舒安平，周　星，余明輝，段國勝，朱福楊

（1.北京師范大學(xué) 環(huán)境學(xué)院 水沙科學(xué)教育部重點實驗室，北京　100875；2.北京市水科學(xué)技術(shù)研究院，北京　100048；3.武漢大學(xué) 水利水電學(xué)院，湖北 武漢　430072）

1　研究背景

在河道水流與河岸邊坡交互作用下，水流沖刷侵蝕河岸導(dǎo)致河岸邊坡失穩(wěn)的過程稱為岸坡崩塌，即崩岸［1］。我國七大江河普遍存在不同程度的塌岸現(xiàn)象［2］，以長江和黃河最為典型，其中黃河寧蒙（寧夏至內(nèi)蒙古）河段是黃河泥沙的主要來源區(qū)之一，也是黃河泥沙問題研究的重點河段。Yao［3］等通過遙感解譯方法研究了寧夏至內(nèi)蒙河段的岸坡崩塌面積，青銅峽至頭道拐河段1958—2008年的岸坡崩塌面積高達(dá)518.38 km2，其中左岸崩塌面積257.29 km2，右岸崩塌面積261.09 km2，是世界河流中侵蝕最嚴(yán)重的河段。寧蒙河段河道擺動劇烈，河岸崩塌侵蝕現(xiàn)象嚴(yán)重。河岸崩塌機(jī)理十分復(fù)雜，影響因素多，其中河岸邊界特性及土壤地質(zhì)結(jié)構(gòu)、水流條件和河床沖淤、演變特性等在河岸崩塌發(fā)生過程中起到了重要的作用［4］。大量統(tǒng)計資料表明，崩岸現(xiàn)象多發(fā)生于受水流劇烈沖刷的河岸，例如在長江中下游，80%以上的崩岸發(fā)生在彎道頂點或迎流頂沖點；在黃河河段，汛期水流集中且主槽內(nèi)流速很大，岸坡沖刷十分嚴(yán)重，水流的沖刷侵蝕在崩岸過程中同樣起到重要作用。

國內(nèi)外有不少學(xué)者針對不同的河岸崩塌的水力要素，如近岸流、縱向水流、彎道環(huán)流、回流掏刷、高水位持續(xù)時間等進(jìn)行了研究，取得了較為豐碩的成果［5-7］。龍慧等［8］歸納總結(jié)了荊江崩岸分布特征，并分析了水動力因子（縱向水流變化、橫向環(huán)流及水流動力軸線變化）對崩岸的影響。張芳枝等［9］概括國內(nèi)外近岸水流沖刷力的分布與計算、堤岸土體抗沖力確定、河岸土體橫向沖刷計算方法等研究成果并提出在天然河道利用比降計算近岸水流切應(yīng)力。錢寧等［10］根據(jù)縱向流速的垂向分布計算近岸剪切力。唐存本［11］將顆粒重力、黏結(jié)力以及水流上舉力和拖曳力統(tǒng)一考慮，根據(jù)力的平衡方程式得出黏性土的起動剪切力公式，并考慮了黏性土固結(jié)程度的影響。彭玉明等［12］通過分析長江荊江河道演變過程，歸納總結(jié)出河道演變與崩岸之間的關(guān)系，認(rèn)為河道演變過程中主流線的變化、河道沖刷對崩岸產(chǎn)生主要影響。水流的紊動和渦旋也對崩岸有顯著影響。Papanicolaou等［13］發(fā)現(xiàn)二次流下的水深平均切應(yīng)力為順直河道中切應(yīng)力的兩倍以上，最大值為水深平均切應(yīng)力的5倍，增大水深平均邊壁切應(yīng)力2倍以上。

