河岸崩塌的影響因素分析

許 旺 賀勝利

（山東省淮河流域水利管理局規(guī)劃設計院有限公司 濟南 250000 水利部淮河水利委員會 蚌埠 233001）

河岸的穩(wěn)定性問題也就是通常所說的崩岸問題，是指河岸在受到近岸水流沖刷侵蝕過程中，如發(fā)生特大洪水時，河岸土體會在短時間內(nèi)發(fā)生劇烈變形，這樣土體就會產(chǎn)生局部坍塌。河岸土體崩塌是一種較為常見的自然環(huán)境災害，經(jīng)常發(fā)生河岸崩塌后退會使水資源無效損耗并且威脅到了江河大堤的防洪安全，而且還會影響河道航運，危害兩岸農(nóng)業(yè)工業(yè)的發(fā)展，因此，對河岸崩塌的影響因素的深入研究至關重要。

1 淮河河岸土體組成情況

本文以淮河流域為研究對象，對典型河段的河岸侵蝕崩塌做了專門的研究。淮河入江水道沿程河、湖、灘串并聯(lián)，地形、地貌和植被非常復雜。上段自河閘至施尖，長57.8km，由新三河和金溝改道段組成，束水漫灘，行洪水深為4～5m；中段自施尖經(jīng)高郵湖、新民灘、邵伯湖至六閘，長約57.73km，行洪水深4～6m；下段由六條河道并聯(lián)匯入夾江后與長江溝通，自六閘至三江營，河長41.8km，洪水至此由各歸江河道先分后合，而后入江，全河段長157.2km，大部分河段為沙質(zhì)河床，河線彎曲，受長江洪水和潮位的雙重影響，河岸不穩(wěn)定易崩塌后退。

對淮河四個典型河段進行了現(xiàn)場勘查。三河段：上部主要是棕黃色、灰黃色灰色粉質(zhì)粘土，個別地段夾有淤泥薄層，下部有棕黃色粘土，重粉質(zhì)壤土、局部含有高嶺土及砂疆；金溝改道段：土質(zhì)也是以粘性土為主，與三河段相比，壤土增多，六丘墳至金溝段有厚2m左右的淤泥；新民灘：表層為粉質(zhì)粘土，局部為粉質(zhì)壤土，厚度1m左右，下部有2m左右的淤土層；下段歸江河道：土質(zhì)有粉質(zhì)壤土、砂壤土及粉砂土，自北向南，粉砂比例增大，地基承載能力較好，但土體抗沖能力較弱，行洪期經(jīng)常造成河岸的崩塌。

2 河岸崩塌的類型

河岸的崩塌形式包括洗崩、滑崩、條崩和窩崩。淮河由于大部分為寬淺流域，且河岸較低，所以淮河的崩岸形式主要為以洗崩、滑崩、條崩為主，發(fā)生窩崩的情況較少。

（1）洗崩：對于河寬較寬的水域河岸相對河面高差較低，這時上層的河岸很容易受到水面的風浪沖蝕，近岸水流越過坡頂，沖刷坡面，多次沖刷形成坡面淺溝狀的侵蝕形態(tài)，發(fā)生崩塌，或者岸坡頂部形成張裂隙或張裂縫當有雨水填充時引發(fā)岸坡頂部出現(xiàn)局部崩塌，最終岸坡形態(tài)表現(xiàn)為傾斜階梯狀。洗崩發(fā)生的強度較小，一般以碎塊的形式塌落。

（2）滑崩：滑崩易發(fā)生在河岸土體較為松散的河段，當河岸坡腳被近岸水流橫向沖刷到一定程度時，或者洪水退去時水位迅速下降，河岸土體內(nèi)的水分沒及時排除，使得岸邊崩體失穩(wěn)形成滑崩，滑崩的破壞面一般為曲面。

（3）條崩：由于河道主流貼近河岸容易對坡腳土體造成沖刷，使河岸臨空面增大從而形成陡坎。自然形成的河岸上部一般是固結程度較高的粘性土，下部分一般是較為松散的沙土二元結構河岸，當下部淘空時引起上部土體失去支撐，上部土體在重力作用下發(fā)生坍落或倒入水中使岸坡土體縱向產(chǎn)生整體塌落。像這樣上下層土體強度相差較大的二元結構土體在近岸水流縱向沖刷力的侵蝕下容易形成條崩。

