北江三角鎮怡豐險段彎曲河流崩岸規律研究

肖麗紅

（江西省建洪工程監理咨詢有限公司，南昌 330001）

0 引 言

崩岸是彎曲河流運行期間普遍存在的側向侵蝕類型，也是引發頸向裁彎、蜿蜒蠕動及橫向遷移的主要動力因素，是水流沖刷坡腳的水動力過程與上部土體重力作用下引發岸坡崩塌的綜合結果。河岸侵蝕及崩退后產生的泥沙會增大河流內泥沙含量，引發河道淤積、河床升高及水流漫灘。當前學術界對河岸崩塌的研究主要集中在水流條件、河床演變、河岸邊界條件等方面，通過采用數值模擬、室內試驗、概率統計等研究方法對崩岸過程的發生機理、影響因素、程度預測等展開研究，但是河段流量變化對河岸侵蝕、崩岸、河流地貌塑形等的作用機理并不明確。水流侵蝕河岸、沖刷坡腳、河道調蓄等引發基質吸力減小是造成崩岸的主要水動力因素，但是對以上因素綜合作用下的岸坡侵蝕過程展開準確模擬和控制仍存在較大難度。文章則應用BSTEM 模型對河岸下部土層恒定流及非恒定流等水流條件下崩岸過程展開模擬，力圖得出不同流量過程下岸坡崩塌及彎曲河流橫向遷移的一般規律。

1 河段概況

北江怡豐險段位于廣東省中山市三角鎮西北部，險段所處河段為北江城東洲左汊，左岸是城東圍堤，河堤內外均為加固護坡+堤腳拋石護岸，右岸則為沖擊型平原河道及自然草灘。該河段上游為低山高丘地勢，河床為砂泥混合土料；險段中心段最窄處寬度≤10m，洪水經過時左汊出現較大分流，河道水面收窄，在兩側激流的擠壓下水流增大，并在下游堤段出現內彎以及迎流頂沖、深槽迫岸，水流加速，造成坡腳嚴重淘刷，形成歷史險段。

2 研究方法

2.1 野外測量方法

結合怡豐險段Google Earth 遙感影像和160m高度無人機拍攝影像，該河段頸口寬度從2014年的24.2m 減小為2021 年的9.3m。頸口寬度的縮小使河段出現裁彎的可能性大大增加，故而在最有可能出現裁彎的區域選擇5 個典型斷面，斷面寬度沿彎頂向下游持續增大。通過平面精度±0.8cm+1ppm、高程精度±1.5cm+1ppm 的RTK 對5 個典型斷面岸坡輪廓點三維坐標展開實地測量，同時應用ArcGIS 軟件三維分析工具將三維坐標轉換成平面坐標，進而得出河岸邊坡平面形態；此外，還應將河岸原狀土取樣，通過篩分法室內土工試驗及激光粒度儀分別測量粒徑1mm 以上及1mm 以下土樣的顆粒級配。

2.2 模擬方法

以BSTEM 模型中的坡腳沖刷模塊所得到的復雜岸坡形態為Input Geometry 模塊中幾何形態輸入數據。用戶通過手動輸入崩塌角度及高程或借助軟件自動迭代等方式得出最容易發生崩塌的平面形態[1]。該模擬方法主要基于水力半徑分割法對一定水位、岸坡形態、水力坡度下均勻流河段切應力分布情況展開計算，公式如下：

式中：0τ為切應力均值，Pa；wγ為水容重，取9.81kN/m3；R為水力半徑，m；J為水力坡度。

應用水力半徑分割法時，應沿水面以下岸坡設置角平分線，從而將岸坡橫斷面劃分成不同區域，區域內水流主要受節點處糙率和水力半徑影響。節點處沖刷速率均值主要通過剩余切應力法計算，用時間參數將沖刷速率積分后得到沖刷寬度均值[2]。該方法假定沖刷角與局部坡角垂直，即：

式中：E為河道沖刷寬度，m；k為沖刷系數；Δt為時間步長；cτ為切應力臨界值，Pa；其余參數含義同前。根據該公式，河岸發生沖刷與否主要取決于河岸切應力臨界值和水流邊界剪應力之間的比較，兩者的差值決定著河岸沖刷速率。

