劉昭希，王 軍，周銀軍，陳思含，金中武，陳 鵬

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院 河流研究所，武漢 430010； 2.長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部長(zhǎng)江中下游河湖治理與防洪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010)

1 研究背景

崩岸是河道變形的一種表現(xiàn)形式。長(zhǎng)江中下游河道的邊界條件除小部分山體和階地瀕臨江邊以外，大部分是河漫灘沖積平原。河岸組成大部分為上層黏性土較薄、下層砂土層深厚的二元結(jié)構(gòu)，總體來(lái)說(shuō)抗沖性較差，河道平面變形和崩岸劇烈。按照崩岸的形態(tài)特征將崩岸分為5種類(lèi)型：窩崩(或弧形“挫崩”)、條崩、“口袋型”崩窩、由滑坡形成的崩窩和洗崩[1]。許多外國(guó)學(xué)者研究分析了崩岸的影響因素，Osman等[2]提出造成崩岸最普遍的原因是河岸側(cè)向侵蝕過(guò)程致使河道寬度增加和岸坡變陡，或者是由于河床下切增加了河岸的高度；Rinald和Casagli[3]強(qiáng)調(diào)了基質(zhì)吸力對(duì)河岸穩(wěn)定性的作用；Van der Mause等[4]分析了河冰對(duì)岸灘侵蝕的影響；Wang等[5]研究了連續(xù)的波浪侵蝕對(duì)岸坡穩(wěn)定性的影響。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)河道演變和河岸崩塌等進(jìn)行了研究，其中，余明輝等[6]在彎道水槽中進(jìn)行非黏性岸坡沖刷試驗(yàn)，提出近岸流速越大、水位越高，岸坡總沖刷坍塌量越大;張幸農(nóng)等[7]通過(guò)概化模擬試驗(yàn)提出滲流強(qiáng)度越大破壞作用越大；岳紅艷等[8]使用模型沙在荊江段河道模型上進(jìn)行試驗(yàn)，提出了二元結(jié)構(gòu)河岸崩塌的5個(gè)階段；宗全利等[9]采用荊江河岸原型土在彎道水槽中對(duì)上、下荊江二元河岸崩塌過(guò)程進(jìn)行模擬；楊懷仁等[10]根據(jù)荊江河段的實(shí)測(cè)資料，指出了彎曲河道中凹岸崩退強(qiáng)度的主要影響因素，并提出對(duì)崩岸強(qiáng)度起著主要作用的是汛期水流；張翼等[11]指出岸頂植被覆蓋可增強(qiáng)岸坡穩(wěn)定性。姚仕明等[12]指出在自然因素和人為因素共18個(gè)因素的崩岸影響權(quán)重總排序中，縱向水流沖刷排第一。

綜上所述，目前對(duì)荊江河段的模型試驗(yàn)均設(shè)置在彎曲河道，難以避免彎道環(huán)流等因素對(duì)河岸穩(wěn)定性的影響。為研究縱向水流和水位變化對(duì)二元結(jié)構(gòu)河岸穩(wěn)定性的影響，本文通過(guò)連續(xù)3 a對(duì)荊江河岸崩塌情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，分析荊江河岸崩塌特點(diǎn)；并取樣進(jìn)行土工試驗(yàn)分析土體物理及力學(xué)特性。本次概化模型試驗(yàn)主要針對(duì)二元結(jié)構(gòu)順直河岸，模擬一個(gè)水文周期內(nèi)河岸的崩塌情況，觀察并記錄河岸的崩退過(guò)程及特點(diǎn)，分析流量-水位條件對(duì)二元結(jié)構(gòu)河岸穩(wěn)定性的影響。

