏聚力先增大后减小；内摩擦角则持续减小。可见，该河段黏性土体抗剪强度在水文周期内随含水率变化而变化，且在枯水期内取较大值，在退水期和洪峰期内取较小值[1]。

该防洪工程二元结构河岸下部土层抗冲性差，水流淘蚀严重，上部黏土层在颗粒黏结力的作用下抗冲性较强，河岸下部坡脚遭受严重冲刷后，上部土层在重力等的影响下极易发生崩塌，稳定性不强。河岸上部黏性土体崩塌形式主要受水流冲刷程度、土层厚度、河岸形态等的影响。该河段近年来崩塌现象愈加严重，根据统计资料，自2010年以来近岸河床持续冲刷下切，深槽持续向右移动，河岸高度也不断增大，导致岸坡日渐陡峭，稳定性降低。2020年比2010年河岸累计崩退宽度增大160m，其中2010-2017年崩退宽度平均为19.8m，最大崩退宽度40m的情况出现在2015年；2018-2020年间则无明显崩塌发生。根据调查结果不难发现，该河段断面崩塌后岸坡表现为折线形，河岸上无垂直情况，下部缓和，上部黏性土层厚度大。

2 典型岸坡稳定性计算

2.1 参数选取

进行河道内水位变化对河岸稳定性影响分析所需参数主要包括岸坡形态、岸坡土体力学参数等，其中岸坡形态主要根据实测断面地形状况而定；而岸坡土体力学参数主要选自土工试验资料，具体见表1。文章选取防洪工程以上19m处右侧岸坡和防洪工程以下23.5m处左侧岸坡进行典型岸坡稳定性分析。右侧岸坡断面形态呈“W”形，河槽平均宽度1.5-1.7km；右侧岸坡断面整体较高，黏土层顶部高程达到32.4m，河槽高程16.5m，断面形态呈“V”形，河槽平均宽度1.3m。

表1 防洪工程所在河段岸坡土体物理力学参数

以2020年实测防洪工程以上19m处右侧岸坡典型断面地形为例进行岸坡形态参数确定：该断面坡顶的选择较为容易，按照黏土层顶面取值；而坡脚因处于枯水位以下，存在一定的观测难度，文章根据枯水位最小值和近岸河槽形态进行坡脚推测。枯水位水深均值根据枯水位以下河槽面积和水面宽度比确定，枯水位降低平均水深后与河岸的交点即为坡脚。为简化分析过程，暂不考虑坡脚冲刷细节，仅将坡脚横向冲刷宽度暂定为5.0m，以确定岸坡冲刷高度。

2.2 实测水位下岸坡稳定性计算

河道水位主要受降水等过程的影响较大，利用河段两个水文站实测水位过程插值便可求得断面1水位过程，而断面2水位则直接采用所设置的X水位站实测资料。根据实测资料，河道内水位于2020年3月底就从18.65m开始上涨，到5月底进入洪峰期，最高水位达到28.96m，9月初-10月底，水位迅速回落，到12月底退水期结束后水位降至19.45m。

河道断面1和断面2在2020年涨水前岸坡形态已知，结合断面河道内水位实际变化，应用一维非稳定渗流模型进行土体潜水位变化过程的确定，再借助河岸稳定分析模型进行岸坡稳定安全系数变动趋势测算[2]。根据渗流结果，滑动土体受河道水位影响较大，土体结构内部潜水位也存在较快变化，文章主要采用潜水位变动均值。

图1 2020年右侧岸坡断面1稳定性分析

图2 2020年左侧岸坡断面2稳定性分析

不同时期河道断面岸坡潜水位变化和岸坡稳定性系数取值不同，分期分析如下：

1)涨水期：随着河道内水位的上涨，侧向水压力增大，潜水位逐渐升高，但是仍未达到较高水平，导致孔隙水压力小，基质吸力大。故这一阶段岸坡稳定性有保证，发生崩塌的可能性不大，断面1和断面2处岸坡稳定安全系数均值分别为1.27和3.68。

