长江荆江段二元结构河岸土体力学性能及崩塌试验

刘昭希，王 军，周银军，陈思含，金中武，陈 鹏

(1.长江科学院 河流研究所，武汉 430010； 2.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)

1 研究背景

崩岸是河道变形的一种表现形式。长江中下游河道的边界条件除小部分山体和阶地濒临江边以外，大部分是河漫滩冲积平原。河岸组成大部分为上层黏性土较薄、下层砂土层深厚的二元结构，总体来说抗冲性较差，河道平面变形和崩岸剧烈。按照崩岸的形态特征将崩岸分为5种类型：窝崩(或弧形“挫崩”)、条崩、“口袋型”崩窝、由滑坡形成的崩窝和洗崩[1]。许多外国学者研究分析了崩岸的影响因素，Osman等[2]提出造成崩岸最普遍的原因是河岸侧向侵蚀过程致使河道宽度增加和岸坡变陡，或者是由于河床下切增加了河岸的高度；Rinald和Casagli[3]强调了基质吸力对河岸稳定性的作用；Van der Mause等[4]分析了河冰对岸滩侵蚀的影响；Wang等[5]研究了连续的波浪侵蚀对岸坡稳定性的影响。国内许多学者通过模型试验对河道演变和河岸崩塌等进行了研究，其中，余明辉等[6]在弯道水槽中进行非黏性岸坡冲刷试验，提出近岸流速越大、水位越高，岸坡总冲刷坍塌量越大;张幸农等[7]通过概化模拟试验提出渗流强度越大破坏作用越大；岳红艳等[8]使用模型沙在荆江段河道模型上进行试验，提出了二元结构河岸崩塌的5个阶段；宗全利等[9]采用荆江河岸原型土在弯道水槽中对上、下荆江二元河岸崩塌过程进行模拟；杨怀仁等[10]根据荆江河段的实测资料，指出了弯曲河道中凹岸崩退强度的主要影响因素，并提出对崩岸强度起着主要作用的是汛期水流；张翼等[11]指出岸顶植被覆盖可增强岸坡稳定性。姚仕明等[12]指出在自然因素和人为因素共18个因素的崩岸影响权重总排序中，纵向水流冲刷排第一。

综上所述，目前对荆江河段的模型试验均设置在弯曲河道，难以避免弯道环流等因素对河岸稳定性的影响。为研究纵向水流和水位变化对二元结构河岸稳定性的影响，本文通过连续3 a对荆江河岸崩塌情况进行现场调查，分析荆江河岸崩塌特点；并取样进行土工试验分析土体物理及力学特性。本次概化模型试验主要针对二元结构顺直河岸，模拟一个水文周期内河岸的崩塌情况，观察并记录河岸的崩退过程及特点，分析流量-水位条件对二元结构河岸稳定性的影响。

2 研究区基本情况

荆江位于长江中游，上起湖北省枝城镇，下迄湖南省城陵矶，全长约347.2 km，河岸土体为上部黏性土和下部砂土组成的二元结构[13]。荆江以藕池口为界，分为上、下荆江。荆江来水量主要来自宜昌以上长江干流，三峡水库蓄水运行前(1993—2002年)多年平均径流量分别为4 346×108m3，蓄水后(2003—2015年)减少为4 098×108m3。2002—2013年，荆江段多年平均崩退速率约为15.0 m/a，崩岸总长达42.3 km，其中监利河段年均崩退速率约为14.3 m/a，岸线累计崩长达15.4 km[14]。据水利部长江水利委员会《长江泥沙公报(2019)》，2002年10月—2019年10月，荆江河段河床持续冲刷，其平滩河槽冲刷量为119 165万m3；2018年10月—2019年10月冲刷量为5 351万m3。沙市站多年平均年径流量(1955—2015年)为3 903×108m3，2018年和2019年的年径流量分别为4 329×108m3和4 059×108m3；年输沙量由3.51亿t(1956—2015年多年平均)减少至0.315亿t(2010—2019年多年平均)，其中2019年输沙量降至0.188×104t。2002年10月—2019年10月，荆江河段深泓纵向以冲刷为主，平均冲刷深度为2.94 m，最大冲刷深度为16.2 m。

