崩岸機(jī)理研究進(jìn)展

王 龍 羅玉龍

（1.水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院 北京 100120；2.河海大學(xué) 南京 210098）

1 引言

崩岸是河流和岸灘相互作用的結(jié)果，是一種普遍存在的自然災(zāi)害。長江中下游3600km 江岸，崩岸長度達(dá)到450km。在1998年洪水中沿江崩岸險(xiǎn)情更是發(fā)生了300 起。自三峽水庫蓄水后，由于清水下泄時(shí)間長，河水淘刷岸坡能力增強(qiáng)，河水位陡漲陡落、變幅大等綜合不利影響，更是致使長江流域主要河段的崩岸險(xiǎn)情頻頻發(fā)生，嚴(yán)重地威脅了長江流域居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。研究崩岸機(jī)理，探討崩岸形成原因和規(guī)律，提高崩岸預(yù)測預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，是防洪減災(zāi)和河道治理領(lǐng)域迫切需要解決的課題，具有重大的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

2 崩岸機(jī)理研究進(jìn)展

國內(nèi)外諸多專家學(xué)者從土坡穩(wěn)定、河流動力學(xué)、液化等不同角度對此進(jìn)行了研究，取得了很多有價(jià)值的成果，為崩岸的預(yù)防、治理奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，下面詳細(xì)評述。

2.1 基于土坡穩(wěn)定角度的研究

從事土工研究的學(xué)者認(rèn)為崩岸是土坡失穩(wěn)的一種表現(xiàn)形式。早期研究主要集中在干燥或完全飽和的無黏性岸坡穩(wěn)定性上。隨后，黏性岸坡的穩(wěn)定性成為研究重點(diǎn)。Simon等建立了可以考慮基質(zhì)吸力、靜水壓力以及孔隙水壓力等荷載的穩(wěn)定分析模型。Darby等建立了平面岸坡穩(wěn)定分析計(jì)算程序，該程序可以考慮多種土層，任意形狀的岸坡截面及地下水位的變化等。Ebrahim等建立了一種新的層狀河岸穩(wěn)定分析方法，該方法考慮了飽和區(qū)的孔隙水壓力、非飽和區(qū)的基質(zhì)吸力以及由河道水位產(chǎn)生的靜水壓力等，且不要求破壞面經(jīng)過岸腳。Dapporto等的研究表明，由細(xì)粒組成的岸坡主要發(fā)生平面式破壞，而由多種土層組成的岸坡常發(fā)生懸臂式破壞。崩岸與河岸土體性質(zhì)、河岸高度、坡度及外河水位變化曲線等因素關(guān)系密切。Rinaldi等研究了外河水位的變化對岸坡孔隙水壓力及岸坡穩(wěn)定性的影響。Shields指出岸坡的穩(wěn)定與岸坡的高度、坡度、土體的抗剪強(qiáng)度等因素密切相關(guān)。

國內(nèi)的尹國康提出采用弧形滑動分析法預(yù)報(bào)崩岸的設(shè)想。黃本勝等認(rèn)為岸坡失穩(wěn)的主要因素有岸坡土體性質(zhì)、岸坡高度、河水位變化等，并考慮河岸可能發(fā)生旋轉(zhuǎn)崩塌和平面崩塌兩種情況，將概率分析的方法運(yùn)用到崩塌的縱向延伸問題上。羅玉龍等采用飽和、非飽和滲流應(yīng)力耦合方法，綜合分析河堤岸坡內(nèi)在因素和外界動力因素對窩崩形成的作用，探討窩崩機(jī)理。研究指出，窩崩的本質(zhì)是岸坡土體在各種不利因素的組合作用下發(fā)生的剪切破壞。

2.2 基于河流動力學(xué)角度的研究

從事河流動力學(xué)及河道整治研究的學(xué)者，更加傾向于從河流動力學(xué)的角度研究崩岸。Nagata等提出了一種研究交錯(cuò)淺灘對河岸侵蝕影響的數(shù)值模型。Fox等探討了側(cè)向侵蝕機(jī)理，建立了接近垂直的無黏性岸坡滲流侵蝕的沉積物運(yùn)移模型，定量地分析了降雨、外河水位變化及孔隙水壓力等水力因素與河岸侵蝕的關(guān)系。Wilson等研究了岸坡土體性質(zhì)對滲流侵蝕及河岸穩(wěn)定性的影響。Darby等建立了滲流侵蝕與河岸穩(wěn)定性耦合模型。Luppi等分析了不同外河水位線下滲流侵蝕與岸坡破壞的關(guān)系。