2 研究區(qū)基本情況

荊江位于長(zhǎng)江中游，上起湖北省枝城鎮(zhèn)，下迄湖南省城陵磯，全長(zhǎng)約347.2 km，河岸土體為上部黏性土和下部砂土組成的二元結(jié)構(gòu)[13]。荊江以藕池口為界，分為上、下荊江。荊江來(lái)水量主要來(lái)自宜昌以上長(zhǎng)江干流，三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行前(1993—2002年)多年平均徑流量分別為4 346×108m3，蓄水后(2003—2015年)減少為4 098×108m3。2002—2013年，荊江段多年平均崩退速率約為15.0 m/a，崩岸總長(zhǎng)達(dá)42.3 km，其中監(jiān)利河段年均崩退速率約為14.3 m/a，岸線累計(jì)崩長(zhǎng)達(dá)15.4 km[14]。據(jù)水利部長(zhǎng)江水利委員會(huì)《長(zhǎng)江泥沙公報(bào)(2019)》，2002年10月—2019年10月，荊江河段河床持續(xù)沖刷，其平灘河槽沖刷量為119 165萬(wàn)m3；2018年10月—2019年10月沖刷量為5 351萬(wàn)m3。沙市站多年平均年徑流量(1955—2015年)為3 903×108m3，2018年和2019年的年徑流量分別為4 329×108m3和4 059×108m3；年輸沙量由3.51億t(1956—2015年多年平均)減少至0.315億t(2010—2019年多年平均)，其中2019年輸沙量降至0.188×104t。2002年10月—2019年10月，荊江河段深泓縱向以沖刷為主，平均沖刷深度為2.94 m，最大沖刷深度為16.2 m。

三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用以來(lái)，受上游來(lái)沙量大幅減少的影響，荊江河段發(fā)生了幅度較大的沿程沖刷，但河道平面形態(tài)基本穩(wěn)定；局部主流線擺動(dòng)幅度較大，崩岸時(shí)有發(fā)生，如北門(mén)口下段2002—2013年間深泓最大擺幅高達(dá)1 120 m[15]。近年來(lái)荊江河段河床沖刷強(qiáng)度總體呈下降趨勢(shì)，沖刷主要發(fā)生在枯水河槽內(nèi)。2019年監(jiān)利河段沖刷較大，其沖刷量占下荊江總沖刷量的73%。

3 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及土工試驗(yàn)

3.1 崩岸現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

于2016年12月初(退水期)、2017年11月中旬(退水期)、2018年10月下旬(洪水期末期)，連續(xù)3 a對(duì)荊江8個(gè)典型崩岸斷面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查。2018年查勘及取樣斷面位置如表1所示。

3.1.1 上荊江典型斷面調(diào)查

上荊江長(zhǎng)約171.7 km，為微彎分汊河型河道，河岸上部的黏性土層通常較下部的砂土層厚，下部砂土層頂板高程往往低于枯水位[16]。如圖1所示，荊47斷面河岸在洪水期水位34.29 m(2018年10月)以上有植被保護(hù)，河岸穩(wěn)定性較好，在退水期水位32.37 m(2017年11月)較低時(shí)，河漫灘呈現(xiàn)出砂土層。荊55和荊61斷面河岸岸坡較陡，坡面基本無(wú)

表1 查勘斷面的位置Table 1 Locations of the survey sections

圖1 荊江河段示意圖及取樣點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.1 Sketch map of the Jingjiang Reach and locations of bank soil sampling sites

植被覆蓋，河岸呈臺(tái)階狀，大量中小型黏土崩塊堆積覆蓋在岸坡，崩岸形式主要為洗崩和由滑坡形成的崩窩。荊73斷面河岸坡面植被覆蓋率逐年增加，河岸崩塌以洗崩和挫崩為主；2016年和2017年查勘時(shí)，沿岸岸坡呈臺(tái)階狀，這是由于長(zhǎng)期受水面風(fēng)浪的沖擊；2018年10月由于下部岸坡變陡，上部黏土層失穩(wěn)出現(xiàn)弧形挫崩，崩塊堆積在下部岸坡。

