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长江河道崩岸机理 岳红艳 余文畴 摘要:崩岸是河道平面变形的具体表现形式。崩岸的发生由冲积河流河床演变规律所支配,它与水流动力条件、泥沙输移条件、河床边界条件以及河道形态具有密切的联系。侧重从水流动力条件及泥沙动力学角度出发,分析了长江二元结构组成河岸崩坍的机理。崩岸的发生、发展是以泥沙运动为纽带,通过水流与河床的相互作用来实现的,近岸泥沙运动对河道崩岸的发生有着重要的影响。 关 键 词:崩岸；水流冲刷；泥沙输移；长江 1概述 在河道自然演变过程中,崩岸的发生具有普遍性,它是河流运动和变化的具体体现,崩岸的发生由冲积河流河床演变规律所支配,它与水流动力条件、泥沙输移条件、河床边界条件以及河道形态具有密切的联系。河道崩岸研究在河流动力学中具有重要的意义。同时由于局部河段崩岸的发生对于河势控制、已建岸坡防护工程以及开发利用长江岸线等会产生不利的影响,故研究河道崩岸在工程实践中同样具有重要的意义。 迄今为止,国内外学者对崩岸机制问题已作过一些研究,国内研究所采用的途径和方法是多方面的:有的从河岸稳定性分析出发,建立河岸的数学模型;有的从河岸土体物理力学性质出发进行理论分析;有的从水流动力条件出发进行分析研究。国外学者直接研究崩岸的成果并不多,他们主要是从研究河岸的稳定性与河岸的侵蚀出发。 目前对崩岸现象的认识和整治在很大程度上仍然处于感性和经验阶段,对河道崩岸的机理尚缺乏较系统的研究,在治理过程中容易造成“治标不治本”的后果。这就需要深入研究崩岸的机制。 2二元结构河岸崩坍机理 崩岸现象不但贯穿于整个河流的造床过程,而且当河流形成一定形态后,将按不同河型的固有规律而不断发生,从而体现出河道平面变形的特性。不同的河型(就长江中下游来说,可分为顺直型、蜿蜒型和分汊型) 具有不同的平面变化特点,且都是通过崩岸的具体表现形式来实现的。 长江中下游除了局部河段有丘陵山地濒临江边外,大部分河岸由疏松沉积物组成,并且常常呈层状,具有二元结构的特征。上层为河漫滩相的粘性土,下层为河床相的中细沙,厚度自数米至60 余米。长江中下游天然河道观测资料表明:河岸坍塌主要表现为水流严重冲刷近岸河床,从岸坡坡脚处侧蚀河岸使其边坡变陡失稳而致崩坍。 2.1水流动力条件 崩岸是河岸土体在水流切应力与重力双重作用下发生的,水流动力条件特别是纵向水流的冲刷作用对崩岸的发生起着关键作用。 2.1.1纵向水流的输沙作用 就长江中下游冲积河道而言,水流中携带的推移质与悬移质的数量之比仅为1 %左右,甚至更小,因此在河道演变中悬移质起着更为重要的作用。当水流中悬移质的床沙质含量低于水流挟沙力时,水流就会冲刷河床和岸坡。并且纵向水流越近岸,近岸流速越大,近岸单宽流量越大,近岸水流输沙能力也就越大,对近岸河床和河岸的冲刷力也就越强,当冲刷到一定程度,河岸变高变陡失稳而发生崩岸。同时当纵向水流流速增大时,推移质输沙率就会发生更显著的增大,水流以推移质方式输送泥沙的强度也会加大。纵向水流将崩坍土体带向下游,使原崩岸处再次发生崩岸,崩岸强度随之增大。纵向水流流速越大,河岸边壁处粘滞切应力也越大,水流中的涡体对河岸泥沙的输移作用也越大。 2.1.2副流作用 在河岸的崩塌中,除纵向水流起着主要的冲刷输沙作用外,副流(主要为顺轴副流和立轴副流) 的作用也不可忽略。如顺轴副流通过构成弯道环流冲刷河床及岸坡,顺轴副流指绕河流纵向水平轴线运动的螺旋水流。 