另一方面，目前在水動力因子對岸坡崩塌過程數(shù)值模擬方面也取得了一定的進(jìn)展，王國卿［14］通過平面二維水沙數(shù)學(xué)模型和河岸穩(wěn)定性模型，采用有限元法和利用Fortran編程語言對河流的彎曲演變進(jìn)行數(shù)值模擬。鐘德鈺等［15］在考慮環(huán)流橫向輸沙及由其引起的河床沖淤和河岸變形的情況下，建立了平面二維水沙數(shù)學(xué)模型，模擬了彎道的發(fā)生和發(fā)展過程。劉海飛［16］基于Boltzmann方法分別模擬了順直和彎道水沙輸移過程，發(fā)現(xiàn)彎曲河道凸岸堆積，凹岸沖刷的變化趨勢，Sahoo等［17］應(yīng)用Dynamic流域模擬模型與岸坡侵蝕（DWSM BE）對約旦河塌岸進(jìn)行計算，模擬和量化塌岸量占約旦河流域下游淤積量的百分比；但是物理模型實驗是解決三維性較強(qiáng)的水流、泥沙問題，反演或預(yù)測河道變形的一種不可或缺的手段。尤其在崩岸問題研究中，由于涉及較為復(fù)雜的邊界條件和水力條件，再加上人們對于崩岸發(fā)生機(jī)理尚不太清楚，用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解存在一定的困難。因此，通過模型實驗進(jìn)行觀測研究，再現(xiàn)天然河道的崩岸過程，不失為一個好辦法，但前人在這方面的研究開展的相對較少：余明輝等［18］通過彎道水槽試驗歸納研究了非黏性土組成岸坡的崩退模式；胡呈維等［19］通過彎道水槽實驗確定黏性岸坡崩塌量小于非黏性岸坡崩塌量，這些成果無疑有助于我們對河岸崩塌形成機(jī)理的認(rèn)識。

本文通過實施在彎道水槽中的8組模擬實驗，采用黃河上游寧蒙河段的磴口黏性河段為實驗用沙制作岸坡模型，通過改變模擬材料的組成及水流邊界條件，觀測水流沖刷下黏性岸坡崩塌過程、崩塌體的分解和輸移過程以及崩后穩(wěn)定岸坡和河床的形態(tài)，著重研究彎曲型河道不同水沙關(guān)鍵因子組合條件下岸坡崩塌過程的水動力變化規(guī)律，治理對河岸崩塌具有重要的現(xiàn)實意義。

圖1　斷面流速測量點布置圖

2　水槽實驗概況

2.1實驗裝置實驗是在武漢大學(xué)水資源與水電工程國家重點實驗室內(nèi)凈寬為1.2 m、彎道內(nèi)徑為1.8 m、底坡比降為1‰彎道水槽中進(jìn)行的。岸坡沿程布置14個流速監(jiān)測斷面，位置布置如圖1所示，岸高40 cm，河床高10 cm，坡腳為45°，每個斷面上河床上橫向布置4條垂直測線，岸坡上盡可能多的布置垂直測線，每條測線根據(jù)水深確定縱向的測點個數(shù)，斷面初始形態(tài)及斷面流速測量點的布置如圖2所示。實驗分為固定岸坡固定河床和活動岸坡活動河床兩種情況來分別研究，動床動岸使用泥沙來鋪砌，定床定岸的河床和岸坡由水泥鋪砌固定。為了研究岸坡崩塌后崩塌體周圍的流速分布和受力情況，在固定岸坡固定河床的彎道出口段（即斷面4—斷面6，以下同）岸坡坡腳處增設(shè)崩塌體，崩塌體底部寬10 cm，高5 cm，橫跨CS4—CS6斷面，在崩塌體上游、下游以及臨水面流速加密監(jiān)測，用于計算崩塌體周圍的剪切應(yīng)力，有崩塌體的橫斷面形態(tài)如圖3所示。

圖2　斷面形態(tài)及流速測量點布置

圖3　斷面監(jiān)測點布置圖（增加崩塌體）

2.2實驗條件本次實驗共進(jìn)行了3組河床及岸坡邊界條件，即可動河床可動岸坡和固定河床固定岸坡，其中固定河床固定岸坡又分為有崩塌體和無崩塌體兩種。上述3種河床及岸坡邊界條件下，均施放不同動水流量，具體分組如下表所示，根據(jù)不同的河床邊界條件與流量，可以組合成8種工況，詳見表1。

表1　實驗工況

其中工況3為黏性岸坡、非黏性河床，為研究黃河中游寧蒙河道岸坡崩塌情況，以黃河中游寧蒙河段磴口河段河岸天然土黏性土為實驗材料，其始級配見圖4，土樣中值粒徑約為0.032 mm。水槽底部鋪設(shè)非黏性土白礬石和粗砂礫大顆?；旌喜牧夏M可動河床，以便觀測岸坡崩塌進(jìn)入河道后與河床的摻混情況，岸坡和河床的粒徑相差較大，比便于區(qū)分。模型制作時盡可能保證材料含水率和緊實度偏差較小，模型首尾用碎石延伸，即保護(hù)了頭尾岸坡不受渦流的淘刷又保證流平順。對于黏性岸坡，每次實驗開始前，用Φ61.8×20 mm的不銹鋼環(huán)刀于模型岸坡上取好土樣，進(jìn)行快剪實驗和土樣烘干，測定土樣的c、φ值以及含水率以及孔隙率。表2為實驗材料的物理性質(zhì)。

