河道內水位變化對防洪工程岸坡穩定性的影響

祝 靜

(江西省修江水利電力勘察設計有限責任公司，南昌 330000)

0 引 言

江西省重點中小河流治理項目修水縣黃港鎮防洪工程位于黃港鎮集鎮修河流域，東臨靖安縣中源鄉，南接奉新縣澡溪鄉，西南鄰上奉鎮，北接黃沙鎮黃坳鄉，防洪工程與修水縣城相距35km。防洪工程堤防及建筑物均為5級，根據《水利水電工程施工組織設計規范》，防洪工程導流臨時建筑物應為5級，土石圍堰導流標準為洪水重現期10-5a，為此，本防洪工程按照5a一遇洪水重現期設計。

1 河岸土體特征

黃港鎮防洪工程所在修河段屬于典型沖積型河段，以該防洪工程為界，可以將修河段劃分為上下兩段，上段為微彎分汊型河道，而下段位于沖積平原。河段地層下部非黏性土層主要分布有粒徑0.06-0.15mm細砂，地層上部黏性土層則主要為中值粒徑在0.005-0.05mm之間的低液限黏土和粉土、壤土。部分斷面河段地層上部黏性土層中又分布有粉土、黏土交錯的分層結構，但粉土層厚度通常不大，僅占黏土層總厚度的2-4%。其余斷面河段黏性土體結構均勻。

黃港鎮防洪工程所在修河段河岸上下層土體組成不同，力學特征也存在較大差異。河岸下層土體呈現弱抗沖性，起動流速在0.5m/s以下；上層土體則表現為較強的抗沖性特征，起動拖曳力取值在0.2-0.5N/m2之間。河岸穩定性主要受到由內摩擦角和黏聚力等指標所表示的上部黏性土體抗剪強度影響。結合剪切試驗可以看出，該防洪工程所在河段黏性土體內摩擦角位于15-32°之間，黏聚力則處于11.5-27.4kN/m2之間；且含水率是影響以上兩個參數取值的關鍵：當含水率增大后，河道土體黏聚力先增大后減小；內摩擦角則持續減小?？梢?，該河段黏性土體抗剪強度在水文周期內隨含水率變化而變化，且在枯水期內取較大值，在退水期和洪峰期內取較小值[1]。

該防洪工程二元結構河岸下部土層抗沖性差，水流淘蝕嚴重，上部黏土層在顆粒黏結力的作用下抗沖性較強，河岸下部坡腳遭受嚴重沖刷后，上部土層在重力等的影響下極易發生崩塌，穩定性不強。河岸上部黏性土體崩塌形式主要受水流沖刷程度、土層厚度、河岸形態等的影響。該河段近年來崩塌現象愈加嚴重，根據統計資料，自2010年以來近岸河床持續沖刷下切，深槽持續向右移動，河岸高度也不斷增大，導致岸坡日漸陡峭，穩定性降低。2020年比2010年河岸累計崩退寬度增大160m，其中2010-2017年崩退寬度平均為19.8m，最大崩退寬度40m的情況出現在2015年；2018-2020年間則無明顯崩塌發生。根據調查結果不難發現，該河段斷面崩塌后岸坡表現為折線形，河岸上無垂直情況，下部緩和，上部黏性土層厚度大。

2 典型岸坡穩定性計算

2.1 參數選取

進行河道內水位變化對河岸穩定性影響分析所需參數主要包括岸坡形態、岸坡土體力學參數等，其中岸坡形態主要根據實測斷面地形狀況而定；而岸坡土體力學參數主要選自土工試驗資料，具體見表1。文章選取防洪工程以上19m處右側岸坡和防洪工程以下23.5m處左側岸坡進行典型岸坡穩定性分析。右側岸坡斷面形態呈“W”形，河槽平均寬度1.5-1.7km；右側岸坡斷面整體較高，黏土層頂部高程達到32.4m，河槽高程16.5m，斷面形態呈“V”形，河槽平均寬度1.3m。

表1 防洪工程所在河段岸坡土體物理力學參數

以2020年實測防洪工程以上19m處右側岸坡典型斷面地形為例進行岸坡形態參數確定：該斷面坡頂的選擇較為容易，按照黏土層頂面取值；而坡腳因處于枯水位以下，存在一定的觀測難度，文章根據枯水位最小值和近岸河槽形態進行坡腳推測。枯水位水深均值根據枯水位以下河槽面積和水面寬度比確定，枯水位降低平均水深后與河岸的交點即為坡腳。為簡化分析過程，暫不考慮坡腳沖刷細節，僅將坡腳橫向沖刷寬度暫定為5.0m，以確定岸坡沖刷高度。

2.2 實測水位下岸坡穩定性計算

河道水位主要受降水等過程的影響較大，利用河段兩個水文站實測水位過程插值便可求得斷面1水位過程，而斷面2水位則直接采用所設置的X水位站實測資料。根據實測資料，河道內水位于2020年3月底就從18.65m開始上漲，到5月底進入洪峰期，最高水位達到28.96m，9月初-10月底，水位迅速回落，到12月底退水期結束后水位降至19.45m。