三峡水库蓄水运用以来，受上游来沙量大幅减少的影响，荆江河段发生了幅度较大的沿程冲刷，但河道平面形态基本稳定；局部主流线摆动幅度较大，崩岸时有发生，如北门口下段2002—2013年间深泓最大摆幅高达1 120 m[15]。近年来荆江河段河床冲刷强度总体呈下降趋势，冲刷主要发生在枯水河槽内。2019年监利河段冲刷较大，其冲刷量占下荆江总冲刷量的73%。

3 现场调查及土工试验

3.1 崩岸现场调查

于2016年12月初(退水期)、2017年11月中旬(退水期)、2018年10月下旬(洪水期末期)，连续3 a对荆江8个典型崩岸断面进行现场调查。2018年查勘及取样断面位置如表1所示。

3.1.1 上荆江典型断面调查

上荆江长约171.7 km，为微弯分汊河型河道，河岸上部的黏性土层通常较下部的砂土层厚，下部砂土层顶板高程往往低于枯水位[16]。如图1所示，荆47断面河岸在洪水期水位34.29 m(2018年10月)以上有植被保护，河岸稳定性较好，在退水期水位32.37 m(2017年11月)较低时，河漫滩呈现出砂土层。荆55和荆61断面河岸岸坡较陡，坡面基本无

表1 查勘断面的位置Table 1 Locations of the survey sections

图1 荆江河段示意图及取样点现场Fig.1 Sketch map of the Jingjiang Reach and locations of bank soil sampling sites

植被覆盖，河岸呈台阶状，大量中小型黏土崩块堆积覆盖在岸坡，崩岸形式主要为洗崩和由滑坡形成的崩窝。荆73断面河岸坡面植被覆盖率逐年增加，河岸崩塌以洗崩和挫崩为主；2016年和2017年查勘时，沿岸岸坡呈台阶状，这是由于长期受水面风浪的冲击；2018年10月由于下部岸坡变陡，上部黏土层失稳出现弧形挫崩，崩块堆积在下部岸坡。

3.1.2 下荆江典型断面调查

下荆江长约175.5 km，为典型弯曲蜿蜒型河道，河岸上部的黏性土层比下部的砂土层薄。根据现场调查情况，石3断面近年来，由于其岸坡较陡，岸线崩退严重；石首北门口附近岸线实施了护岸工程，仅已护岸两端部位被冲刷，但是未实施护岸工程的岸线崩岸情况依然较为严重[10]，荆98断面河岸上部黏性土层较薄且夹有砂土层，降低了河岸稳定性，近年来崩岸情况严重(2002—2016年右岸累计崩宽高达332 m)，断面附近岸线在平面上呈锯齿形，崩岸类型多为条崩和窝崩；位于来家铺的关39断面河岸上部黏性土层较薄且有砂土夹层，崩岸情况严重，主要崩岸类型为洗崩和窝崩；熊家洲附近河岸近年来崩退严重，在2018年10月查勘时发现河岸中部土体存在地下水渗流现象，渗流对土体产生向外的压力不利于岸坡稳定；位于熊家洲的荆178断面河岸上部土体掺杂大量砂土，且岸顶有长近10 m的错缝、岸边灌木失稳倾倒，降低了土体抗剪强度和岸坡稳定性，加剧了河岸崩退，如图1所示。

据长江科学院统计成果，2003—2018年荆江段有超过200起崩岸险情发生，主要发生在10月—次年4月。其中，55%的崩岸断面位于下荆江，45%的崩岸断面位于上荆江；60%的崩岸发生在左岸，40%的崩岸发生在右岸[17]。荆江段崩岸分布规律主要表现为左岸多于右岸，下荆江多于上荆江。

3.2 土工试验

为了分析荆江河岸土体的组成、物理及力学特性，对8个典型断面河岸上部的黏性土取样进行土工试验。试验检测方法标准依据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)和《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001(2009版))。天然状态下荆江河岸土体的物理指标(2018年)见表2。