圖4　黏性岸坡初始顆粒級配

表2　實驗材料的物理性質(zhì)

2.3實驗流程及測量方法（1）關(guān)閉水槽尾門，從水槽的下游注水，當(dāng)水位緩緩上升到12 cm時停止注水，對岸坡及河床土體浸泡10 min。（2）動床動岸時，實驗開始前對制作好的模型土體的監(jiān)測斷面的坡腳和坡頂處取樣，對實驗前岸坡土樣的容重、含水率、級配等進(jìn)行測量計算。（3）放水至河槽水位到達(dá)24 cm左右時，調(diào)節(jié)尾門保證額定流量下水位穩(wěn)定。（4）當(dāng)水流流態(tài)穩(wěn)定后，利用ADV流速儀沿斷面垂線測量流速。斷面上垂線間距為20 cm。岸坡和崩塌體上的垂線流速監(jiān)測點加密測量，進(jìn)行實驗組次3時，利用地形儀監(jiān)測地形變化情況。（5）每隔15 min，記錄一次平底堰處水位讀數(shù)，再繼續(xù)拍照、錄像。（6）沖刷時間結(jié)束后，逐漸調(diào)小流量，避免水位突然下降引起岸坡再次崩坍，放干水槽中的水，對沖刷后的岸坡形態(tài)進(jìn)行拍照記錄和對比分析，在監(jiān)測斷面用透明網(wǎng)格板測量斷面的形態(tài)及河道泥沙淤積狀態(tài)。

3　岸坡崩塌過程中彎道環(huán)流分布特征

3.1彎道環(huán)流的流態(tài)無論是定岸定床還是動岸動床流態(tài)分布情況大致相同，小流量時水流流態(tài)整體較為平順，從CS1斷面進(jìn)入彎道后主流緊貼河道凹岸（右岸），在CS8斷面主流逐漸回歸河道中央，同一斷面上凹岸水深大于凸岸，表現(xiàn)出明顯的彎道水流特性。當(dāng)流量較大時，凹岸部位表現(xiàn)突出，與此同時，岸坡邊緣水流紊動強(qiáng)烈，水位發(fā)生突變，同一斷面存在較大的水位差。

圖5　工況3-2下的水面線（Q=30 L/s）

工況3-2水面線見圖5，由水面線可以看出，水流進(jìn)入彎道后，呈現(xiàn)凹岸水位高于凸岸水位的現(xiàn)象，在彎道頂端與彎道中下段的中間位置水位差達(dá)到最大，彎道水流特性表現(xiàn)得最為明顯。當(dāng)水流進(jìn)入直道段的時候，水位差變小，超過一定范圍的時候，凸岸水位變得高于凹岸水位。

3.2縱向流速分布工況3-2的彎道縱向流速分布如圖6所示。結(jié)合岸坡侵蝕線可以看出，不論是表層中層還是底層，近岸流速較大區(qū)域與岸坡崩塌嚴(yán)重區(qū)域基本重合，主流從CS+1斷面進(jìn)去彎道后，逐漸向凹岸靠近，在CS5—CS6斷面近岸流速達(dá)到最大，并緊密貼合岸坡，此處岸坡崩塌最為嚴(yán)重。隨后主流逐漸回到水槽中央。速度分布圖與實驗中觀察到的彎道下段即彎道出口處附近岸坡崩塌最為嚴(yán)重情況相符合，順直段岸坡崩塌不嚴(yán)重。此外，表層及中層主流近岸程度大于底層，且表層流速最大，底層流速最小。

3.3橫向環(huán)流流速分布彎道段水流具有明顯的三維特性，環(huán)流是橫向輸沙的主要動力因素。彎道環(huán)流使表層較清的水體流向凹岸，底層含沙量較大的水流流向凸岸，造成凹岸沖刷，岸坡變陡發(fā)生崩岸，沖刷后的河岸邊坡形狀表現(xiàn)為拋物線，工況1-2橫斷面流場如圖7所示。

4　岸坡崩塌體附近剪切力分布特征

為分析崩塌過程中水流剪切力的分布特點，固定岸坡固定河床工況情景時在彎道中下段岸坡坡腳處增設(shè)崩塌體，主要關(guān)注崩塌體進(jìn)入河道后的水流變化情況及崩塌體的受力情況。

4.1水流剪切力計算方法自然中的流動大多數(shù)都是紊流。紊流流動的實際流速為時均流速與脈動流速之和。當(dāng)利用時均流場代替紊動瞬時流場時，需要在原來的黏性切應(yīng)力上加上紊流附加切應(yīng)力，這是紊流的渦體在各流層之間傳遞能力、動量的結(jié)果［20］。

