河岸临界崩塌高度的研究

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1、水利学报年月第卷第期文章编号河岸临界崩塌高度的研究王延贵匡尚富国际泥沙研究培训中心北京中国水利水电科学研究院北京摘要从河床冲刷下切与河岸应力的变化关系出发分析了陡坡和垂直岸滩的崩塌挫落机制在河床冲刷下切或者岸滩淘刷的过程中黏性岸滩会出现纵向裂隙促使河流岸滩崩塌通过河岸崩塌体的稳定分析导出折线河岸初次崩塌及二次崩塌的临界崩塌高度公式河岸崩塌高度主要取决于河岸边界水流因子渗流强度河道冲淤和岸坡土质等方面的因素当河岸高度大于临界崩塌高度时河岸发生崩塌利用天然河岸崩塌高度的研究成果与模型沙崩塌高度的试验资

2、料检验岸滩崩塌高度公式的合理性证实了计算结果与实际基本相符关键词河床冲刷河岸稳定性河岸崩塌崩塌高度中图分类号文献标识码研究背景河岸崩塌是来水来沙条件河道冲淤演变岸边土壤地质构造等诸因素共同作用的结果其中河岸土质条件是崩岸发生的内因河势水流条件是崩岸发生的外因目前关于岸滩崩塌机理的研究主要从水流因素河床演变岸滩稳定等方面进行其中考虑岸滩土壤特性与结构的稳定分析的研究较多近期并引入概率分析的方法而考虑多因素的综合研究成果较少在天然河流或模型试验中当河床冲刷下切或岸滩侧向侵蚀和淘刷形成陡立的岸滩甚至形成

3、倒坡岸滩河岸会发生崩塌最典型例子就是水库下游河道的冲刷水库兴建改变河道的水沙条件初期拦截大量泥沙导致下游河道严重冲刷与下切岸滩的稳定性发生变化促使河岸崩塌发生汉江丹江口水库蓄水运用前后下游河道崩岸对比成果表明蓄水后崩岸总长度大于蓄水前长江三峡蓄水初期造成下游河道大幅度冲刷河岸崩塌特征同样会发生变化给两岸防洪及建筑物的安全产生重要影响因此冲刷下切对崩岸的影响及河岸崩塌的临界条件仍需要进行深入研究河岸挫落崩塌的力学机制当岸坡土壤黏性较大河岸淘刷或河床下切河岸较陡或呈直立状态河岸内部的应力场将发生一定的

4、变化河岸稳定性也将发生变化河岸内部应力场的变化类似于挡土墙主动应力场的变化特点河床冲刷下切后的河岸崩塌机理可以利用挡土墙的破坏原理进行解释根据土力学理论岸滩表面以下土体的应力分布见图图当河床冲刷下切到一定深度或河岸侧向冲刷使主槽向岸边逐渐逼近由于岸滩的土体一侧泥沙被冲走表面以下土体水平压力减小且处于弹性变形状态图若河槽进一步冲刷加深或深槽贴岸使岸坡变陡使得岸滩土体由弹性变形发展为塑性破坏的极限平衡状态图此时岸滩顶部会出现拉应力进而出现与岸线平行的张性裂隙在极限平衡状收稿日期作者简介王延贵山东郓城人

5、博士教授级高级工程师主要从事水力学及河流动力学研究态下土体垂直方向的自重应力与由而派生的水平侧向压力有如下关系图式中和图中为自重应力为侧压力为切应力为土的抗剪强度为土的黏结力为土的内摩擦角图河岸崩塌挫落机制当土体发生张隙裂缝时其水平侧应力对应的深度应为裂隙的深度由此求得上式说明岸滩顶部厚度为的土层内的土压力为负值区正是张力带所在也正是产生张裂隙的深度范围由上可见在河床下切过程中河岸上会出现纵向张性裂缝继续冲刷河道会发生崩岸河岸以挫落的形式崩塌对应的破坏面是平面岸坡的稳定性取决于河道深度与张裂隙发育

6、深度的对比关系在抗张能力较小的粉沙亚黏土中河流冲刷加深到一定程度就会产生张裂隙促使岸坡挫落或滑动河岸崩塌高度的分析河岸崩塌高度公式的推导河床冲刷下切过程中能够维持岸滩稳定的最大高度称为岸滩临界崩塌高度或称岸滩临界坍落高度河岸高度大于临界崩塌高度时岸滩将发生崩塌河岸崩塌普遍存在很多研究学者就河岸崩塌高度进行了研究文献利用水槽就模型沙的坍塌过程及坍塌高度进行了试验研究文献对河岸崩塌高度进行了理论分析与计算文献对河道挫落崩塌过程简化处理后利用稳定分析的方法就简单边坡单一边坡的河岸崩塌高度进行分析求得相应

7、的计算公式并应用于河道计算但是该项成果仅适用于简单边坡而且没有考虑高水位的渗流作用假定河岸崩塌体为刚性在黏性岸滩顶面出现张隙裂缝的情况下河床冲刷后最可能的滑裂面应该为如图所示考虑高水位浸泡及渗流作用的影响文献通过河岸崩塌体的稳定分析得到一般的折线边坡河岸的稳定系数公式式中为崩塌体的有效重量为崩塌体所受的渗透动力为渗透力与水平线的夹角与渗流方向一致为破坏面的倾角为河岸土体的内摩擦角为凝聚力对于如图所示的崩塌体而言崩塌体的有效重量为图挫落崩塌稳定分析崩塌体所受的渗透动力为把代入式可得式中为土体饱和容重

8、为水的容重为土体容重为渗流梯度的绝对值为渗透面以下的崩塌面积为整个崩塌体的断面面积且把代入式整理得式中主要反映破坏面坡度和土壤内摩擦角影响的参数反映渗流强度的作用反映河岸破坏面与河岸形态的影响称为河岸强度系数反映河岸土壤黏性与重力的对比关系其值越大河岸强度越高也越稳定河岸崩塌体参数反映了河岸崩塌体的大小求解方程得上式即为河岸崩塌高度的一般计算公式若取稳定系数时上式即为河岸临界崩塌高度公式当河岸高度大于临界高度时将发生崩塌从上式可以看出影响河岸崩塌高度的因素包括河岸边界条件水流条件和