北江三角鎮怡豐險段表現為條崩形態，河岸土體崩塌幅度大、距離長，河岸沿程土體構成和力學屬性較為相似，故在水流條件相同時崩岸臨界條件也極為接近，導致崩塌塊以條帶狀分布。就崩岸發生的機制而言，該險段崩岸屬于懸臂式張拉破壞。以岸高5.41m、河床高0.84m 的2#斷面進口段為代表性河岸，河岸岸坡表層覆蓋草本植物，植物根系深入細砂土層后形成較為穩固的復合體，上層土體黏土含量高，故該斷面進口段河岸土體抗剪強度和黏聚力均較高；下層則主要為非黏性土體，受到水流作用后易沖刷淘蝕，并在岸坡處于臨界崩塌角時表現出平面剪切破壞；這種情況下，上部土體因強度較大且未達到臨界崩塌狀態而處于懸臂狀態。上下層土體交界面通常比洪峰水位高，故水流直接沖刷下部無黏性細砂層，河岸細泥沙顆粒也會在水流力切應力超出土體切應力臨界值時隨水流沖刷而下移，出現崩岸（圖1）。與此同時，在力矩平衡、下部土體崩塌寬度、力學作用下，上層土體表現出懸臂式張拉破壞[3]。考慮到文章所采用的BSTEM模型不能對上部土體懸臂式張拉破壞展開模擬，故文章僅模擬下部非黏性細砂層崩塌過程。

圖1 凹岸沖刷機理示意圖

3 研究過程及結果

3.1 研究過程

按照土體力學性質將北江三角鎮怡豐險段河岸土體劃分成 5 層，考慮到上部土體強度大，可對下部一定深度范圍內岸坡崩塌起到抑制作用，故將上下部土體交界面以下河岸高度10%以內土體切應力臨界值、黏聚力、內摩擦角等參數值均提高20%，并歸為第1層。對于不同水流條件所對應的平均水位以下細砂層滲透系數較大，應通過浮重度計算其水下容重，并歸為第 5 層。中間土層因土體力學性質指標較為一致，土體厚度對計算結果無明顯影響，故歸為第2～4層。因細砂層具有較強的透水性，故潛水位變化過程基本與水面高程一致；河岸下部細砂層重度取BSTEM模型中既定值18.6kN/m3，第5層取浮重度8.9kN/m3。各土層力學性質具體見表1。

表1 土層力學性質指標

按照BSTEM 模型原理，一旦出現河岸崩塌，則崩岸塊在水流的沖刷下隨即下移，但現實情況卻是，崩岸塊可能堆積于坡腳，對近岸水流沖刷侵蝕有減弱作用。根據實地考察以及對岸坡形態的實地測量，坡腳所堆積的崩岸塊強度較大，并附著在草本植物根系處，隨著時間的推移，植物根系甚至貫穿其中。這也表明，怡豐險段河岸崩岸塊主要為上部粘性細砂層，因具有較強的抗沖性和黏聚力而大量堆積于坡腳。相反，下部非粘性細砂層在剪切破壞作用下出現的崩岸塊因土體抗剪性能差，崩落后在水流的沖刷下短時間內便向下游運移。

為增強分析過程及結果的針對性，文章通過BSTEM 模型展開怡豐險段河岸崩岸規律分析時忽略非粘性細砂坡腳堆積作用，僅對恒定流和非恒定流兩種水流情況下崩岸過程展開模擬，并對崩塌寬度、坡腳沖刷程度、崩退速率變化規律等展開研究。

3.2 恒定流計算結果

取怡豐險段1985—2020 年日流量資料，根據實際數據將流量劃分成5 組，通過相關公式計算出不同流量的重現期，通過BSTEM 模型模擬恒定流條件下崩岸過程，將時間步長確定為1d，河段長度按1.0m 取值，依次運行模型中的坡腳沖刷模塊和河岸穩定模塊。根據模擬結果，在河道水深不足2.0m 時，模擬時間超出40d 后坡腳沖刷量及沖刷寬度均取0，結合公式（2）可知，這種情況下岸坡切應力均值小于土體切應力臨界值，河床不再遭受水流淘刷沖蝕，岸坡形態也基本趨于穩定，恒定流情況下發生崩岸的可能性也為0。

根據對不同流量條件下坡腳沖刷量隨時間變化趨勢的模擬，沖刷從初始岸坡開始出現，此后隨著運行時間的推移，沖刷量呈減小趨勢，遞減速率也持續減小；岸坡切應力均值隨著流量的增大而增大，初始沖刷量和坡腳沖刷量均隨之增大，崩岸時間縮短。當水深從2.0m升高至2.5m時，岸坡沖刷速率約提升1倍；水深從2.5m提升至3.5m時，岸坡沖刷速率提升約2.1倍，表明水位較低時流量的增大對河岸沖刷更為劇烈。