黏性切應(yīng)力：

紊流附加切應(yīng)力：

圖6　工況3-2彎道縱向流速圖（Q=30 L/s）

圖7　工況1-2橫斷面流場圖（Q=55 L/s）

總水流剪切力為黏性切應(yīng)力上與紊流附加切應(yīng)力之和，即：式中：μ為黏度；為時均流速；u′為脈動流速。

圖8為一風(fēng)洞的矩形斷面上測得的黏性切應(yīng)力和紊流附加切應(yīng)力的分布，H為斷面高。從圖中可以看出，斷面上的切應(yīng)力為線性分布，在壁面上切應(yīng)力最大，且全部為黏性切應(yīng)力，近壁處紊動弱；隨著y增加，紊流附加切應(yīng)力的比重增大，當(dāng)y增加到一定值時全部為紊流附加切應(yīng)力，距壁較遠(yuǎn)處紊動充分發(fā)展。

依據(jù)以上方法，利用ADV的實測數(shù)據(jù)根據(jù)公式（3）計算水流剪切力，并繪制黏性切應(yīng)力和紊流附加切應(yīng)力的橫向變化曲線，圖9為某一點x、y方向的剪切力的計算過程。

圖8　黏性切應(yīng)力和紊流附加切應(yīng)力的橫向變化

圖9　剪切力計算過程

4.2崩塌體附近床面剪切力分布特性圖10中的剪切力的分布表明：在靠近凸岸邊壁和岸坡附近，剪切力值較大，且岸坡附近剪切力的方向雜亂，說明岸坡附近水流紊亂，對岸坡的擾動劇烈，水流作用力大，所以從流速分布和水流剪切力分布圖印證了彎道水槽的輸沙特性：一方面由于彎道環(huán)流，彎道表層較清的水流向凹岸，造成凹岸沖刷；從凹岸向下轉(zhuǎn)向凸岸的底層流攜帶大量泥沙，造成凸岸淤積，這種作用致使主流不斷向下游凹岸偏移。另一方面，坡腳處的剪切力較大，對于坡腳擾動較大，加快凹岸的沖刷。岸坡崩塌后，崩塌體會堆積在坡腳處或者靠近岸坡的河床上，為研究崩塌體的對水流作用的影響，在彎道出口附近增設(shè)崩塌體。以55 L/s流量下的平面流速為例，如圖11。鋪設(shè)崩塌體后，流場整體趨勢基本不變，崩塌體頭尾處流速較大，且頭部指向崩塌體，對于崩塌體具有強(qiáng)烈的擾動。

圖10　剪切力分布圖

鋪設(shè)崩塌體后彎道處的橫向環(huán)流作用依舊明顯，這一特點可以直接從崩塌體的橫斷面流速分布圖12中看出，在CS4—CS6斷面可以清楚地看出橫斷面的環(huán)流作用，尤其是崩塌體表面的指向凸岸的流速可對崩塌體產(chǎn)生擾動，并且橫向分解崩塌體，是崩塌體在河床上橫向分解，分解后的泥沙移動到凸岸。

圖11　彎道縱向流速圖（Q=55 L/s）

由圖13中的剪切力的分布可以發(fā)現(xiàn)，在靠近凸岸邊壁和岸坡附近，剪切力值較大，且岸坡附近剪切力的方向雜亂，說明岸坡附近水流紊亂，對岸坡的擾動劇烈，水流作用力大。增設(shè)崩塌體后，彎道頂沖點以下凹岸一側(cè)的較大剪切力區(qū)位置均有所下移。崩塌體臨水面周圍紊動強(qiáng)烈，其臨水面尤其上下游端附近易形成較大剪切力區(qū)，增加了該區(qū)域河床的局部輸沙能力。從崩塌體局部剪切力圖中可以看到，崩塌體頭尾部的剪切力突增，增大了對崩塌體的擾動，加快崩塌體的分解。

圖12　橫斷面流場圖（Q=55 L/s）

4.3不同流量條件下的水流剪切力對比分析通過圖14和圖15對比30 L/s和55 L/s不同流量下水流剪切力分布，可以發(fā)現(xiàn)其分布趨勢均相同：從+1#斷面開始進(jìn)入彎道后的一定距離，凸岸附近的水流剪切力增加，凹岸附近的水流剪切力則減?。恢翉澋蓝魏?，出現(xiàn)相反的調(diào)整，水流剪切力趨于均勻分布；進(jìn)去彎道出口段后，高剪切力逐漸移向凹岸，水流出彎道后，凹岸的剪切力沿程減小而凸岸的剪切力沿程增加。經(jīng)過一段距離后，剪切力沿斷面的分布將趨于正常分布，所以彎道出口段岸坡破壞最大。但兩個流量下剪切力大小不同，可以很明顯的觀察出，剪切力隨流量的增大而增大，所以岸坡在大流量下的破壞表現(xiàn)更為突出。