3.1.2 下荊江典型斷面調(diào)查

下荊江長(zhǎng)約175.5 km，為典型彎曲蜿蜒型河道，河岸上部的黏性土層比下部的砂土層薄。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，石3斷面近年來(lái)，由于其岸坡較陡，岸線崩退嚴(yán)重；石首北門(mén)口附近岸線實(shí)施了護(hù)岸工程，僅已護(hù)岸兩端部位被沖刷，但是未實(shí)施護(hù)岸工程的岸線崩岸情況依然較為嚴(yán)重[10]，荊98斷面河岸上部黏性土層較薄且?jiàn)A有砂土層，降低了河岸穩(wěn)定性，近年來(lái)崩岸情況嚴(yán)重(2002—2016年右岸累計(jì)崩寬高達(dá)332 m)，斷面附近岸線在平面上呈鋸齒形，崩岸類(lèi)型多為條崩和窩崩；位于來(lái)家鋪的關(guān)39斷面河岸上部黏性土層較薄且有砂土夾層，崩岸情況嚴(yán)重，主要崩岸類(lèi)型為洗崩和窩崩；熊家洲附近河岸近年來(lái)崩退嚴(yán)重，在2018年10月查勘時(shí)發(fā)現(xiàn)河岸中部土體存在地下水滲流現(xiàn)象，滲流對(duì)土體產(chǎn)生向外的壓力不利于岸坡穩(wěn)定；位于熊家洲的荊178斷面河岸上部土體摻雜大量砂土，且岸頂有長(zhǎng)近10 m的錯(cuò)縫、岸邊灌木失穩(wěn)傾倒，降低了土體抗剪強(qiáng)度和岸坡穩(wěn)定性，加劇了河岸崩退，如圖1所示。

據(jù)長(zhǎng)江科學(xué)院統(tǒng)計(jì)成果，2003—2018年荊江段有超過(guò)200起崩岸險(xiǎn)情發(fā)生，主要發(fā)生在10月—次年4月。其中，55%的崩岸斷面位于下荊江，45%的崩岸斷面位于上荊江；60%的崩岸發(fā)生在左岸，40%的崩岸發(fā)生在右岸[17]。荊江段崩岸分布規(guī)律主要表現(xiàn)為左岸多于右岸，下荊江多于上荊江。

3.2 土工試驗(yàn)

為了分析荊江河岸土體的組成、物理及力學(xué)特性，對(duì)8個(gè)典型斷面河岸上部的黏性土取樣進(jìn)行土工試驗(yàn)。試驗(yàn)檢測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)和《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2001(2009版))。天然狀態(tài)下荊江河岸土體的物理指標(biāo)(2018年)見(jiàn)表2。

表2 河岸土體的物理性質(zhì)指標(biāo)Table 2 Physical properties of riverbank soils

由表2可知，河岸黏性土層主要由粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和淤泥質(zhì)黏土組成，其中粉質(zhì)黏土占比50%，說(shuō)明荊江河段的黏性土以粉質(zhì)黏土居多，按塑性圖分類(lèi)均為低液限黏土。由于取樣及測(cè)試時(shí)間為洪水期末期，水位較高，土體含水率均>30%，飽和度均較大。荊47斷面右岸和荊98斷面右岸土質(zhì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。結(jié)合王軍等[13]和劉昭希等[18]在2016年和2017年的取樣及土工試驗(yàn)結(jié)果，荊47斷面右岸出露在枯水位以上土體為粉質(zhì)黏土；荊55和荊61斷面上部黏性土層為粉質(zhì)黏土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，中間夾有細(xì)砂或粉砂層；荊73斷面上部黏性土層主要為黏土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土；石3斷面的黏性土層較薄，主要為粉質(zhì)黏土和淤泥質(zhì)黏土；北門(mén)口斷面(對(duì)應(yīng)本次荊98斷面)上部為粉質(zhì)黏土，下部為細(xì)砂；來(lái)家鋪斷面(對(duì)應(yīng)本次關(guān)39斷面)上部土體為粉土；熊家洲斷面(對(duì)應(yīng)本次荊178斷面)上部土體為粉質(zhì)黏土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。上述情況說(shuō)明通常荊江河岸土體垂向分層明顯，且土質(zhì)沿程變化不大，在時(shí)間尺度上的變化也不大。