通過對恒定流情況下崩岸情況模擬結果（表2）的分析，隨流量增大，崩岸角和崩岸寬度均呈增大趨勢，但崩岸時間卻持續減小。以崩岸寬度和崩岸時間之比為崩岸速率，從而得出恒定流情況下流量Q與崩岸速率v的關系式：

表2 恒定流情況下的模擬結果

據上式，崩岸速率和流量呈對數關系，且隨著流量的增大，崩岸速率持續減小；當水深取2.0m時，對應的崩岸速率為3.08m/a，根據模擬結果得到的該計算值與3.1m/a的實測值較為吻合，表明模擬結果科學合理。根據崩岸速率和崩岸時間隨流量的變化趨勢，當崩岸時間為20d，對應流量取120m3/s；若實際流量小于該取值，且流量持續時間不超出20d，崩岸便不會發生，岸坡也將保持穩定。

3.3 非恒定流計算結果

結合實測結果及水文資料，北江三角鎮怡豐險段1 年中約9 個月時間為低流量，夏季降雨是影響其水位變化的關鍵性因素，在低流量下，岸坡受水流的侵蝕及崩岸發生的可能性均較小，河岸基本穩定；而隨著流量增大和水位提升，岸坡侵蝕變得劇烈，坡腳淘刷速度加快，河岸穩定性受到較大影響，高水位期間也是崩岸集中性發生的主要時段。為此，必須展開怡豐險段崩岸過程受高水位非恒定流組合流量影響的分析。

根據對怡豐險段1985—2020 年日流量資料中單峰水文過程線的分析，以50m3/s、100m3/s、150m3/s、200 m3/s 等4 種流量為平均流量展開水文過程模擬，且每種流量模擬時長均按照18d、20d 和22d 設置，共對應12 種工況。以20d 時長下的工況為恒定流對照組，其余工況流量過程線取Ⅰ類（前高后低）、Ⅱ類（前低后高）、Ⅲ類（前后齊平）形態；不同平均流量及工況下變差系數、水文過程線及峰值流量并不相同。非恒定流情況下模擬結果如表3 所示。

表3 非恒定流情況下的模擬結果

通過表中結果可以看出，在流量均值相同的情況下，峰值流量、流量變化趨勢、流量大小及流量分布的離散程度存在較大差異，但單位時間為坡腳處沖刷量較為接近，并隨著流量均值的增大而呈遞增趨勢。結合相關研究成果，極大洪水流量是多年水文系列中沖刷量控制的關鍵性因素，故對于一個水文過程線而言，沖刷速率隨峰值流量的越大而增大[4]。但根據分析，怡豐險段沖刷速率和峰值流量的關系較為散亂。工況8和12沖刷速率分別為0.59m/d和0.76m/d，兩者誤差均值達到±13.7%，明顯比流量均值為200m3/s時三種工況誤差均值大；工況4和9、8和12峰值流量相同，但沖刷速率存在較大差異。峰值流量主要通過流量均值間接影響岸坡沖刷及崩岸，通過對該河段沖刷速率與流量均值關系的分析，在流量均值一致的情況下，沖刷速率隨時間的推移變化較小，對沖刷速率的影響也不大。水流對河岸的沖刷是流量量級和流量出現頻率共同作用的結果，高流量對岸坡沖刷劇烈但歷時短，低流量沖刷緩慢但歷時長，岸坡沖刷量主要取決于流量均值，與流量過程變化關系不大[5]。

4 結 論

綜上所述，河岸岸坡陡于河岸土體穩定坡度以及河岸底部受水流淘刷進而引發上部河岸失穩是造成怡豐險段崩岸的根本原因。在恒定流下，崩岸寬度及坡腳沖刷速率均隨流量的增大而增大，但崩岸時間卻隨之減小；坡腳沖刷量越大，達到臨界崩岸寬度所需要的時間也越短。在非恒定流下，峰值流量、流量離散程度及組合流量變化趨勢對單位時間內岸坡沖刷量及崩岸寬度的影響均較為接近，且均隨流量均值的增大而增大；一定時間范圍內河岸侵蝕及崩岸是流量量級和頻率共同作用的結果，與流量峰值關系不大，故應以某個水文過程的有效流量均值為評估怡豐險段河岸侵蝕及崩岸的主要指標。