2)洪峰期：河道内水位涨落频繁，侧向水压力也随之变动，潜水位继续升高，且已经达到较高水平，导致孔隙水压力增大，基质吸力减小。整体上看，这一阶段岸坡稳定性与涨水期相比略有下降，两个断面岸坡稳定安全系数均值分别为1.07和2.71。与此同时，岸坡稳定安全系数表现为高低波动态势，尤其在河道内水位骤降的过程中，岸坡稳定安全系数随之降低，其中断面1岸坡稳定安全系数降至1.0左右，意味着河岸已经处于崩塌状态。

3)退水期：潜水位降速下降，但是仍滞后于河道内水位，导致孔隙水压力仍较大，基质吸力小；河道侧向水压力消失后使得岸坡稳定性持续降低，两个断面的岸坡稳定安全系数分别降至0.88和1.56。由此可以断定，在退水期内断面1岸坡已经发生崩塌，而断面2岸坡崩塌的可能性较小。通过分析原因发现，此处河岸土体具有较大的渗透系数，滑动土体内潜水位表现出较大的变化，从而使河岸岸坡稳定性增强。

以上分析表明，在坡脚冲刷宽度和岸坡形态不变时，该防洪工程所在河道典型断面河岸在退水期内安全系数取值最小，发生崩塌的可能性非常大；而在洪峰期内，若水位快速下降，则也存在崩塌的可能。断面1岸坡在洪水期间水位骤降，岸坡稳定安全系数接近临界值1.0，进入退水期后该系数降至1.0以下，则也存在崩塌的可能。断面2岸坡稳定性在洪峰期和退水期内均下降，但是取值并未降至1.0以下，故发生崩塌的可能性不大。根据该河段历年汛后实测资料，断面1在2020水文年内崩塌18.8m，而断面2并无明显崩塌迹象，故文章计算结果与河道运行实际较为相符。

值得注意的是，文章分析过程仅考虑了岸坡稳定性受河道内水位变化的影响，而并未将真实的坡脚冲刷过程考虑进去，而河道运行的实际情况是，洪峰期内坡脚所遭受的水流冲刷十分剧烈，引发岸坡崩塌的可能性较大。

3 河道内水位变化速率对崩岸的影响

岸坡稳定性还受河道内水位变化速率的影响。河道内水位变化速率不同时，潜水位将受到影响，河岸滑动土体物理力学性质及受力状况也将发生改变，进而影响河岸稳定[3]。以该防洪工程所在河道断面1岸坡为例，通过计算岸坡稳定安全系数在涨水、退水等不同水位过程下的变动，分析水位升降速率对岸坡稳定的可能影响。

从图3(a)和(b)可以看出，在河道内涨水速率及退水速率不同的情况下岸坡稳定安全系数表现为不同的调整过程。由图可知，两个断面岸坡稳定安全系数的最大值均出现在涨水期最高水位之前。当河道内涨水速率上升时，岸坡稳定安全系数随之增大；而当退水速率上升时，岸坡稳定安全系数随之减小。无论是河道涨水减缓还是退水过程加快，均不利于岸坡稳定，且河岸岸坡在退水阶段稳定性较低，发生崩岸的可能性大。

(a)涨水速率不同的岸坡稳定安全系数

4 结 论

分析结果表明，该防洪工程所在河道内水位变化对岸坡稳定存在较大影响，且在岸坡形态不变的情况下，涨水期内岸坡稳定性较高，洪峰期内次之，退水期内最差。2020年实测河道水位的基础上所得到的断面1，即防洪工程以上19m处右侧岸坡在退水期内稳定安全系数值在1.0以下，说明该断面岸坡实际已发生崩塌；而断面2，即防洪工程以下23.5m处左侧岸坡稳定安全系数在1.0以上，岸坡具备一定稳定性。以上理论分析结果与河岸运行实际基本一致。此外，防洪工程所在河道内水位的升降速率也对岸坡稳定存在一定影响，分析结果显示，河道内涨水速率的下降及退水速率的升高均会使岸坡稳定性降低。文章的分析结果可为修水县黄港镇防洪工程设计提供借鉴指导，以保证防洪工程拦洪调蓄作用和社会效益的顺利发挥。