圖2 土質(zhì)分層結(jié)構(gòu)Fig.2 Soil layer structure

3.3 黏性土的力學(xué)特性

根據(jù)庫(kù)倫定律，土的抗剪強(qiáng)度τf=σtanφ+c，其中σ為破壞面上的法向應(yīng)力，φ為土的內(nèi)摩擦角，c為土的黏聚力。抗剪強(qiáng)度主要受土的黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響，因此本文針對(duì)荊江河岸上部的黏性土，主要討論的力學(xué)特性指標(biāo)為黏聚力和內(nèi)摩擦角。

天然狀態(tài)下，荊江河岸黏性土的黏聚力為6.1～16.5 kPa，內(nèi)摩擦角為4.2°～18.3°。擬合2016年、2017年和2018年8個(gè)典型斷面黏性土(重塑土)的直剪試驗(yàn)結(jié)果，得到含水率與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的關(guān)系曲線(圖3)和定量關(guān)系式，如式(1)—式(6)所示。黏聚力隨含水率的增大，先增大后減小，黏聚力達(dá)到峰值的臨界含水率約為16%；內(nèi)摩擦角則隨著含水率的增大而減小[18]。

圖3 含水率與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的關(guān)系Fig.3 Relations between moisture content and shearstrength parameters

黏聚力與含水率的定量關(guān)系式如下。

荊江：

c=0.001 6ω3-0.126 5ω2+2.601 6ω+2.478 7,

R2=0.670 7 ；

(1)

上荊江：

c=0.001 7ω3-0.133 3ω2+2.678 5ω+2.983 5,

R2=0.670 8 ；

(2)

下荊江：

c=0.001 5ω3-0.124 6ω2+2.687 1ω+0.308 3,

R2=0.678 2 。

(3)

內(nèi)摩擦角與含水率的定量關(guān)系式如下。

荊江：

φ=122.11e-0.084 1ω,R2=0.662 ；

(4)

上荊江：

φ=134.03e-0.091ω,R2=0.669 8 ；

(5)

下荊江：

φ=115.9e-0.079 5ω,R2=0.672 7 。

(6)

根據(jù)上荊江、下荊江和荊江分別的趨勢(shì)線及公式可以看出三者變化趨勢(shì)相差不大，說(shuō)明荊江河段河岸土體力學(xué)特性沿程基本一致。

4 概化模擬試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)概況

為研究縱向水流對(duì)河岸穩(wěn)定性的影響，采用荊98斷面河岸黏性土(黏粒含量為18.9%)和砂土(D50=0.35 mm)為試驗(yàn)材料。試驗(yàn)設(shè)置在長(zhǎng)直型水槽中，概化模擬一個(gè)水文周期內(nèi)河岸的崩塌情況。試驗(yàn)岸坡長(zhǎng)3 m，每間隔1 m標(biāo)定1#和2#斷面觀測(cè)河岸形態(tài)變化，水槽平面布置如圖4(a)所示；岸坡依照荊47斷面右岸形態(tài)概化為梯形截面(上底20 cm、下底50 cm、高15 cm)，幾何比尺為1∶100，岸坡上部黏性土層厚10 cm，下部砂土層厚5 cm，如圖4(b)所示。試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)試驗(yàn)岸坡上部土體進(jìn)行取樣并測(cè)定含水率，以分析試驗(yàn)進(jìn)程中河岸含水率變化情況。取樣間隔時(shí)間為1 h，變階段節(jié)點(diǎn)為0.5 h，每次在岸尾區(qū)域取兩環(huán)刀土，采用烘干法測(cè)定土樣含水率，每組含水率取平均值。

圖4 試驗(yàn)布置示意圖Fig.4 Sketches of experimental flume and bank slope

由于原狀土不宜鋪設(shè)成型，所以對(duì)取樣土體進(jìn)行研磨重塑，重塑后黏性土的粒組含量如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)土體(重塑土)粒組含量Fig.5 Particle gradation of remoulded test soil

