長(zhǎng)江河道崩岸機(jī)理

1、長(zhǎng)江河道崩岸機(jī)理岳紅艷余文疇摘要：崩岸是河道平面變形的具體表現(xiàn)形式。崩岸的發(fā)生由沖積河流河床演變規(guī)律所支配，它與水流動(dòng)力條件、泥沙輸移條件、河床邊界條件以及河道形態(tài)具有密切的聯(lián)系。側(cè)重從水流動(dòng)力條件及泥沙動(dòng)力學(xué)角度出發(fā)，分析了長(zhǎng)江二元結(jié)構(gòu)組成河岸崩坍的機(jī)理。崩岸的發(fā)生、發(fā)展是以泥沙運(yùn)動(dòng)為紐帶，通過(guò)水流與河床的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的 ，近岸泥沙運(yùn)動(dòng)對(duì)河道崩岸 的發(fā)生有著重要的影響。關(guān) 鍵 詞：崩岸；水流沖刷；泥沙輸移；長(zhǎng)江1概述在河道自然演變過(guò)程中，崩岸的發(fā)生具有普遍性，它是河流運(yùn)動(dòng)和變化的具體體現(xiàn)，崩岸的發(fā)生由沖積河流河床演變規(guī)律所支配，它與水流動(dòng)力條件、泥沙輸移條件、河床邊界條件以及河道形態(tài)具有密

2、切的聯(lián)系。河道崩岸研究在河流動(dòng)力學(xué)中具有重要的意義。同時(shí)由于局部河段崩岸的發(fā)生對(duì)于河勢(shì)控制、已建岸坡防護(hù)工程以及開發(fā)利用長(zhǎng)江岸線等會(huì)產(chǎn)生不利的 影響，故研究河道崩岸在工程實(shí)踐中同樣具有重要的意義。迄今為止，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)崩岸機(jī)制問(wèn)題已作過(guò)一些研究，國(guó)內(nèi)研究所采用的途徑和方法是多方面的：有的從河岸穩(wěn)定性分析出發(fā)，建立河岸的數(shù)學(xué)模型；有的從河岸土體物理力學(xué)性 質(zhì)出發(fā)進(jìn)行理論分析；有的從水流動(dòng)力條件出發(fā)進(jìn)行分析研究。國(guó)外學(xué)者直接研究崩岸的成 果并不多，他們主要是從研究河岸的穩(wěn)定性與河岸的侵蝕出發(fā)。目前對(duì)崩岸現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)和整治在很大程度上仍然處于感性和經(jīng)驗(yàn)階段，對(duì)河道崩岸的機(jī)理尚缺乏較系統(tǒng)的研究，在治理過(guò)

3、程中容易造成“治標(biāo)不治本”的后果。這就需要深入研究 崩岸的機(jī)制。2二元結(jié)構(gòu)河岸崩坍機(jī)理崩岸現(xiàn)象不但貫穿于整個(gè)河流的造床過(guò)程，而且當(dāng)河流形成一定形態(tài)后，將按不同河型的固有規(guī)律而不斷發(fā)生，從而體現(xiàn)出河道平面變形的特性。不同的河型（就長(zhǎng)江中下游來(lái)說(shuō)， 可分為順直型、蜿蜒型和分漢型）具有不同的平面變化特點(diǎn)，且都是通過(guò)崩岸的具體表現(xiàn)形 式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。長(zhǎng)江中下游除了局部河段有丘陵山地瀕臨江邊外，大部分河岸由疏松沉積物組成 ，并且常常呈層狀，具有二元結(jié)構(gòu)的特征。上層為河漫灘相的粘性土，下層為河床相的中細(xì)沙，厚度自數(shù)米至60余米。長(zhǎng)江中下游天然河道觀測(cè)資料表明：河岸坍塌主要表現(xiàn)為水流嚴(yán)重沖刷近岸河床，從岸坡坡腳

4、處側(cè)蝕河岸使其邊坡變陡失穩(wěn)而致崩坍。2.1 水流動(dòng)力條件崩岸是河岸土體在水流切應(yīng)力與重力雙重作用下發(fā)生的，水流動(dòng)力條件特別是縱向水流的沖刷作用對(duì)崩岸的發(fā)生起著關(guān)鍵作用。2.1.1 縱向水流的輸沙作用就長(zhǎng)江中下游沖積河道而言，水流中攜帶的推移質(zhì)與懸移質(zhì)的數(shù)量之比僅為1 %左右,甚至更小，因此在河道演變中懸移質(zhì)起著更為重要的作用。當(dāng)水流中懸移質(zhì)的床沙質(zhì)含量低于 水流挾沙力時(shí)，水流就會(huì)沖刷河床和岸坡。并且縱向水流越近岸，近岸流速越大，近岸單寬流量越大，近岸水流輸沙能力也就越大 ，對(duì)近岸河床和河岸的沖刷力也就越強(qiáng)，當(dāng)沖刷到一定程度，河岸變高變陡失穩(wěn)而發(fā)生崩岸。同時(shí)當(dāng)縱向水流流速增大時(shí)，推移質(zhì)輸沙率就會(huì)