冷魁分析了窩崩常發(fā)生在汛后或枯季的主要原因。金蠟華等對馬湖堤崩岸原因進(jìn)行了分析。徐永年等研究指出崩岸是河床演變過程中水流對堤岸沖刷、侵蝕發(fā)生、發(fā)展積累的突發(fā)事件，是河道漸變積累到一定程度達(dá)到質(zhì)變的過程。崩岸的決定因素是水流作用力與河岸抗沖力。余文疇等指出要將河岸的抗沖性、水流泥沙運(yùn)動條件和河床形態(tài)條件聯(lián)系起來進(jìn)行綜合性研究。流量、流速和水流對河岸的轉(zhuǎn)折角度是影響河道崩岸的動力因素，崩岸的實(shí)質(zhì)是近岸河床泥沙運(yùn)動的結(jié)果。張幸農(nóng)等研究了坡體崩塌破壞的形成、發(fā)展過程及相關(guān)力學(xué)機(jī)制。王媛等對窩崩的平面旋渦形成機(jī)制進(jìn)行了闡述，提出了用臨界負(fù)壓評價(jià)窩崩形成的原理與方法。

2.3 基于液化角度的研究

由于大多數(shù)崩岸土體為細(xì)沙，而在某種特定條件下沙土易發(fā)生液化現(xiàn)象。因此，部分學(xué)者也認(rèn)為液化是導(dǎo)致崩岸的主要原因。荷蘭等國則稱之為流滑，據(jù)稱一次流滑就可使上百立方米的沙土流失于潮汐通道中。

Yang 等研究了細(xì)顆粒含量對岸坡穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)細(xì)顆粒含量越高，岸坡越容易失穩(wěn)，流滑速度越快。Deangeli 等采用有限元法分析了土坡形狀對初始應(yīng)力狀態(tài)的影響，并考慮了孔隙比和坡角對于流滑的影響。Wang 等探討土體的滲透性對由降雨引起的流滑破壞的影響。研究表明，流滑的發(fā)生取決于破壞過程中孔隙水壓力的產(chǎn)生率及滑動區(qū)域孔隙水壓力的消散率。

國內(nèi)的李廣信等認(rèn)為在美國密西西比河下游一些地方的砂土?xí)驗(yàn)榕既坏臄_動而迅速大面積流滑。我國某些地方高含水量的粉土河岸在短期內(nèi)大范圍崩岸也屬于相似的情況。汪聞韶]闡述了流滑與極限平衡和破壞的關(guān)系，流滑的主要特點(diǎn)及防止流滑的主要措施。

3 結(jié)論及展望

基于土坡穩(wěn)定角度的研究，經(jīng)歷了從無黏性岸坡到黏性岸坡，從干燥到飽和再到非飽和狀態(tài)等由簡單到復(fù)雜的過程。隨著邊坡穩(wěn)定分析方法的不斷完善，各種可能導(dǎo)致崩岸的因素逐漸被考慮，如孔隙水壓力、基質(zhì)吸力、靜水壓力、植被、外河水位的變化等。但現(xiàn)有分析方法一般是基于解析法的，要將上述方法應(yīng)用到實(shí)際崩岸的預(yù)測尚需要進(jìn)一步的簡化。基于河流動力學(xué)的角度研究崩岸比較符合實(shí)際情況，相對容易被接受。同樣也可利用河床演變理論和泥沙運(yùn)動理論進(jìn)行分析。但是與基于土坡穩(wěn)定角度的研究相比，該角度的研究目前大多只是停留在理論上的分析，經(jīng)驗(yàn)的闡述等方面，比較科學(xué)合理的崩岸數(shù)學(xué)預(yù)測模型尚十分匱乏。基于土體液化角度的研究，可以解釋部分基于土坡穩(wěn)定角度及河流動力學(xué)角度無法解釋的現(xiàn)象，但是沙土液化理論還十分不成熟，同時(shí)仍然無法解釋部分現(xiàn)象，如長江沿岸許多崩岸發(fā)生時(shí)并無外界震動等動力因素，相反在有關(guān)易崩河段附近發(fā)生地震時(shí)卻并未出現(xiàn)崩岸現(xiàn)象。

綜上所述，基于土坡穩(wěn)定、河流動力學(xué)及液化等角度的崩岸研究都存在較大的局限性和片面性。這是由崩岸問題的復(fù)雜性、多學(xué)科交叉性及隨機(jī)性等特點(diǎn)決定的。作者認(rèn)為崩岸的發(fā)生發(fā)展過程是一個(gè)涉及地下水滲流－河流水侵蝕淘刷－土體剪切變形等眾多復(fù)雜力學(xué)行為的多相多場耦合現(xiàn)象。單純從某一學(xué)科、角度出發(fā)開展研究都是片面的，都不能完全反映實(shí)際情況。未來的研究需要綜合考慮滲流力學(xué)、土力學(xué)、河流動力學(xué)等相關(guān)學(xué)科，需要結(jié)合理論研究、室內(nèi)模型試驗(yàn)、數(shù)值分析、現(xiàn)場測量等多種技術(shù)手段開展。

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