岸滩侧蚀坍塌的力学机制及理论模式

2023-06-21 理论教育版权反馈

【摘要】：图6.2-1二元结构岸滩侧蚀坍塌过程示意图6.2.1.1 坡脚侧蚀冲刷模式对于坡脚侧蚀后退过程而言，与水流的直接冲刷密切相关。因此，所建立的公式可较好地反映岸滩侧蚀规律。

天然冲积河流中，岸滩沿垂向往往具有分层特征，其中二元结构岸滩是最为常见的形式之一，其下部为非黏性砂组成，上部为黏性土，长江中游荆江岸滩即为典型的二元结构。当河床下部非黏性土被水冲走后，而上部黏土层能够保持原状时，则出现悬挂的土块，如底部淘刷而使得土块的宽度增大、强度降低，将使悬挂土块不能支持而坍落。其侧蚀坍塌机理可分为两个相互作用的过程，如图6.2-1所示，一个是水流直接淘刷下部非黏性沙层的侧蚀过程，另一个就是上部黏性土层在重力作用下的失稳过程。二元结构岸滩上部黏性土层由悬移质（包括冲泻质）中的细颗粒泥沙沉积而成，并经历了长时间的密实和黏结过程，具有较强的抗冲性，坍塌后的上部黏性土体将堆积于近岸坡脚处，对覆盖的近岸河床起着掩护作用，但随着水流的冲刷搬运，岸滩将进一步侧蚀坍塌。因此，需对坡脚侧蚀冲刷模式、上部土体坍塌模式以及坍塌后的掩护作用机制等动力学过程进行研究，并建立相应的力学模式，从而为岸滩侧蚀数值模拟提供力学依据。

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图6.2-1　二元结构岸滩侧蚀坍塌过程示意图

6.2.1.1 坡脚侧蚀冲刷模式

对于坡脚侧蚀后退过程而言，与水流的直接冲刷密切相关。本研究认为坡脚侧蚀后退为坡脚受水流直接冲蚀而造成的后退过程。基于水流冲刷分析，在基础层面上建立了坡脚侧蚀冲刷模式，岸滩侧蚀冲刷速率为

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式中：λ为岸滩侧蚀系数，与岸体性质有关，由实测值确定；γb为岸滩容重；u为近岸处水流流速；u c为泥沙起动流速。

利用南京水利科学研究院关于岸滩侧蚀冲刷水槽试验结果对坡脚侧蚀模式进行分析验证，并对式（6.2-1）中的岸滩侧蚀系数λ进行了初步率定。验证结果如图6.2-2所示，随着水流冲刷力的增强、岸滩抗冲性的减弱，岸滩的侵蚀速率增大，公式的计算值与实测值基本吻合。因此，所建立的公式（6.2-1）可较好地反映岸滩侧蚀规律。

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图6.2-2　侧蚀速率计算值与实测值对比

6.2.1.2 上部土体坍塌模式

当河岸下层的非黏性土层冲蚀的宽度达到极限状态后，上部挂空的黏性土层将会受拉崩裂，基于三维受力分析，求得以绕轴坍塌方式崩岸时二元结构中上部黏性土层的临界挂空长度为

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式中：γb为土体容重；H u为上层土体厚度；B为上层土体宽度；T b为土体抗拉强度；c为土体黏性系数；p b为掩护系数；i为序号。

根据二元结构下层非黏性层的实际冲刷距离ΔW以及临界挂空长度ΔW c就可以判断上层黏性土层的稳定与否：当ΔW＜ΔW c时，河岸上部黏性土层不会受拉而发生坍塌；当ΔW=ΔW c时，河岸上部黏性土层处于坍塌临界状态；当ΔW＞ΔW c时，河岸上部黏性土层将会受拉而发生坍塌。

结合日本新川河槽野外试验数据对本模式进行计算分析。试验数据中黏性土层T b=14.3k N/m2、c=10k N/m2、γb=18.9k N/m3、H u=1.2m。由式（6.2-2）计算得到的临界挂空长度为0.8m，与实际坍塌的临界挂空长度0.7m较为一致。

6.2.1.3 上部坍塌土体对近岸河床的掩护作用机制

对于具有明显分层特征的二元结构岸滩，上、下层抗冲性差异较大，当坍塌的上层黏性土体堆积在坡脚处河床时，其抗冲性增强，对覆盖的近岸河床起着掩护作用。这里假定二元结构岸滩上部黏性土层坍塌后，按一定比例（掩护系数p b）均匀分布在近岸处形成掩护层，另一部分（1-p b）则以源项形式转化为悬沙。掩护系数p b由水流条件确定，当流量大、水体紊动强时，该值较小，也即坍塌体转化为悬沙的比例较大；反之p b则较大。由于坍塌的黏性土层并未及时与原床沙进行交换，此时河床级配可由上层黏性土层级配来确定，同时记录原河床级配及掩护层厚度H f。其中掩护层厚度H f由上部黏性土层的坍塌厚度H u、长度ΔW c以及岸坡长度l b来确定，即

式中：H f为掩护层厚度；l b为岸坡长度；p b为掩护系数，取值一般为0.3～0.9。

岸滩侧蚀坍塌的力学机制及理论模式

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