（4）窩崩：根據(jù)河道近岸水流條件的不同可將窩崩分為液化窩崩和淘刷窩崩。窩崩易發(fā)生在二元結構的河岸，河岸下層一般為易沖刷的沙土，上層為粘性較大的粘土，且沙土層的厚度較大，范圍較寬。當河岸土體受到河道近岸水流強烈的沖刷時，由于下層沙土抗沖刷的能力比較差，容易被沖刷侵蝕，從而使河岸土體失去承載的能力，最終導致河岸土體發(fā)生大規(guī)模連續(xù)性崩塌，在河岸上形成一個窩的形狀，故稱為窩崩。

3 崩岸影響因素分析

河岸崩塌是由河岸土體以及近岸水流兩者相互作用而引發(fā)的，是淮河上游河勢不斷變化的主要原因，其影響因素主要為河道水動力條件、河岸土體組成、河岸邊坡形態(tài)和河岸生態(tài)條件等。

3.1 河道水動力因素

較為順直的河段往往河道比較寬闊，河道主流線常從河岸一邊向另一邊過渡，河岸邊坡由于受到水流縱向沖刷的作用而變陡失穩(wěn)最終產(chǎn)生崩塌。依據(jù)水流挾沙能力的表達式，當流速越大時水流的挾沙能力越強，當水流中挾沙沒有達到飽和時就會沖刷河床和邊坡。當河道主流離河岸越近時流速越大，水流對岸坡的沖刷侵蝕能力就越強。在沖積型流域中經(jīng)常采用水流沖刷強度來表示河道水動力條件。在這里定義汛期平均的水流沖刷強度為：

式中：Nf為汛期總天數(shù)，d；Qj為日平均流量，m3/s；為日平均含沙量，kg/m3。

此外，從上述崩岸類型及崩岸過程可知河道縱向水流對河岸的頂沖作用與洗崩和滑崩的發(fā)生有著密切的關系。岳紅艷等為了深入研究這種相互作用的機理，建立了縱向水流對河岸頂沖作用的概化力學模式，如圖1所示。

近岸水流對邊坡作用力為：

式中：R′為河道水流對河流的作用力；Q為流量；R為河岸對水流的反作用力，可將其分解為x軸方向的Rx和y軸方向的Ry，如圖1中所示；V為脫離體兩端斷面的平均流速；P為作用于脫離體兩端斷面上的動水壓力；α為R′與x方向的夾角；β為V1與x軸的夾角；α'為動量修正系數(shù)。由上式可知，在滿足上述假定的情況下，縱向水流對河岸作用力R′的大小與動水壓力P、流量Q、縱向水流流速V及其頂沖角β有關。如將以上脫離體看作近岸主流流束，那么近岸水深h、近岸水流流速V及水流頂沖角β越大，水流對河岸作用力R′就越大，近岸水流對河岸土體做的功就越大，即河岸崩塌后退的速度就越大。可見，近岸縱向水流的頂沖作用與崩岸的發(fā)生有著密切的關系。

3.2 河岸土體組成因素

河岸土體的力學性能主要由其抗剪強度和抗沖強度來表示。土體中粘粒含量可以間接反映土體抗沖能力的強弱。這是河流地貌學中的定性表示方法，粘土的固結程度較高所以粘粒的含量越大，土體的抗剪抗沖強度越大。Julian等在一系列試驗中得出了粘性土體啟動切應力與粘粒含量的經(jīng)驗關系，發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)土體的起動切應力隨粘粒含量的增大而增加。

河岸土體的特性主要是指土體的強度指標、物理性質(zhì)和狀態(tài)指標，包括孔隙比e、土的干容重γd、內(nèi)摩擦角、含水率ω、滲透系數(shù)k及粘聚力c。影響河岸崩塌的主要因素包括土體的密實程度、土體的滲透性以及干容重等，而組織坡體下滑的阻力主要是由土體內(nèi)部的粘聚力、內(nèi)摩擦角和容重等產(chǎn)生的。