表3 概化試驗(yàn)方案Table 3 Experimental groups

4.2 試驗(yàn)方案

將一個(gè)水文年內(nèi)的枯水期、漲水期、洪水期和退水期的時(shí)長(zhǎng)按照時(shí)間比尺1∶720進(jìn)行概化，模擬不同工況下的岸坡沖刷和崩退情況，試驗(yàn)方案如表3所示。本次試驗(yàn)采用WJGS-II河工模型試驗(yàn)綜合控制系統(tǒng)控制流量，通過(guò)調(diào)整尾部攔水閘來(lái)控制水槽內(nèi)水位，采用水位站測(cè)量水位，流速測(cè)量?jī)x器為L(zhǎng)S-501E型便攜直讀流速儀。為使試驗(yàn)岸坡接近自然狀態(tài)，試驗(yàn)土體鋪設(shè)成型后，使之自然沉降15 d再進(jìn)行試驗(yàn)。

5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

5.1 崩岸過(guò)程及特點(diǎn)

不同時(shí)期，試驗(yàn)岸坡的沖刷、崩岸過(guò)程及特點(diǎn)如下：

(1)枯水期，岸坡坡頂高程均下降約0.5 cm，試驗(yàn)岸坡未發(fā)生明顯沖刷現(xiàn)象，岸坡形態(tài)基本不變，河岸處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)漲水期，水位上漲至10.8 cm，流量增大，下部砂土受水流持續(xù)淘刷，如圖6(a)所示；上部黏性土受水流沖刷下切，導(dǎo)致水位以上的黏性土層懸空，當(dāng)黏性土的掛空寬度達(dá)到臨界值時(shí)，岸頂產(chǎn)生裂縫，懸空土體在重力作用下會(huì)發(fā)生落崩(包括旋轉(zhuǎn)落崩、剪切落崩)。由于崩體較小，落水后通常被淹沒(méi)，進(jìn)而受水流沖刷直至消失。經(jīng)過(guò)2 h的持續(xù)沖刷，岸坡的最大掛空寬度為1.5 cm。在漲水期，岸坡局部崩岸頻繁發(fā)生，處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。

(3)洪水期，隨著水位升高淹沒(méi)岸坡，懸空土體全部崩落，如圖6(b)所示；此時(shí)期，高水位大流量水流持續(xù)沖刷河岸，砂土被持續(xù)淘蝕，黏土受到?jīng)_蝕，岸坡發(fā)生大幅崩退，如圖7所示，兩個(gè)斷面的岸坡均受沖嚴(yán)重，其中1#斷面下部砂土層受沖刷后坡腳縮進(jìn)最大寬度Lmax=17 cm，河岸崩退寬度D=3.5 cm；2#斷面坡腳受沖刷后縮進(jìn)，且有黏土和砂土的混合體呈三角形堆積在河床，河岸穩(wěn)定性很低。

(4)退水期，水槽內(nèi)的水位迅速下降5 cm。由于河岸受到的側(cè)向水壓力減小，同時(shí)土體中產(chǎn)生了向外的滲透水壓力，導(dǎo)致滑動(dòng)面上的滑動(dòng)力增大，加上縱向水流對(duì)岸坡的持續(xù)沖切，降低了岸坡的穩(wěn)定性[6]，岸坡會(huì)迅速發(fā)生崩塌，如圖6(c)所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，岸坡坡腳受沖后退約20 cm，上部岸坡最大崩退寬度約10 cm，上部土體的掛空寬度為1～1.5 cm。若經(jīng)歷下一個(gè)低水位時(shí)期，掛空土體的含水率會(huì)隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而減小，當(dāng)土體的抗剪強(qiáng)度降低到臨界值，岸頂會(huì)出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)致岸坡崩塌，通常表現(xiàn)為拉伸破壞、剪切破壞和懸臂破壞。

圖6 岸坡崩退過(guò)程Fig.6 Process of riverbank collapse

圖7 不同時(shí)期河岸斷面形態(tài)Fig.7 Changes of cross-sectional profiles indifferent periods

