圖2石層鉆芯式樣
第09期（總第376期）
吉林水利2013年09月
［文章編號］1009-2846(2013)09-0026-05
［收稿日期］2013-07-15
［作者簡介］顧召亭（1980-），男，山東臨沂人，工程師，現從事水利工程勘察設計工作。
河道水流時刻處于運動狀態，岸坡受到的自然應力也是不斷發生變化的，岸坡水流、波浪沖刷都會磨蝕岸坡，將泥沙搬運堆積，對河道進行再造。河流動力作用對岸坡的穩定性會造成很大影響[1]。水位變化和沖刷作用有可能會引起岸坡坍塌、滑移等破壞。隨著河流沖刷時間的變化，河流岸坡界限會逐漸后退，后退距離和范圍由岸坡自身穩定性、土質特征、河流水位以及沖刷力的大小決定[2]。當岸坡發生后退之后，相當于內部應力重新分布，達到新的平衡后，岸坡后退速度將會逐漸放緩或者停止，而被剝蝕的土體通過水流運輸作用流到下游、最終又可以沉積固結成為新的河床或岸坡。這個過程稱為岸坡的再生過程[3]。目前，在岸坡穩定性分析中的方法相對較多，但是應用較多的主要有佐洛塔廖夫法、卡丘金法、土力學法等[4]。但是這些方法大多數是經驗法或是半經驗法，其中含有的許多參數是定量參數。岸
坡巖土水文地質條件復雜，河流沖刷作用和水位變動，加上岸坡地質的特征各不相同，對岸坡的穩定性分析就比較困難，許多分析方法忽略了河流動力作用的影響，分析結果不準確。筆者以水動力學為理論支撐，考慮岸坡在水流動力作用、自重應力以及外界附加應力作用下的穩定性能。
1研究區概況
山東某河道岸坡的地貌主要是侵蝕堆積與剝
蝕丘陵區相間的地貌，河流的漫灘地貌相對比較發育，一級階梯地貌分布在兩岸。階梯上部有堆積物，如圖1~圖2為河道某段岸坡的取樣圖。
2
河道岸坡穩定性影響因素
2.1
地質條件
地質條件是影響河道邊坡穩定性能的重要內
因之一，岸坡地質形態決定了河道被沖蝕和磨損的速度和程度，岸坡巖土的性質、類型、結構以及形態都是影響河道岸坡穩定性的根本原因[5]。在枯水季節，岸坡大多是上部陡峭下部較緩，從而不易坍塌，在汛期來臨時，水面以上岸坡陡直容易破壞。
基于水流動力作用的河道岸坡穩定性能分析
顧召亭
（蘭山區水務局，山東
臨沂
276000）
［摘要］以水動力學為基礎，以山東某河道岸坡為例，采用水動力學-土力學邊坡分析方法分析了岸坡在水流動力作用下的變化規律。分析結果表明：不同土質類型的岸坡受到河流沖刷作用的影響程度不同，粒徑越大的土質越易受到沖刷，基于水流動力作用的岸坡穩定性分析方法能夠更為真實的反映岸坡形態以及穩定性隨時間變化的規律。
［關鍵詞］水動力效應；土力學；河道岸坡；穩定性［中圖分類號］TV 131.3
［文獻標識碼］B
圖1
各土層取樣情況
26--
圖4粘性土岸坡穩定性分析模型
圖3
水動力作用下的岸坡破壞
2.2流水作用
河道流水主要通過軟化作用和懸浮減重作用
以及力學效應對岸坡的穩定和構造產生影響，其中力學效應主要包括靜水壓力、滲透力以及沖刷力[6]。隨著季節變化，河流水位發生變化，水位上升時，在毛細水壓力作用下岸坡的浸潤線會逐漸升高，岸坡內部土體發生軟化，引起強度降低，為岸坡滑移破壞創造了條件。水位下降時，飽和土體的側向水壓力減小，在岸坡內部就會形成滲透壓力使之發生剪切破壞。此外，河流的流速以及波浪的掏蝕作用都會對岸坡的結構造成破壞，導致岸坡失穩。
2.3降雨影響
岸坡巖土體含有許多裂隙，降雨過程中，雨水