2.2泥沙运动 崩岸的发生、发展是以泥沙运动为纽带,通过水流与河床的相互作用来实现的,近岸泥沙运动对河道崩岸的发生有着重要的影响。 2.2.1岸坡泥沙输移特点 河岸崩坍是在水流切应力与重力双重作用下发生的。崩岸的发生、发展是以泥沙运动为纽带,通过水流与河床的相互作用来实现的,近岸泥沙运动对河道崩岸的发生有着重要的影响。 河道的河岸及河床构成水流边界,一方面,河道一定床沙的运动完全取决于水流的力学结构;另一方面,试验观察表明,床沙运动本身如沙波的形成、固体颗粒向液体介质的扩散等特征又在很大程度上影响着水流运动的力学特征。因此水流的运动和床沙的运动相互依存。 2.2.2岸坡松散土与粘性土的起动 在河岸发生崩坍的过程中,松散土与粘性土的运动特点和起动机理不同。对于组成松散均匀的泥沙,重力起主要作用,且一般均有一个较明显的临界起动流速值,当流速低于临界流速时,土体颗粒不会被冲起。对于粘性土,粘结力、静电引力及胶结作用力起主要作用。水流脉动应力对粘性土有不断振动和掀起的作用,瞬间脉压可能较大。在脉动应力作用下,胶团或团聚体间的结合会逐渐松弛,而二者间的咬合一旦被破坏,就会浮起被水流挟带而去。粘土受冲时多为结构性破坏,呈粒团及块状式掀动。当水流速度接近冲刷速度时,粒团开始掀动,当水流合力超过粒团结构面上的粘结力时,土体开始出现冲刷块。 3 结语 长江河道崩岸机理是河床演变学及河流动力学中一个复杂研究课题,也是工程界治河工作者广泛关注的问题。本文在分析前人研究成果、实地考察和实测资料分析的基础上,结合相关学科的知识,在理论上对崩岸机理问题进行了初步探讨。 主要得到以下几点认识和结论: (1) 崩岸是在水流切应力与重力双重作用下发生的。崩岸的发生、发展是以泥沙运动为纽带,通过水流与河床的相互作用下输移泥沙来实现的。水流动力条件是产生崩岸的主导因素,纵向水流对河岸冲刷并起着主要输沙的作用,在此过程中紊流特性对崩岸的形成起着重要的传递、消耗能量和搬运泥沙的作用,大尺度涡体的紊动可能在短时间内发生大规模输沙。此外,各种类型的副流在崩岸中起着特定的作用。 (2) 河岸泥沙输移特点是:在一定水流条件下岸坡泥沙颗粒按滚动、跳跃、悬移形式运动,与河床泥沙运动方式相似,不同之处在于由于岸坡上的泥沙还受到重力沿岸坡的分力作用,故在各种运动方式过程中都有斜向下游岸脚运动的趋势。在泥沙输移过程中,粘性土与非粘性土的运动特点和起动机理不同。 (3) 本文在前人研究的基础上比较了斜坡上松散泥沙的起动流速公式及粘性泥沙临界抗冲流速公式,在一定假设条件下通过计算,表明粘土最小临界抗冲流速比细沙起动流速大几倍,并且水深越大,两者相差越大。这也说明了由二元结构组成的岸坡,上层粘性土在长江水流条件下很难被冲动,而下层粉细沙则非常容易达到起动状态,并随水流发生输移,从而形成崩岸过程中岸坡逐渐变陡,最后导致岸坡土体失去稳定而发生崩岸。 参考文献: [1]饶庆元. 粘性土抗冲特性研究. 长江科学院院报,1987 ,(4) [2]冷魁. 长江中下游窝崩形成条件及防护措施初步研究. 水利科学进展,1993,(12) 本篇文章选自《人民长江》2002年第8期 本文来源：https://www.dywdw.cn/5992b88e59fafab069dc5022aaea998fcd22403d.html
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2023-05-30
