岸灘側向淘刷及崩塌模擬技術研究綜述

劉月樓 何士華 陳進佳

摘要在綜述國內外岸灘側向淘刷及崩塌研究進展的基礎上，了解其沖刷機理及其成因，總結出其沖刷過程的3種模擬方法，即經驗模擬法、極值假說模擬法和力學模擬技術。論述岸灘側向淘刷及崩塌模擬的過程以及存在的問題，并分析了3種模擬技術的適用條件及優缺點。最后，對其淘刷機理及崩塌模擬技術有待進一步解決的問題和改進意見進行展望。

關鍵詞岸灘淘刷；崩塌機理；模擬技術

中圖分類號TV143文獻標識碼A文章編號0517-6611（2017）05-0207-04

AbstractBased on the proceedings of simulation technology of lateral beach scour and collapse at home and abroad， according to the erosion mechanism and its origin， three main simulation methods were identified， which were empirical simulation method， extreme hypotheses simulation method， mechanics simulation technology. The simulation process of lateral beach scour and collapse and existent problems were reviewed， the applicable conditions and advantages and disadvantages of three methods were analyzed. At last， the further problems and improving suggestions of simulation technology of lateral beach scour and collapse were prospected.

Key wordsBeach scour；Collapse mechanism；Simulation technology

基金項目國家自然科學資金項目（51369013）。

作者簡介劉月樓（1992—），男，安徽合肥人，碩士研究生，研究方向：水工結構。*通訊作者，教授，博士，從事流體動力學分析與計算研究。

收稿日期2016-12-31

岸灘側向淘刷及崩塌在沖積平原河流中時有發生，是指河岸在天然情況或者人為因素影響下產生沖刷或崩塌使河寬增加的過程，它不但影響河岸土地的綜合規劃利用，而且影響堤防的安全和穩定。因此，研究沖積河道在天然情況或人為因素干擾下岸灘側向淘刷及崩塌的模擬技術，具有十分重要的意義。盡管人們對此方面的研究取得了一定的進展，但未對其進行系統的闡述與分析。筆者對岸灘側向淘刷及崩塌研究機理、影響因素以及模擬方法進行全面的分類和總結，針對各類方法的適用范圍、優缺點及該領域未來研究問題提出具體的建議。

1國內外研究現狀

研究岸灘側向淘刷及崩塌的機理不僅能夠預測其變化趨勢、豐富河床演變的理論，還能夠對河道工程的整治進行指導，從而達到趨利避害的作用。隨著專家學者對該領域的大量研究，使得岸灘側向淘刷及崩塌理論得到了很好的發展。Frydman等[1]對河岸穩定性進行了離心模擬試驗，分析了河岸土體滑移面和河岸坡度位移變化規律；Darby等[2]認為河岸的壓實程度越大、細砂摻混以及底部泥沙黏度越高，河岸的穩定性越高，并提出了泥沙中值粒徑與摩擦休止角是河岸穩定的2個重要因素；Osman等[3]和Thorne等[4]認為黏性河岸的穩定性與河床沖蝕深度及河岸沖蝕兩方面有關，引起岸灘側向崩塌最基本的原因是沖刷使河岸的寬度增加以及河岸的坡度變陡，同時，在沖刷過程中河床的下切會增加河岸的高度；在利用數學模型解決河岸沖刷及崩塌的模擬技術上，Nagata等[5]建立非平衡輸沙數學模型研究平面岸線崩塌的變化速率與河床變形的關系；美國土木工程協會[6-7]根據黏性河岸與非黏性河岸的明顯差別提出了河寬調整模型，認為黏性河岸比非黏性河岸更加穩定。

相對于西方國家的研究，我國理論方面起步稍晚。1949年初進行了多次河岸穩定與防護工作的研討會議，具有代表性的是中國科學院地理研究所分析了九江至河口段的河床邊界條件與河岸崩塌的關系[8]；陳引川等[9]從河流動力學角度分析河岸崩塌發生的條件；孫梅秀等[10]對泥沙運動特征進行研究，這些都是早期國內學者對研究工作進行的經驗性總結。20世紀90年代后我國對河岸沖刷及崩塌機理的研究更加深入，取得了較為豐碩的成果，如李寶璋[11]在對長江南京河段的河岸崩塌原因進行分析時，提出了造成崩塌的動力是大尺度的縱軸螺旋流；夏軍強等[12]建立了準二維數學模型和平面二維數學模型對河岸沖刷機理進行研究，這2個模型可以同時反映河岸的沖刷以及河岸的崩塌過程；黃本勝等[13]根據邊坡理論分析了幾種河岸崩塌的影響因素；張幸農等[14]總結了長江崩岸類型、成因以及影響因素等。這些成果均為我國河岸沖刷及崩塌研究奠定了理論基礎。

