河道崩岸机理研究

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1、河道崩岸机理研究43余明辉段文忠窦身堂(武汉大学水资源及水电工程科学国家重点实验室武汉430072)摘要：在总结以往长江河道崩岸问题研究成果的基础上，重点分析了不同河型河道崩岸的特点及机理，提出了岸坡滑动的计算模式、稳定岸坡的坡降、河道崩岸的预测方法等。关键词：崩岸机理；抗滑稳定；稳定岸坡；崩岸预测；长江崩岸是河道水流与河岸土体相互作用的结果，水流作用于河岸，使河岸岸坡变陡失稳；河岸土体的结构与土质组成的物理特性决定了河岸的抗冲、抗淘能力而保持河岸的稳定。水流作用与河岸土体的结构与土质组成的物理特性是矛盾的两个方面，在研究崩岸问题时，应着霞关注以下几个

2、方面：①崩岸前夕的河岸状况及附近河势与流场，探求崩岸的临界条件与水流及河岸物理特性参数的关系；②崩岸发生后的堆积体状况及附近的河势与流场，探求崩岸强度、崩岸形态与水流及河岸物理特性参数的关系；③崩岸终止时新河岸的物理特性及附近的河势与流场，探求堆积体的搬运过程及其对附近河势与流场的变化的影响。河床与河岸物质组成复杂，它们与水流相互作用，构成一个错综复杂的系统，因而在不同河流或同一河流的不同河段上，造成崩岸的形式及强度不同。近年来，该领域的研究成果主要包括：①根据崩岸河段的河岸土体物理力学性质、水流参数对崩岸原因、类型、崩岸强度等探求理论分析；②从河岸边

3、坡稳定性分析出发，建立崩岸的数学模型；③从水动力学一土力学方法出发进行分析研究。唐日长等根据荆江河道实测资料，认为作用于河床的水流强度、河岸土质组成、河床形态等是影响弯曲河道中凹岸崩塌强度的主要因素。荣栋臣针对荆江姜介子河段，认为地质基础差、河势发展接近地貌临界条件、水下石堆下腮的局部冲刷等是姜介子发生崩岸的主要原因。李宗璋在分析长江南京河段窝崩成因时，提出形成窝崩的动力是大尺度纵轴螺旋流。美国学者西蒙斯(D．B．Simons)等认为水力参数、河床与河岸物质组成的特性、河岸土体的物理特性、风浪、气候、生物、人类活动等是影响河岸侵蚀的主要因素。米勒(R．

4、G．Milliar)等认为河岸泥沙压实、与细沙掺混及与底部大量的泥沙黏结都会增加河岸的稳定，提出河岸泥沙的中值粒径和摩擦休止角是河岸稳定性分析的关键参数。奥斯曼(A．M．Osman)和索尼(c．R．Thorne)等从河床冲深与河岸侵蚀两个方面来分析黏性河岸，认为引起崩岸最常见的原因是：河岸侧向侵蚀过程使河道宽度增加并使岸坡变陡，或者是河床下切增加河岸高度。哈杰提(D．J．Hargerty)等认为河岸由多元结构组成、河流中的水位与地下水位经常不一致，会引起渗漏与管涌；渗漏和管涌均可带走渗漏层的泥沙，使其垫层变薄，上层土体失去或减小支撑力，从而引发崩岸。拉

5、格特(N．Nagata)等提出了一种数值分析的方法，通过建立非平衡输沙数学模型研究平面上崩岸岸线的变化速率及河床变形的过程。美国土木工程协会通过研究河宽调整模型，认为黏性与非黏性河岸的坍塌机纪念’98抗洪十周年学术研讨会优秀文集理有着明显的区别，黏性河岸比非黏性河岸的稳定性高一些。边坡稳定性分析方法主要分为两大类，即极限平衡方法和数值分析方法。极限平衡方法是工程实践中最常见的、使用最广泛的边坡稳定计算方法。常见有瑞典条分法、Bishop、Janbu、Spencer、Sarma和Mor-gentein方法，这些都是建立在二维平面应变问题基础上的方法。而事

6、实上土坡的失稳破坏是一个三维空间问题。三维极限平衡法将滑动土体分为土柱，使用类似于二维领域的处理方法进行土坡稳定性分析，但三维极限平衡计算方法远比二维复杂。在国内许多学者对此进行了研究，1987年O．Hung(香港)把Bishop简化法推广到三维情形，1988年张欣等将PRICE方法推广到三维情况，1999年冯树仁等提出了一种边坡稳定性计算的三维极限平衡计算方法。数值分析方法由于能够直接得出岩土体的应力、应变，能够模拟土体的破坏。特别是随着计算技术和商业软件的迅猛发展，数值分析方法逐渐受到人们的青睐。常见的有：有限元法、离散单元法、快速拉格朗日方法(F

7、LAC)等。另外，随着数值分析方法的不断发展，出现了不同数值分析方法结合使用，如有限元、边界元、无限元、离散元与块体元等的相互结合；数值解与解析解的相互结合以及非确定性的数值方法，如随机有限元、模糊有限元、概率数值分析等方法相互结合使用能充分发挥各自的特性，解决复杂的边坡问题。如张季如(2002)对边坡开挖作非线性有限元分析，获得边坡变形的大小和分布、塑性区的扩展状态、滑移面的形成、发展直至整体破坏的演变过程，并以此确定合理的滑移面位置，再用极限平衡法计算边坡的安全系数。由于与边坡稳定有关的因素菲常复杂，确定性计算方法无法概括其复杂性，一个经过抽象的数

8、学模型所求得的确定性解与实际情况相比会有一定的出入，为此，发展了许多不确定性方法。用于地质体的