表2 河岸土体的物理性质指标Table 2 Physical properties of riverbank soils

由表2可知，河岸黏性土层主要由粉质黏土、淤泥质粉质黏土和淤泥质黏土组成，其中粉质黏土占比50%，说明荆江河段的黏性土以粉质黏土居多，按塑性图分类均为低液限黏土。由于取样及测试时间为洪水期末期，水位较高，土体含水率均>30%，饱和度均较大。荆47断面右岸和荆98断面右岸土质结构如图2所示。结合王军等[13]和刘昭希等[18]在2016年和2017年的取样及土工试验结果，荆47断面右岸出露在枯水位以上土体为粉质黏土；荆55和荆61断面上部黏性土层为粉质黏土和淤泥质粉质黏土，中间夹有细砂或粉砂层；荆73断面上部黏性土层主要为黏土和淤泥质粉质黏土；石3断面的黏性土层较薄，主要为粉质黏土和淤泥质黏土；北门口断面(对应本次荆98断面)上部为粉质黏土，下部为细砂；来家铺断面(对应本次关39断面)上部土体为粉土；熊家洲断面(对应本次荆178断面)上部土体为粉质黏土和淤泥质粉质黏土。上述情况说明通常荆江河岸土体垂向分层明显，且土质沿程变化不大，在时间尺度上的变化也不大。

图2 土质分层结构Fig.2 Soil layer structure

3.3 黏性土的力学特性

根据库伦定律，土的抗剪强度τf=σtanφ+c，其中σ为破坏面上的法向应力，φ为土的内摩擦角，c为土的黏聚力。抗剪强度主要受土的黏聚力和内摩擦角的影响，因此本文针对荆江河岸上部的黏性土，主要讨论的力学特性指标为黏聚力和内摩擦角。

天然状态下，荆江河岸黏性土的黏聚力为6.1～16.5 kPa，内摩擦角为4.2°～18.3°。拟合2016年、2017年和2018年8个典型断面黏性土(重塑土)的直剪试验结果，得到含水率与抗剪强度指标的关系曲线(图3)和定量关系式，如式(1)—式(6)所示。黏聚力随含水率的增大，先增大后减小，黏聚力达到峰值的临界含水率约为16%；内摩擦角则随着含水率的增大而减小[18]。

图3 含水率与抗剪强度指标的关系Fig.3 Relations between moisture content and shearstrength parameters

黏聚力与含水率的定量关系式如下。

荆江：

c=0.001 6ω3-0.126 5ω2+2.601 6ω+2.478 7,

R2=0.670 7 ；

(1)

上荆江：

c=0.001 7ω3-0.133 3ω2+2.678 5ω+2.983 5,

R2=0.670 8 ；

(2)

下荆江：

c=0.001 5ω3-0.124 6ω2+2.687 1ω+0.308 3,

R2=0.678 2 。

(3)

内摩擦角与含水率的定量关系式如下。

荆江：

φ=122.11e-0.084 1ω,R2=0.662 ；

(4)

上荆江：

φ=134.03e-0.091ω,R2=0.669 8 ；

(5)

下荆江：

φ=115.9e-0.079 5ω,R2=0.672 7 。

(6)

根据上荆江、下荆江和荆江分别的趋势线及公式可以看出三者变化趋势相差不大，说明荆江河段河岸土体力学特性沿程基本一致。

4 概化模拟试验

4.1 试验概况

为研究纵向水流对河岸稳定性的影响，采用荆98断面河岸黏性土(黏粒含量为18.9%)和砂土(D50=0.35 mm)为试验材料。试验设置在长直型水槽中，概化模拟一个水文周期内河岸的崩塌情况。试验岸坡长3 m，每间隔1 m标定1#和2#断面观测河岸形态变化，水槽平面布置如图4(a)所示；岸坡依照荆47断面右岸形态概化为梯形截面(上底20 cm、下底50 cm、高15 cm)，几何比尺为1∶100，岸坡上部黏性土层厚10 cm，下部砂土层厚5 cm，如图4(b)所示。试验过程中，对试验岸坡上部土体进行取样并测定含水率，以分析试验进程中河岸含水率变化情况。取样间隔时间为1 h，变阶段节点为0.5 h，每次在岸尾区域取两环刀土，采用烘干法测定土样含水率，每组含水率取平均值。

图4 试验布置示意图Fig.4 Sketches of experimental flume and bank slope

由于原状土不宜铺设成型，所以对取样土体进行研磨重塑，重塑后黏性土的粒组含量如图5所示。

图5 试验土体(重塑土)粒组含量Fig.5 Particle gradation of remoulded test soil

表3 概化试验方案Table 3 Experimental groups

4.2 试验方案

将一个水文年内的枯水期、涨水期、洪水期和退水期的时长按照时间比尺1∶720进行概化，模拟不同工况下的岸坡冲刷和崩退情况，试验方案如表3所示。本次试验采用WJGS-II河工模型试验综合控制系统控制流量，通过调整尾部拦水闸来控制水槽内水位，采用水位站测量水位，流速测量仪器为LS-501E型便携直读流速仪。为使试验岸坡接近自然状态，试验土体铺设成型后，使之自然沉降15 d再进行试验。