國內外許多學者通過經驗總結、試驗研究和編著論述了河岸邊坡的穩定與防護工作，并取得了較多成果，目前仍有許多該領域的學者對河岸穩定問題進行了深入探討。

2岸灘側向淘刷及崩塌模擬技術的方法

雖然以往多數河道沖淤數學模型已應用于工程實踐，但這些模型通常均假設河岸是不可沖刷或對河岸沖刷機理和沖刷速率進行大量假設與簡化，較少考慮到河岸組成物質、幾何形態以及土體特性等對河岸沖刷的影響。它們一般適用于河道寬度變化較小的變形模擬，對一些河寬變化較大的河道進行模擬時存在較大誤差。為了使河道沖淤數學模型能夠廣泛適用于岸灘側向淘刷的變形模擬，將具體介紹岸灘側向淘刷與崩塌機理及其模擬技術的3種方法。

2.1岸灘側向淘刷及崩塌機理

岸灘側向淘刷及崩塌是一種很重要的側向演變過程，在沖積平原河流中十分常見，我國的長江、黃河下游岸灘側向淘刷和崩塌現象特別明顯。同時，河岸沖刷及崩塌條件多，變形機理復雜，又因其具有普遍的危害性，使得多數學者致力于該領域的研究，并取得較多成果。岸灘側向淘刷及崩塌機理可從其控制條件，洪水期與枯水期對其影響的大小，以及土體顆粒與內摩擦角對其影響的角度進行分析。按控制條件可分成2種：第1種是受沖積作用控制的河岸沖刷機理，主要是由于河流直接沖刷河岸，同時在重力作用下引起了岸灘的崩塌；第2種是非沖積作用影響的河岸沖刷引起岸灘崩塌，包括外界條件引起河岸土體強度減小從而造成了河岸崩塌。從枯水期及洪水期的角度分析，在枯水期，由于低水位造成的水流紊動和范圍變形，水流方向與岸邊形成一個夾角，造成河岸沖刷及岸腳淘刷；在洪水期，洪水水位急劇變化加上河岸土體條件的改變等對河岸淘刷及崩塌起到了重大作用，且洪水季節岸灘崩塌產生的危害遠大于枯水期。從河岸土體顆粒粒徑及內摩擦角這2個影響因素分析，土的抗剪力一般由黏聚力和內摩擦力組成，河岸土體顆粒粒徑和密實程度影響土體顆粒之間的摩擦力和咬合力，岸灘土體顆粒之間越不密實，其摩阻力越小，更易造成岸灘崩塌，同時岸邊植被對河水淘刷的內摩擦角也產生一定的影響。

2.2模擬方法的分類及優缺點分析

2.2.1經驗模擬法。

岸灘淘刷及崩塌模擬過程十分復雜，在水沙數學模型中，經驗模擬法是用來模擬河岸沖刷過程的模擬方法之一，其主要思想是根據大量實測經驗資料建立相關的經驗公式來估計河道寬度變化，從而分析河岸的沖淤狀況。我國許多學者采用經驗模擬法對河岸沖刷進行了研究，梁國亭等[15]在研究黃河禹門口至潼關河段的數學模型時利用河相系數來估算河寬變化，采用以下的河相關系式：

式中，W為河槽寬度；A為河槽面積；β、α分別為指數和待定系數。根據該河段多年的汛前及訊后的實測資料，該河段的斷面形態經過回歸求出待定系數α和指數β，再假設沖淤面積為△A，Wk為新主槽寬度，h為水深，當W>Wk，且△A>A或者W許炯心[16]認為河寬變化是岸壁水流切應力和河岸抗沖指標比值的函數，并提出了河寬變化與河岸土體抗沖指標之間的關系式：

式中，M表示河岸的抗沖性指標；γ為水的比重；H為水深；J為比降。k1和k2為系數，與河岸卵石的出露程度有關。許炯心[16]結合Lane[17]的河岸及河底抗沖指標公式，建立了適用于漢江河岸沖刷的數值模擬經驗公式，但其僅適用于黏性物質，對非黏性物質并不適用。

周建軍等[18]也采用經驗方法模擬河流展寬，指出河寬變形速度和河岸土體的起動切應力有關，并建立了水流側向沖刷的河岸速率公式：

式中，ΔB為靠近水的邊灘在迎水面方向的寬度；C為沖刷系數；τf為水流作用于河床的剪切力；τx為臨界切應力。

周建軍等[18]建立的經驗公式基于明渠非恒定流基本方程和不平衡輸沙模式，反映了水流作用力與邊界反作用力的對比關系對坍岸速率的影響，曾用于三峽水庫回水變動區九龍坡河段的河床變形計算，并與實體模型試驗結果進行比較，精度滿足實際工程計算。

