長江河道崩岸機理

1、長江河道崩岸機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。側重從水流動力條件及泥沙動力學角度出發(fā)，分析了長江二元結構組成河岸崩坍的機理。崩岸的發(fā)生、發(fā)展是以泥沙運動為紐帶，通過水流與河床的相互作用來實現(xiàn)的 ，近岸泥沙運動對河道崩岸 的發(fā)生有著重要的影響。關 鍵 詞：崩岸；水流沖刷；泥沙輸移；長江1概述在河道自然演變過程中，崩岸的發(fā)生具有普遍性，它是河流運動和變化的具體體現(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力學中具有重要的意義。同時由于局部河段崩岸的發(fā)生對于河勢控制、已建岸坡防護工程以及開發(fā)利用長江岸線等會產(chǎn)生不利的 影響，故研究河道崩岸在工程實踐中同樣具有重要的意義。迄今為止，國內(nèi)外學者對崩岸機制問題已作過一些研究，國內(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)學模型；有的從河岸土體物理力學性 質(zhì)出發(fā)進行理論分析；有的從水流動力條件出發(fā)進行分析研究。國外學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)。目前對崩岸現(xiàn)象的認識和整治在很大程度上仍然處于感性和經(jīng)驗階段，對河道崩岸的機理尚缺乏較系統(tǒng)的研究，在治理過

3、程中容易造成“治標不治本”的后果。這就需要深入研究 崩岸的機制。2二元結構河岸崩坍機理崩岸現(xiàn)象不但貫穿于整個河流的造床過程，而且當河流形成一定形態(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（就長江中下游來說， 可分為順直型、蜿蜒型和分漢型）具有不同的平面變化特點，且都是通過崩岸的具體表現(xiàn)形 式來實現(xiàn)的。長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，具有二元結構的特征。上層為河漫灘相的粘性土，下層為河床相的中細沙，厚度自數(shù)米至60余米。長江中下游天然河道觀測資料表明：河岸坍塌主要表現(xiàn)為水流嚴重沖刷近岸河床，從岸坡坡腳

4、處側蝕河岸使其邊坡變陡失穩(wěn)而致崩坍。2.1 水流動力條件崩岸是河岸土體在水流切應力與重力雙重作用下發(fā)生的，水流動力條件特別是縱向水流的沖刷作用對崩岸的發(fā)生起著關鍵作用。2.1.1 縱向水流的輸沙作用就長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。當水流中懸移質(zhì)的床沙質(zhì)含量低于 水流挾沙力時，水流就會沖刷河床和岸坡。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 ，對近岸河床和河岸的沖刷力也就越強，當沖刷到一定程度，河岸變高變陡失穩(wěn)而發(fā)生崩岸。同時當縱向水流流速增大時，推移質(zhì)輸沙率就會

5、發(fā)生更顯著的增大，水流以推移質(zhì)方式輸送泥沙的強度也會加大?？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，崩岸強度隨之增大?？v向水流流速越大，河岸邊壁處粘滯切應力也越大 水流中的渦體對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。如順軸副流通過構成彎道環(huán)流沖刷河床及岸坡，順軸副流指繞河流縱向水平軸線運動的螺旋水流。2.2 泥沙運動崩岸的發(fā)生、發(fā)展是以泥沙運動為紐帶，通過水流與河床的相互作用來實現(xiàn)的，近岸泥沙運動對河道崩岸的發(fā)生有著重要的影響。2.2.1 岸坡泥沙輸移特點河岸崩坍是在水

6、流切應力與重力雙重作用下發(fā)生的。崩岸的發(fā)生、發(fā)展是以泥沙運動為紐帶，通過水流與河床的相互作用來實現(xiàn)的，近岸泥沙運動對河道崩岸的發(fā)生有著重要的影響。河道的河岸及河床構成水流邊界 ，一方面，河道一定床沙的運動完全取決于水流的力學結 構；另一方面，試驗觀察表明，床沙運動本身如沙波的形成、固體顆粒向液體介質(zhì)的擴散等特 征又在很大程度上影響著水流運動的力學特征。因此水流的運動和床沙的運動相互依存。2.2.2 岸坡松散土與粘性土的起動在河岸發(fā)生崩坍的過程中，松散土與粘性土的運動特點和起動機理不同。對于組成松散 均勻的泥沙，重力起主要作用，且一般均有一個較明顯的臨界起動流速值，當流速低于臨界流速時，土體顆粒

7、不會被沖起。 對于粘性土，粘結力、靜電引力及膠結作用力起主要作用。水流脈動應力對粘性土有不斷振動和掀起的作用，瞬間脈壓可能較大。在脈動應力作用下，膠團或團聚體間的結合會逐漸松弛，而二者間的咬合一旦被破壞，就會浮起被水流挾帶而去。 粘土受 沖時多為結構性破壞，呈粒團及塊狀式掀動。當水流速度接近沖刷速度時，粒團開始掀動，當水流合力超過粒團結構面上的粘結力時，土體開始出現(xiàn)沖刷塊。3結語長江河道崩岸機理是河床演變學及河流動力學中一個復雜研究課題，也是工程界治河工作者廣泛關注的問題。本文在分析前人研究成果、實地考察和實測資料分析的基礎上，結合相關學科的知識，在理論上對崩岸機理問題進行了初步探討。主要得到

8、以下幾點認識和結論 ：(1)崩岸是在水流切應力與重力雙重作用下發(fā)生的。崩岸的發(fā)生、發(fā)展是以泥沙運動為紐帶，通過水流與河床的相互作用下輸移泥沙來實現(xiàn)的。水流動力條件是產(chǎn)生崩岸的主導因 素，縱向水流對河岸沖刷并起著主要輸沙的作用，在此過程中紊流特性對崩岸的形成起著重要的傳遞、消耗能量和搬運泥沙的作用，大尺度渦體的紊動可能在短時間內(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)河岸泥沙輸移特點是：在一定水流條件下岸坡泥沙顆粒按滾動、跳躍、懸移形式運 動，與河床泥沙運動方式相似，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,故在各種運動方式過程中都有斜向下游岸腳運動的趨勢。在泥沙輸移過程中，粘性土與非粘性土的運動特點和起動機理不同。(3)本文在前人研究的基礎上比較了斜坡上松散泥沙的起動流速公式及粘性泥沙臨界 抗沖流速公式，在一定假設條件下通過計算 ，表明粘土最小臨界抗沖流速比細沙起動流速大 幾倍，并且水深越大，兩者相差越大。這也說明了由二元結構組成的岸坡，上層粘性土在長江水流條件下很難被沖動，而下層粉細沙則非常容易達到起動狀態(tài)，并隨水