5、發(fā)生更顯著的增大，水流以推移質(zhì)方式輸送泥沙的強(qiáng)度也會(huì)加大?？v向水流將崩坍土體帶向下游 ，使原崩岸處再次發(fā)生崩岸，崩岸強(qiáng)度隨之增大。縱向水流流速越大，河岸邊壁處粘滯切應(yīng)力也越大 水流中的渦體對(duì)河岸泥沙的輸移作用也越大。2.1.2 副流作用在河岸的崩塌中，除縱向水流起著主要的沖刷輸沙作用外 ，副流(主要為順軸副流和立軸副 流)的作用也不可忽略。如順軸副流通過(guò)構(gòu)成彎道環(huán)流沖刷河床及岸坡，順軸副流指繞河流縱向水平軸線運(yùn)動(dòng)的螺旋水流。2.2 泥沙運(yùn)動(dòng)崩岸的發(fā)生、發(fā)展是以泥沙運(yùn)動(dòng)為紐帶，通過(guò)水流與河床的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的，近岸泥沙運(yùn)動(dòng)對(duì)河道崩岸的發(fā)生有著重要的影響。2.2.1 岸坡泥沙輸移特點(diǎn)河岸崩坍是在水

6、流切應(yīng)力與重力雙重作用下發(fā)生的。崩岸的發(fā)生、發(fā)展是以泥沙運(yùn)動(dòng)為紐帶，通過(guò)水流與河床的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的，近岸泥沙運(yùn)動(dòng)對(duì)河道崩岸的發(fā)生有著重要的影響。河道的河岸及河床構(gòu)成水流邊界 ，一方面，河道一定床沙的運(yùn)動(dòng)完全取決于水流的力學(xué)結(jié) 構(gòu)；另一方面，試驗(yàn)觀察表明，床沙運(yùn)動(dòng)本身如沙波的形成、固體顆粒向液體介質(zhì)的擴(kuò)散等特 征又在很大程度上影響著水流運(yùn)動(dòng)的力學(xué)特征。因此水流的運(yùn)動(dòng)和床沙的運(yùn)動(dòng)相互依存。2.2.2 岸坡松散土與粘性土的起動(dòng)在河岸發(fā)生崩坍的過(guò)程中，松散土與粘性土的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和起動(dòng)機(jī)理不同。對(duì)于組成松散 均勻的泥沙，重力起主要作用，且一般均有一個(gè)較明顯的臨界起動(dòng)流速值，當(dāng)流速低于臨界流速時(shí)，土體顆粒

7、不會(huì)被沖起。 對(duì)于粘性土，粘結(jié)力、靜電引力及膠結(jié)作用力起主要作用。水流脈動(dòng)應(yīng)力對(duì)粘性土有不斷振動(dòng)和掀起的作用，瞬間脈壓可能較大。在脈動(dòng)應(yīng)力作用下，膠團(tuán)或團(tuán)聚體間的結(jié)合會(huì)逐漸松弛，而二者間的咬合一旦被破壞，就會(huì)浮起被水流挾帶而去。 粘土受 沖時(shí)多為結(jié)構(gòu)性破壞，呈粒團(tuán)及塊狀式掀動(dòng)。當(dāng)水流速度接近沖刷速度時(shí)，粒團(tuán)開始掀動(dòng)，當(dāng)水流合力超過(guò)粒團(tuán)結(jié)構(gòu)面上的粘結(jié)力時(shí)，土體開始出現(xiàn)沖刷塊。3結(jié)語(yǔ)長(zhǎng)江河道崩岸機(jī)理是河床演變學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)中一個(gè)復(fù)雜研究課題，也是工程界治河工作者廣泛關(guān)注的問(wèn)題。本文在分析前人研究成果、實(shí)地考察和實(shí)測(cè)資料分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)學(xué)科的知識(shí)，在理論上對(duì)崩岸機(jī)理問(wèn)題進(jìn)行了初步探討。主要得到

8、以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)和結(jié)論 ：(1)崩岸是在水流切應(yīng)力與重力雙重作用下發(fā)生的。崩岸的發(fā)生、發(fā)展是以泥沙運(yùn)動(dòng)為紐帶，通過(guò)水流與河床的相互作用下輸移泥沙來(lái)實(shí)現(xiàn)的。水流動(dòng)力條件是產(chǎn)生崩岸的主導(dǎo)因 素，縱向水流對(duì)河岸沖刷并起著主要輸沙的作用，在此過(guò)程中紊流特性對(duì)崩岸的形成起著重要的傳遞、消耗能量和搬運(yùn)泥沙的作用，大尺度渦體的紊動(dòng)可能在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生大規(guī)模輸沙。 此外，各種類型的副流在崩岸中起著特定的作用。(2)河岸泥沙輸移特點(diǎn)是：在一定水流條件下岸坡泥沙顆粒按滾動(dòng)、跳躍、懸移形式運(yùn) 動(dòng)，與河床泥沙運(yùn)動(dòng)方式相似，不同之處在于由于岸坡上的泥沙還受到重力沿岸坡的分力作 用,故在各種運(yùn)動(dòng)方式過(guò)程中都有斜向下游岸腳運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。在泥沙輸移過(guò)程中，粘性土與非粘性土的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和起動(dòng)機(jī)理不同。(3)本文在前人研究的基礎(chǔ)上比較了斜坡上松散泥沙的起動(dòng)流速公式及粘性泥沙臨界 抗沖流速公式，在一定假設(shè)條件下通過(guò)計(jì)算 ，表明粘土最小臨界抗沖流速比細(xì)沙起動(dòng)流速大 幾倍，并且水深越大，兩者相差越大。這也說(shuō)明了由二元結(jié)構(gòu)組成的岸坡，上層粘性土在長(zhǎng)江水流條件下很難被沖動(dòng)，而下層粉細(xì)沙則非常容易達(dá)到起動(dòng)狀態(tài)，并隨水