通過圖14和圖15對比有崩塌體和無崩塌體下的剪切力分布，增設(shè)崩塌體后，彎道頂沖點以下凹岸一側(cè)的較大剪切力區(qū)位置均有所下移。崩塌體頭尾部的剪切力突增，其臨水面周圍紊動強(qiáng)烈，尤其上下游端附近易形成較大剪切力區(qū)，增加了該區(qū)域河床的局部輸沙能力，加快崩塌體的分解。但是可以發(fā)現(xiàn)在無崩塌體的地方剪切力分布大致相同。

圖13　剪切力分布圖

圖14　水流剪切力對比圖（Q=30 L/s）

圖15　水流剪切力對比圖（Q=55 L/s）

4.4彎道環(huán)流與剪切力對河床沖淤形態(tài)的影響為了分析崩岸土體在河床沖淤積形態(tài)特征，待實驗結(jié)束后，將實驗河段的水慢慢放干，對典型斷面用挖槽的辦法進(jìn)行研究，用透明網(wǎng)格板量測岸坡泥沙淤積的部位及厚度分布，分別如圖16、圖17所示。

由圖16和圖17可見，彎道頂沖點（即）河床沖刷最嚴(yán)重，在凸岸可以看到淤積現(xiàn)象，再次說明岸坡沖刷后會被帶到下游凸岸落於。沿程混合泥沙面積不斷增加，但順直段的河床沖刷不嚴(yán)重，主要是來自上游的泥沙淤積和來自崩塌體的泥沙的覆蓋作用。靠近岸坡的河床并沒有與崩塌土體發(fā)生明顯混摻，與原始地形對比，只是厚度有所降低，頂部覆蓋了一層崩岸土體。岸坡與河床沖淤交互作用印證了彎道水槽的輸沙特性：一方面由于彎道環(huán)流，彎道表層較清的水流向凹岸，造成凹岸沖刷；從凹岸向下轉(zhuǎn)向凸岸的底層流攜帶大量泥沙，造成凸岸淤積，這種作用致使主流不斷向下游凹岸偏移；另一方面，坡腳處的剪切力較大，對于坡腳擾動較大，加快凹岸的沖刷。因此，彎曲河道的塌岸河段彎道環(huán)流和水流剪切力對河床沖淤形態(tài)特征具有極其重要的作用。

圖16　河床沖淤形態(tài)特征

圖17　岸坡與河床沖淤交互情況

5　結(jié)論

（1）彎道水槽實驗表明，水流進(jìn)入彎道后，水流三維特性明顯，呈現(xiàn)凹岸水位高于凸岸水位的現(xiàn)象，在彎道頂端與彎道出口的中間位置水位差達(dá)到最大；不論是表層中層還是底層，近岸流速越大崩塌越嚴(yán)重，靠近岸坡附近水流結(jié)構(gòu)紊亂，對岸坡坡腳擾動劇烈，主流岸近岸程度越大，流速越大，岸坡越容易崩塌失穩(wěn)。（2）彎道水流剪切力分布特征表現(xiàn)為崩塌體頭尾部的剪切力突增，形成較大剪切力區(qū)，尾部剪切力大于頭部剪切力，尾部形成渦流，流速分布混亂，加快崩塌體的分解。崩塌體首尾較大剪切力區(qū)增加了該區(qū)域河床的局部輸沙能力，加快崩塌體的分解，但在無崩塌體的地方剪切力分布大致相同。（3）河床沖淤形態(tài)主要由水流剪切力和彎道環(huán)流共同作用所致，坡腳處的剪切力較大，對于坡腳擾動較大，加快凹岸的沖刷，靠近凹岸坡腳的河床主要表現(xiàn)為水流沖刷與崩塌土體沒有明顯摻混；在凸岸河床上可觀察到新淤土層，凸岸河床與崩塌土體的摻混現(xiàn)象，岸坡崩塌主要出現(xiàn)在彎道段，順直段沖刷不明顯。

誠然，崩岸問題影響因素眾多，涉及過程復(fù)雜。本文主要通過彎道水槽概化模擬實驗，得出的一些有關(guān)崩塌河岸彎道環(huán)流和水流剪切力及其對河床形態(tài)影響的初步性認(rèn)識，成果尚有一定的局限性，有待于在實踐應(yīng)用中得到驗證與完善。

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