采用經驗方法模擬的沖刷過程，方法較為簡便，但對不同河道具有局限性。第一是它們只在資料來源的范圍內適用；第二是它們未考慮到河岸的幾何形態對河道展寬的作用；第三是這些方法也未考慮河岸沖刷、崩塌時內在的力學機理。

2.2.2極值假說模擬法。

極值假說模擬法應用于岸灘淘刷與崩塌的原理是利用現有的沖淤變形泥沙數學模型，然后加入一個附加方程來預測河岸寬度的變化，首先根據水流條件確定河岸寬度的調整方向，其次是根據近岸的水沙條件以及河岸可沖刷程度來確定河岸寬度的調整速率。具有代表性的有張海燕[19]的FLUVIAL模型及美國墾務局開發的GSTARS模型[20]。

FLUVIAL模型主要功能有河床沖淤、寬度調整以及彎道變化而產生的河床變形計算。由于泥沙運動與河床的幾何形態變化比水流條件的變化緩慢，此模型假設沖淤過程和水流計算不耦合、水流計算同彎道變化相耦合[19]。GSTARS系列模型的主要特征之一是最優化方法的運用，其用于河流侵蝕、沉積、河流形態、河流工程以及河流恢復研究[21-22]。2個模型都是根據泥沙輸移模型得出的斷面沖淤面積，其值代表河床及河岸總的沖淤變化面積。而總沖淤面積在斷面上的分配是首先計算出河岸寬度調整的大小，再將計算出的總沖淤面積分配到河床和河岸上，但對于河寬調整量的大小是在假設的河段水流功率趨近于均勻化或者水流的能量耗散趨近于最小值的前提下計算得到。

Lane[17]建立臨界切應力方法確定河寬，此種方法要求河岸的允許切應力不小于水流切應力，在一定的流量、比降、糙率等條件下，并加入曼寧公式可得到切應力與河寬的關系。在已知河床顆粒的粒徑后，可通過Lane[17]提出的切應力與河寬關系曲線，查出切應力對應的河寬值，當所查河寬大于原河寬時，岸灘發生沖刷。

雖然極值假說法運用較多，但在模擬河道展寬過程亦具有很大的局限性，Griffiths[23]表明極值假說法所得結果與實際觀測的結果存在一定差異。極值假說模擬法僅適用于非黏性河岸的側向淘刷及崩塌的模擬，可估計河流由不平衡狀態向平衡狀態的河寬調整狀態，但不能預測河流不平衡狀態下的河寬調整過程。再者，極值假說僅能估計河寬變化的總量，無法準確估計河岸的變化情況。

2.2.3

力學模擬技術。

力學模擬技術主要根據水動力學模型計算河床的沖淤變形狀況，然后采用土力學模型進行河岸穩定性分析，可用于黏性土河岸、非黏性土河岸及混合土河岸的數值模擬。

對于黏性土河岸的力學模擬，以Osman等[3]和Thorne等[4]的方法為代表，該方法根據河岸的沖刷速率經驗公式計算出河岸側向沖刷后退距離，再進行河岸的邊坡穩定性分析。

黏性河炭水流側向沖刷后退距離公式：

式中，△B為△t時間內黏性河岸側向沖刷間隔；k為側向沖刷系數；τc為河岸土體起動切應力；τ為河道水流切應力；γs為河岸土體的容重。該力學分析方法模擬河岸的橫向展寬已采用數學模型。

王新宏[24]和黃金池等[25]對Osman等[3]提出的橫向沖刷距離計算公式進行了改進，他們分別考慮了水位變化和休止角等對河岸土體物理特征的影響，黃金池等[25-26]提出了沖擊河流數學模型的簡化處理模式（圖1）。

圖1中1、3為崩塌滑動坡面線；2、4剖面線為岸灘崩塌臨界線；b1為河岸塌落度，即河岸沖刷的橫向展寬。黃金池等[25-26]認為水上岸灘的崩塌是由于河岸發展變陡峭后引起的，假定岸坡產生崩塌前臨河剖面與水流方向垂直，臨界滑動面為直線，水上部和水下部的休止角均相同，帶入Osman等[3]的黏性河岸側向沖刷公式可計算黃河中游一支流的河岸沖刷橫向展寬。