3.3 河岸邊坡形態(tài)因素

河岸的邊坡形態(tài)主要指的是河岸的邊界條件，包括河岸的高度、長度，邊坡的坡角，邊坡的整個剖面形態(tài)及平面形態(tài)。河岸土體的邊界條件對整個河岸的穩(wěn)定性有直接影響。不利于河岸穩(wěn)定的邊坡往往在坡頂會有較大的張應力，土體的拉伸會引起坡頂出現(xiàn)張裂縫，邊坡的坡腳也會產(chǎn)生強烈的剪應力，出現(xiàn)剪切破壞帶，這些作用很大程度上降低了河岸邊坡的穩(wěn)定性。通常來說，坡角越大坡度越陡，此時邊坡發(fā)生崩塌的可能性越大；坡角越小坡度越緩，此時邊坡發(fā)生崩塌的可能性就越小，當河岸邊線較為順直時，對近岸水流影響較小，此時水流對坡腳沖刷輕度減弱，有利于河岸的穩(wěn)定性；當河岸有較大的凸起或者凹陷會影響水流形成局部的環(huán)流，此時對河岸沖刷侵蝕強度較大，不利于河岸的穩(wěn)定性，

3.4 河岸生態(tài)因素

河岸的生態(tài)因素主要是指岸坡植被對河岸穩(wěn)定性的增強作用。許多研究結果表明植物根系能顯著提高土體剪切強度，從而提高淺層邊坡的穩(wěn)定性，同時植被根系也可以降低近岸水流對坡腳土體的沖刷強度，增強河岸的抗侵蝕性，從而增加河岸的穩(wěn)定性。根系對河岸穩(wěn)定的保護作用可以從兩方面來講：一是根系與土體相互作用形成根—土復合體，從而增強了土體的力學性能，進而增加了河岸的穩(wěn)定性；二是在河岸外側裸露的根系能夠有效減小近岸水流對坡角的侵蝕強度，從而提高河岸穩(wěn)定性。主要表現(xiàn)為三種方式：①護襠作用，②網(wǎng)絡作用，③牽拉作用。如圖2所示。從圖2中可以看出，植被根系相互交錯將較小結構的土塊組成大土塊（網(wǎng)絡作用），使得河岸土體的力學性質(zhì)、剪切特性以及土體起動和沖刷特性等均會發(fā)生較大變化；與此同時植被根系也會受到近岸水流沖刷而導致部分根系外露，進而保護了根系內(nèi)部土體被進一步?jīng)_刷侵蝕（護擋作用）；而且有些土顆粒會緊密附著在根系四周，即使根系在水中飄動，土粒也不易被沖走（牽拉作用）。河岸植被根系的網(wǎng)絡作用、護襠作用和牽拉作用有效提高了河岸土體的抗剪強度，降低了近岸水流對坡腳的沖刷強度，有效提高了河岸的穩(wěn)定性。

圖1 近岸水流對河岸作用力圖

圖2 植被根系對河岸穩(wěn)定性的影響圖

4 結論

（1）對淮河典型斷面進行了實地調(diào)研，對三河段、金溝改道段、新民灘、下段歸江河道等四個典型河段河岸土體進行現(xiàn)場勘查取樣，并分析了其基本組成情況，得出河岸表層土體的上半部分多為粉質(zhì)粘土，下半部分多為壤土及砂土，河岸土體縱向為典型的二元結構組成，易發(fā)生侵蝕崩塌。

（2）結合河岸土體組成、河岸邊界條件以及河岸水動力條件對河岸崩塌類型、河岸形成過程及特點進行分析，得出崩塌類型主要包括洗崩、條崩、滑崩以及少量的窩崩。以上四種河岸崩塌的類型中，窩崩的破壞強度最大，滑崩、條崩的破壞強度次之，洗崩的破壞強度最小。

（3）從河道水動力條件、河岸土體組成、河岸邊坡形態(tài)和河岸生態(tài)條件等不同角度分別分析了對河岸崩塌類型、河岸形成過程及特點的影響。其中河岸組成、河岸邊坡形態(tài)和河岸生態(tài)條件為河岸崩塌的內(nèi)因，直接決定河岸的崩塌類型。當河岸土體為均質(zhì)土體組成時易發(fā)生滑崩，當河岸為二元結構且在順直岸段時易發(fā)生滑崩，當存在凹陷或者凸出時易發(fā)生窩崩，當河岸較低時易發(fā)生洗崩；水動力條件則為河岸崩塌的外因，當近岸水流為縱向水流且發(fā)生頂沖時易發(fā)生洗崩和滑崩，當近岸水流為環(huán)流時易發(fā)生窩崩，當近岸水流為順流方向時易發(fā)生條崩■