5 试验结果及分析

5.1 崩岸过程及特点

不同时期，试验岸坡的冲刷、崩岸过程及特点如下：

(1)枯水期，岸坡坡顶高程均下降约0.5 cm，试验岸坡未发生明显冲刷现象，岸坡形态基本不变，河岸处于稳定状态。

(2)涨水期，水位上涨至10.8 cm，流量增大，下部砂土受水流持续淘刷，如图6(a)所示；上部黏性土受水流冲刷下切，导致水位以上的黏性土层悬空，当黏性土的挂空宽度达到临界值时，岸顶产生裂缝，悬空土体在重力作用下会发生落崩(包括旋转落崩、剪切落崩)。由于崩体较小，落水后通常被淹没，进而受水流冲刷直至消失。经过2 h的持续冲刷，岸坡的最大挂空宽度为1.5 cm。在涨水期，岸坡局部崩岸频繁发生，处于不稳定的状态。

(3)洪水期，随着水位升高淹没岸坡，悬空土体全部崩落，如图6(b)所示；此时期，高水位大流量水流持续冲刷河岸，砂土被持续淘蚀，黏土受到冲蚀，岸坡发生大幅崩退，如图7所示，两个断面的岸坡均受冲严重，其中1#断面下部砂土层受冲刷后坡脚缩进最大宽度Lmax=17 cm，河岸崩退宽度D=3.5 cm；2#断面坡脚受冲刷后缩进，且有黏土和砂土的混合体呈三角形堆积在河床，河岸稳定性很低。

(4)退水期，水槽内的水位迅速下降5 cm。由于河岸受到的侧向水压力减小，同时土体中产生了向外的渗透水压力，导致滑动面上的滑动力增大，加上纵向水流对岸坡的持续冲切，降低了岸坡的稳定性[6]，岸坡会迅速发生崩塌，如图6(c)所示。根据试验结果，岸坡坡脚受冲后退约20 cm，上部岸坡最大崩退宽度约10 cm，上部土体的挂空宽度为1～1.5 cm。若经历下一个低水位时期，挂空土体的含水率会随着时间的增长而减小，当土体的抗剪强度降低到临界值，岸顶会出现裂缝，导致岸坡崩塌，通常表现为拉伸破坏、剪切破坏和悬臂破坏。

图6 岸坡崩退过程Fig.6 Process of riverbank collapse

图7 不同时期河岸断面形态Fig.7 Changes of cross-sectional profiles indifferent periods

根据本次试验，二元结构河岸崩塌的5个阶段为：首先河岸坡脚受冲刷变陡；然后岸顶裂缝形成发育；岸坡渐进侵蚀；河岸失稳导致崩塌；最后，岸坡形态趋于稳定，进入下一次河岸崩塌循环。与岳红艳等[8]使用模型沙在长江防洪模型(荆江段)所做试验提出的二元结构河岸崩塌的5个阶段基本一致。根据现场调查情况，荆江河段的实际崩岸险情大多发生在洪水期和退水期。本次试验结果为枯水期时河岸稳定性较高，涨水期时河岸会产生局部崩岸，洪水期和退水期时坡脚冲刷和崩岸强烈，因此，试验结果与荆江段实际情况基本一致，说明本次概化模型试验可靠性较强。

5.2 流速分布及对崩岸的影响

为分析流速分布对河岸崩塌过程的影响，在试验过程中测得不同工况下1#、2#断面的水槽中线上的垂向流速分布如图8所示。在不同工况下，流量越大，流速越大；各垂线各点平均流速分布沿相对水深方向上为近似线性或微小震荡分布。纵向水流主要通过对河岸土体的侧向冲刷，特别是岸脚淘刷，降低了河岸稳定性。

图8 垂向流速分布Fig.8 Distribution of vertical velocity

通过试验观测，确定本次试验条件下的黏性土层普遍动时的起动流速约为0.37 m/s。由式(7)计算起动切应力[19]，即

(7)