河道斷面1和斷面2在2020年漲水前岸坡形態已知，結合斷面河道內水位實際變化，應用一維非穩定滲流模型進行土體潛水位變化過程的確定，再借助河岸穩定分析模型進行岸坡穩定安全系數變動趨勢測算[2]。根據滲流結果，滑動土體受河道水位影響較大，土體結構內部潛水位也存在較快變化，文章主要采用潛水位變動均值。

圖1 2020年右側岸坡斷面1穩定性分析

圖2 2020年左側岸坡斷面2穩定性分析

不同時期河道斷面岸坡潛水位變化和岸坡穩定性系數取值不同，分期分析如下：

1)漲水期：隨著河道內水位的上漲，側向水壓力增大，潛水位逐漸升高，但是仍未達到較高水平，導致孔隙水壓力小，基質吸力大。故這一階段岸坡穩定性有保證，發生崩塌的可能性不大，斷面1和斷面2處岸坡穩定安全系數均值分別為1.27和3.68。

2)洪峰期：河道內水位漲落頻繁，側向水壓力也隨之變動，潛水位繼續升高，且已經達到較高水平，導致孔隙水壓力增大，基質吸力減小。整體上看，這一階段岸坡穩定性與漲水期相比略有下降，兩個斷面岸坡穩定安全系數均值分別為1.07和2.71。與此同時，岸坡穩定安全系數表現為高低波動態勢，尤其在河道內水位驟降的過程中，岸坡穩定安全系數隨之降低，其中斷面1岸坡穩定安全系數降至1.0左右，意味著河岸已經處于崩塌狀態。

3)退水期：潛水位降速下降，但是仍滯后于河道內水位，導致孔隙水壓力仍較大，基質吸力??；河道側向水壓力消失后使得岸坡穩定性持續降低，兩個斷面的岸坡穩定安全系數分別降至0.88和1.56。由此可以斷定，在退水期內斷面1岸坡已經發生崩塌，而斷面2岸坡崩塌的可能性較小。通過分析原因發現，此處河岸土體具有較大的滲透系數，滑動土體內潛水位表現出較大的變化，從而使河岸岸坡穩定性增強。

以上分析表明，在坡腳沖刷寬度和岸坡形態不變時，該防洪工程所在河道典型斷面河岸在退水期內安全系數取值最小，發生崩塌的可能性非常大；而在洪峰期內，若水位快速下降，則也存在崩塌的可能。斷面1岸坡在洪水期間水位驟降，岸坡穩定安全系數接近臨界值1.0，進入退水期后該系數降至1.0以下，則也存在崩塌的可能。斷面2岸坡穩定性在洪峰期和退水期內均下降，但是取值并未降至1.0以下，故發生崩塌的可能性不大。根據該河段歷年汛后實測資料，斷面1在2020水文年內崩塌18.8m，而斷面2并無明顯崩塌跡象，故文章計算結果與河道運行實際較為相符。

值得注意的是，文章分析過程僅考慮了岸坡穩定性受河道內水位變化的影響，而并未將真實的坡腳沖刷過程考慮進去，而河道運行的實際情況是，洪峰期內坡腳所遭受的水流沖刷十分劇烈，引發岸坡崩塌的可能性較大。

3 河道內水位變化速率對崩岸的影響

岸坡穩定性還受河道內水位變化速率的影響。河道內水位變化速率不同時，潛水位將受到影響，河岸滑動土體物理力學性質及受力狀況也將發生改變，進而影響河岸穩定[3]。以該防洪工程所在河道斷面1岸坡為例，通過計算岸坡穩定安全系數在漲水、退水等不同水位過程下的變動，分析水位升降速率對岸坡穩定的可能影響。

從圖3(a)和(b)可以看出，在河道內漲水速率及退水速率不同的情況下岸坡穩定安全系數表現為不同的調整過程。由圖可知，兩個斷面岸坡穩定安全系數的最大值均出現在漲水期最高水位之前。當河道內漲水速率上升時，岸坡穩定安全系數隨之增大；而當退水速率上升時，岸坡穩定安全系數隨之減小。無論是河道漲水減緩還是退水過程加快，均不利于岸坡穩定，且河岸岸坡在退水階段穩定性較低，發生崩岸的可能性大。

(a)漲水速率不同的岸坡穩定安全系數

4 結 論

分析結果表明，該防洪工程所在河道內水位變化對岸坡穩定存在較大影響，且在岸坡形態不變的情況下，漲水期內岸坡穩定性較高，洪峰期內次之，退水期內最差。2020年實測河道水位的基礎上所得到的斷面1，即防洪工程以上19m處右側岸坡在退水期內穩定安全系數值在1.0以下，說明該斷面岸坡實際已發生崩塌；而斷面2，即防洪工程以下23.5m處左側岸坡穩定安全系數在1.0以上，岸坡具備一定穩定性。以上理論分析結果與河岸運行實際基本一致。此外，防洪工程所在河道內水位的升降速率也對岸坡穩定存在一定影響，分析結果顯示，河道內漲水速率的下降及退水速率的升高均會使岸坡穩定性降低。文章的分析結果可為修水縣黃港鎮防洪工程設計提供借鑒指導，以保證防洪工程攔洪調蓄作用和社會效益的順利發揮。