根據(jù)本次試驗(yàn)，二元結(jié)構(gòu)河岸崩塌的5個(gè)階段為：首先河岸坡腳受沖刷變陡；然后岸頂裂縫形成發(fā)育；岸坡漸進(jìn)侵蝕；河岸失穩(wěn)導(dǎo)致崩塌；最后，岸坡形態(tài)趨于穩(wěn)定，進(jìn)入下一次河岸崩塌循環(huán)。與岳紅艷等[8]使用模型沙在長(zhǎng)江防洪模型(荊江段)所做試驗(yàn)提出的二元結(jié)構(gòu)河岸崩塌的5個(gè)階段基本一致。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，荊江河段的實(shí)際崩岸險(xiǎn)情大多發(fā)生在洪水期和退水期。本次試驗(yàn)結(jié)果為枯水期時(shí)河岸穩(wěn)定性較高，漲水期時(shí)河岸會(huì)產(chǎn)生局部崩岸，洪水期和退水期時(shí)坡腳沖刷和崩岸強(qiáng)烈，因此，試驗(yàn)結(jié)果與荊江段實(shí)際情況基本一致，說(shuō)明本次概化模型試驗(yàn)可靠性較強(qiáng)。

5.2 流速分布及對(duì)崩岸的影響

為分析流速分布對(duì)河岸崩塌過(guò)程的影響，在試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)得不同工況下1#、2#斷面的水槽中線上的垂向流速分布如圖8所示。在不同工況下，流量越大，流速越大；各垂線各點(diǎn)平均流速分布沿相對(duì)水深方向上為近似線性或微小震蕩分布?？v向水流主要通過(guò)對(duì)河岸土體的側(cè)向沖刷，特別是岸腳淘刷，降低了河岸穩(wěn)定性。

圖8 垂向流速分布Fig.8 Distribution of vertical velocity

通過(guò)試驗(yàn)觀測(cè)，確定本次試驗(yàn)條件下的黏性土層普遍動(dòng)時(shí)的起動(dòng)流速約為0.37 m/s。由式(7)計(jì)算起動(dòng)切應(yīng)力[19]，即

(7)

式中：R為水力半徑(m)；J為水力坡度；n為粗糙系數(shù)，試驗(yàn)水槽為混凝土表面，較為潔凈，所以n取0.013；v為起動(dòng)流速(m/s)；γ為水的重度，取9.8 kN/m3。計(jì)算得此次黏性土的起動(dòng)切應(yīng)力τc=0.531 N/m2，與張翼等[11]、夏軍強(qiáng)等[16]的試驗(yàn)結(jié)果0.50 N/m2相差6.2%，說(shuō)明此次試驗(yàn)及計(jì)算結(jié)果可信。

當(dāng)枯水期Q=10 L/s，H=6 cm時(shí)，最大瞬時(shí)流速為0.23 m/s，小于河岸土體的起動(dòng)流速，未達(dá)到起動(dòng)條件，河岸保持穩(wěn)定；當(dāng)漲水期或退水期Q=20 L/s，H=10 cm時(shí)，流速為0.41～0.45 m/s，當(dāng)洪水期Q=30 L/s，H=15 cm時(shí)，流速為0.50～0.55 m/s，均大于起動(dòng)流速，在漲水期、洪水期和退水期的工況下河岸均會(huì)受水流沖刷作用而發(fā)生失穩(wěn)崩退。

5.3 河岸穩(wěn)定性分析

隨著不同時(shí)期水位的變化，含水率呈現(xiàn)出明顯的變化。由黏性土的力學(xué)特性可知，河道內(nèi)水位的高度和持續(xù)時(shí)間會(huì)影響河岸土體的含水率，進(jìn)而影響土體的力學(xué)性質(zhì)和岸坡穩(wěn)定性[18]。