對于非黏性土河岸的數值模擬，主要以Nagata等[5] 、Pizzuto[27]、Duan等[28]提出的河岸淘刷與崩塌模型為代表。他們認為岸灘淘刷崩塌過程是由于河岸邊坡處河床的沖刷，其引起岸灘坡度發生變化，河岸陡峭、岸灘增高，致使河岸發生崩塌。崩塌后的河岸土體在岸坡前淤積，淤積物被水流沖走，又開始新的沖刷和崩塌。因此，這是一個沖刷、崩塌、淤積的循環過程。此外，在室內試驗和野外觀測中還發現，河岸崩塌的岸坡角度與原坡面形態相似，且該角度等于水下休止角。通過此方法，Nagata等[5]模擬出河道由順直向彎曲演變的整體過程，且與室內試驗結果符合良好。

對于混合土河岸沖刷過程的力學模擬技術以Fukuoka[29]為代表。他認為自然河岸是由砂、黏土、粉砂以及各種類型的土體構成的層狀結構，河岸沖刷過程不能單從某一土體結構進行研究，因為這反映不出自然河岸的沖蝕面貌。Fukuoka[29]通過大量實地勘察和研究得出，對于混合土河岸的自然沖蝕過程分為3個重復的階段，即沖蝕、崩塌和輸移，同時還對土塊輸移機理、輸移所需時間和預測岸灘崩塌的臨界長度分析法進行研究。

力學模擬技術比以前的方法有較大進步，可用于多種形態的河道淘刷與崩塌模擬，但仍存在以下缺點：首先其未對靜水壓力和孔隙水壓力對河岸穩定性進行分析；其次由于河岸崩塌滑動面須通過岸坡腳，且河岸崩塌滑動面計算較為復雜，與實際情況存在一定誤差。

3小結與討論

該研究采用經驗模擬法、極值假說模擬法模擬河道側向淘刷及崩塌過程，考慮的是河岸沖刷及崩塌的力學機理；力學模擬法不僅考慮河岸沖刷及崩塌時的力學機理，同時考慮了非黏性河岸和黏性河岸的河床沖淤變形狀況，建立了水土力學模型進行岸灘穩定性分析，是今后發展的主要方向。但由于岸灘淘刷與崩塌的模擬過程較為復雜，對存在的問題和改進方法仍需要在以下方面進行深入研究：

①大多黏性河岸穩定性分析方法用于一般的矩形或者梯形斷面，但對于天然河道斷面形態不適用，因為一方面穩定性分析復雜，另一方面難以確定從河岸沖刷或崩塌下來的泥沙在橫斷面上的分布。對非黏性河岸而言，確定河岸側向淘刷時的后退距離及損失面積、河岸崩塌的體積變化與侵蝕土方量變化等均相當困難；

②這些模擬技術大多是來自室內試驗的成果，若把這些公式或模型用于實際河道計算會有一定的差異，因此在這方面必須進行深入的研究，使其用于實際天然河岸的計算；

③目前我國多數的河岸侵蝕研究局限于長江流域或黃河下游的某一段河道，一方面選取的河段雖具代表性，但不同河段地形地貌、侵蝕類型及嚴重程度在空間分布上有所差異，另一方面我國其他流域的河岸侵蝕研究缺乏詳細的調查資料及模擬試驗數據支撐，運用一般的理論分析方法或數學模型不能有效地解決河岸侵蝕的問題；

④岸邊植被對河岸沖刷過程和河岸邊坡穩定具有重要影響，且植被的覆蓋率與河岸土體起動切應力有關，但目前缺乏定量對河岸植被與河岸抗沖刷的研究，植被對河岸土體抗沖的影響是未來該領域不能忽略的一個問題。

4展望

由于河岸侵蝕問題影響因素復雜，對具體的研究對象，可在以往的理論基礎及經驗方法上，充分結合自然災害、地質災害、風險評估、環境管理等學科進行具體分析，進一步研究河岸侵蝕與泥沙的沖刷、搬運和堆積的機理，明確河岸侵蝕對河流泥沙的影響；其次，加強對河岸的直接觀察和測量的標準與規范制訂，對具體河道采用適宜的觀測方法，盡量避免觀測誤差，同時可利用先進的“3S”技術對河岸侵蝕的風險因素進行收集量化分析，得出諸因素的時空分布規律，并對河岸侵蝕的強烈程度進行風險評估；再者，室內對水流泥沙的基本運動規律進行試驗及對具體河段進行實體模型試驗時，要充分認識室內環境的局限性，對特殊的天然河道實體模型須加入附加影響條件，最大化使模擬條件同天然條件一致；最后，充分借助電子計算機推求水流泥沙運動與河床演變問題的近似解，通過模擬計算的結果與數學模型結果進行驗證，并對比模型與實測資料的吻合程度，不斷進行優化，以此滿足工程的需要。

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