式中：R为水力半径(m)；J为水力坡度；n为粗糙系数，试验水槽为混凝土表面，较为洁净，所以n取0.013；v为起动流速(m/s)；γ为水的重度，取9.8 kN/m3。计算得此次黏性土的起动切应力τc=0.531 N/m2，与张翼等[11]、夏军强等[16]的试验结果0.50 N/m2相差6.2%，说明此次试验及计算结果可信。

当枯水期Q=10 L/s，H=6 cm时，最大瞬时流速为0.23 m/s，小于河岸土体的起动流速，未达到起动条件，河岸保持稳定；当涨水期或退水期Q=20 L/s，H=10 cm时，流速为0.41～0.45 m/s，当洪水期Q=30 L/s，H=15 cm时，流速为0.50～0.55 m/s，均大于起动流速，在涨水期、洪水期和退水期的工况下河岸均会受水流冲刷作用而发生失稳崩退。

5.3 河岸稳定性分析

随着不同时期水位的变化，含水率呈现出明显的变化。由黏性土的力学特性可知，河道内水位的高度和持续时间会影响河岸土体的含水率，进而影响土体的力学性质和岸坡稳定性[18]。

如图9和图10所示，土样的初始含水率为5.56%，枯水期时水位较低，持续3.5 h，下部砂土层达到饱和，毛细水作用使得上部河岸含水率以1.98%/h的增长速率缓慢增长至12.5%，此时土体黏聚力和内摩擦角均较大，抗剪强度较大，岸坡处于稳定状态； 涨水期，土体的含水率平均增长速率增大到5.7%/h，抗剪强度先增大后减小，2 h后河岸土体含水率大于临界含水率16%，河岸稳定性一定程度降低。洪水期，水位突变使得含水率以10.94%/min迅速升至45.33%，经历5 h高水位时期，含水率平均增长速率减缓至3.57%/h，此时含水率为61.39%(达到饱和)，土体抗剪强度极小，河岸稳定性极差。退水期时，水位以2.5 cm/min速度下降5 cm时，含水率迅速响应，以3.18%/min的速率迅速减小，在退水期末降至46.56%，此时抗剪强度指标值依旧很小，抗冲刷能力很弱，岸坡处于不稳定状态。

图9 试验岸坡土体含水率变化Fig.9 Water content of the riverbank soil

图10 含水率变化速率Fig.10 Change rate of water content

根据试验结果，各时期平均含水率变化速率为(1.98～5.70)%/h，而水位突变时，含水率变化速率可高达(1.35～10.94)%/min，因此，黏性土含水率对水位变化的响应速度快于对浸泡时长的响应速度。低水位小流量条件时，上部黏性土含水率变化较小，河岸稳定性主要受水流冲刷的影响；高水位大流量条件时，河岸稳定性受含水率和水流冲刷的影响均较大，高含水率导致土体抗冲性能降低，当水流切应力大于岸坡土体起动切应力0.531 N/m2时，既淘蚀下部砂土，也会直接冲刷上部黏性土，导致河岸崩退。

6 结 论

通过连续3 a对荆江进行实地查勘，分析荆江的崩岸规律及特点；通过室内土工试验分析河岸上部黏性土的物理及力学性能；并且根据不同工况下的概化模型试验分析了二元结构河岸的崩塌特点和影响因素。主要结论如下：

(1)荆江河岸土体垂向分层明显，为由上部黏性土和下部非黏性土组成的二元结构，且土质沿程变化不大，在时间尺度上的变化也不大。荆江段崩岸分布规律主要表现为下荆江多于上荆江，左岸多于右岸。

(2)二元结构河岸崩塌过程可概括为5个阶段，首先河岸坡脚受冲刷变陡；然后岸顶裂缝形成发育；岸坡渐进侵蚀；河岸失稳导致崩塌；最后，岸坡形态趋于稳定，进入下一次河岸崩塌循环。

(3)黏性土含水率对水位变化的响应速度快于对浸泡时长的响应速度。低水位小流量条件时，河岸稳定性主要受水流冲刷的影响；高水位大流量条件时，河岸稳定性受含水率和水流冲刷的影响均较大，含水率超过临界含水率16%后，土体抗冲性能降低，并且水流切应力大于岸坡土体起动切应力0.531 N/m2，既淘蚀下部砂土，也会直接冲刷上部黏性土，导致河岸崩退。因此，枯水期时河岸稳定性较高，在涨水期会产生局部崩岸，洪水期和退水期时坡脚冲刷和崩岸强烈。