如圖9和圖10所示，土樣的初始含水率為5.56%，枯水期時(shí)水位較低，持續(xù)3.5 h，下部砂土層達(dá)到飽和，毛細(xì)水作用使得上部河岸含水率以1.98%/h的增長(zhǎng)速率緩慢增長(zhǎng)至12.5%，此時(shí)土體黏聚力和內(nèi)摩擦角均較大，抗剪強(qiáng)度較大，岸坡處于穩(wěn)定狀態(tài)； 漲水期，土體的含水率平均增長(zhǎng)速率增大到5.7%/h，抗剪強(qiáng)度先增大后減小，2 h后河岸土體含水率大于臨界含水率16%，河岸穩(wěn)定性一定程度降低。洪水期，水位突變使得含水率以10.94%/min迅速升至45.33%，經(jīng)歷5 h高水位時(shí)期，含水率平均增長(zhǎng)速率減緩至3.57%/h，此時(shí)含水率為61.39%(達(dá)到飽和)，土體抗剪強(qiáng)度極小，河岸穩(wěn)定性極差。退水期時(shí)，水位以2.5 cm/min速度下降5 cm時(shí)，含水率迅速響應(yīng)，以3.18%/min的速率迅速減小，在退水期末降至46.56%，此時(shí)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)值依舊很小，抗沖刷能力很弱，岸坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖9 試驗(yàn)岸坡土體含水率變化Fig.9 Water content of the riverbank soil

圖10 含水率變化速率Fig.10 Change rate of water content

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，各時(shí)期平均含水率變化速率為(1.98～5.70)%/h，而水位突變時(shí)，含水率變化速率可高達(dá)(1.35～10.94)%/min，因此，黏性土含水率對(duì)水位變化的響應(yīng)速度快于對(duì)浸泡時(shí)長(zhǎng)的響應(yīng)速度。低水位小流量條件時(shí)，上部黏性土含水率變化較小，河岸穩(wěn)定性主要受水流沖刷的影響；高水位大流量條件時(shí)，河岸穩(wěn)定性受含水率和水流沖刷的影響均較大，高含水率導(dǎo)致土體抗沖性能降低，當(dāng)水流切應(yīng)力大于岸坡土體起動(dòng)切應(yīng)力0.531 N/m2時(shí)，既淘蝕下部砂土，也會(huì)直接沖刷上部黏性土，導(dǎo)致河岸崩退。

6 結(jié) 論

通過(guò)連續(xù)3 a對(duì)荊江進(jìn)行實(shí)地查勘，分析荊江的崩岸規(guī)律及特點(diǎn)；通過(guò)室內(nèi)土工試驗(yàn)分析河岸上部黏性土的物理及力學(xué)性能；并且根據(jù)不同工況下的概化模型試驗(yàn)分析了二元結(jié)構(gòu)河岸的崩塌特點(diǎn)和影響因素。主要結(jié)論如下：

(1)荊江河岸土體垂向分層明顯，為由上部黏性土和下部非黏性土組成的二元結(jié)構(gòu)，且土質(zhì)沿程變化不大，在時(shí)間尺度上的變化也不大。荊江段崩岸分布規(guī)律主要表現(xiàn)為下荊江多于上荊江，左岸多于右岸。

(2)二元結(jié)構(gòu)河岸崩塌過(guò)程可概括為5個(gè)階段，首先河岸坡腳受沖刷變陡；然后岸頂裂縫形成發(fā)育；岸坡漸進(jìn)侵蝕；河岸失穩(wěn)導(dǎo)致崩塌；最后，岸坡形態(tài)趨于穩(wěn)定，進(jìn)入下一次河岸崩塌循環(huán)。

(3)黏性土含水率對(duì)水位變化的響應(yīng)速度快于對(duì)浸泡時(shí)長(zhǎng)的響應(yīng)速度。低水位小流量條件時(shí)，河岸穩(wěn)定性主要受水流沖刷的影響；高水位大流量條件時(shí)，河岸穩(wěn)定性受含水率和水流沖刷的影響均較大，含水率超過(guò)臨界含水率16%后，土體抗沖性能降低，并且水流切應(yīng)力大于岸坡土體起動(dòng)切應(yīng)力0.531 N/m2，既淘蝕下部砂土，也會(huì)直接沖刷上部黏性土，導(dǎo)致河岸崩退。因此，枯水期時(shí)河岸穩(wěn)定性較高，在漲水期會(huì)產(chǎn)生局部崩岸，洪水期和退水期時(shí)坡腳沖刷和崩岸強(qiáng)烈。