沿著裂隙滲入內部，使得土的力學強度降低，與此同時，內部的水體產生靜水壓力作用使得岸坡發生變形破壞[7]。降雨作用會引起地下水的動力作用發生變化，進而形成一個具有承壓特性的活躍帶，由此會大岸坡的下滑力，雨水作用也會降低岸坡土體的抗剪強度，增大土容量，最終引起岸坡坍塌。
2.4人為活動
人為作用改造岸坡時，如果施工不當就會引
起自穩邊坡變形或者失穩，在岸坡附近修建建筑物或者人工堆載貨物都有可能引起岸坡失穩。
3
水動力作用原理與模型建立
3.1
動力作用原理
河水動力作用效應主要經歷一個沖刷—坍
塌—淤積的過程。位于河道岸坡處的河床，隨著水位變化，在風力、重力作用下發生順著水流方向的流動以及垂直于水流方向的沖擊。如圖1所示，順延河道的流動主要通過沖刷將岸坡泥土攜至下游，而垂直于河道方向的拍打、撞擊主要通過波浪運動實現對岸坡的掏蝕。另外一種動力作用就是水位變化，水位上升和下降過程中，都會引起岸坡土體內部的應力發生變化，土體的抗剪切性能、承載性能變化引起岸坡內應力重分布，最終導致岸坡崩塌或者滑移。
3.2粘性土岸坡模型
粘性土岸坡在沖刷下剪切破壞，結合土力學
邊坡穩定性分析理論，建立數學模型模擬河道在
水動力沖刷效應下的變化形態和剪切過程。根據圣維南原理和泥沙運動方程建立動力作用下的河床變形方程[1]。
水流運動方程：
鄣Z 鄣x +n 2Q 2B 2h 10/3+12g ·鄣鄣x （Q 2
A 2
）=0（1）式中：Q 為河流流量；A 與B 為河流過水面積
與河寬度；Z 為斷面的平均水位；h 為水深；n 為河道粗糙度；x 為距離；g 為重力加速度。
懸移物質運輸方程：
鄣（QS k ）
鄣x
=-w k αk B （S k -S k *）（2）
式中：S k 為河流斷面懸移分組含砂量；S k *為分組水流的攜沙力度；w k 為k 粒徑分組泥沙的沉速；
a k 為k 粒徑分組的泥沙恢復飽和系數。
動力作用河床變形方程：
鄣（QS k ）鄣x +鄣A sk
鄣x
ρ′=0（3）
式中：A sk 為k 粒徑分子的泥沙中沖淤變形面
積；ρ′為泥沙的干密度。
通過公式（1）~（3）計算出河床被水流沖刷下的切割深度變化值ΔZ ，進而分析岸坡沖蝕拓寬寬度，在用土力學原理分析評價岸坡的穩定性，再假設的動力作用對岸坡施加的水粘滯力為P s ，根據土力學原理建立岸坡穩定性模型如圖4所示，然后根據公式（4）計算岸坡穩定性系數。
岸坡
沖刷侵蝕
崩塌體滑動面
水位下降
滑動面
崩塌體
岸坡
O
P s cos φ
P s sin φ
W sin φ
P s W cos φ
W
φ
φ
27--
圖6強度指標與穩定性關系曲線
圖5
砂性土岸坡穩定性分析模型
K =
（∑P s ·cos φ-∑W ·cos φ）f+cl
∑P s ·sin φ+∑W ·sin φ
（4）
式中：K 為邊坡穩定性系數；f 為摩擦力系數；c 為粘聚力，KN ；l 為滑動面長度，m 。
3.3砂性土岸坡模型
對于砂性土岸坡而言，動力水對其侵蝕攜帶
沖刷作用更為強烈，根據3.2節的公式（1）~（4）計算出河床下切深度后評價岸坡穩定性能。但是，
1990年，金臘華[8]對砂土在水下受到侵蝕沖刷的形
態做了研究發現，河道岸坡在發生崩塌后的坡面角度幾乎和受侵蝕前坡腳相近，岸坡坡角和泥沙水下的休止角相同，于是提出，采用砂土的干容重和容重來計算休止角，如圖5與公式（5）所示。
sin θ=
1.012（γ′/γs ）1.09
…（γ′/γs ＞25%）562027（γ′/γs ）
10.15
…（γ′/γs ＜25%∑∑∑∑∑∑∑∑∑
）
（5）
4水動力因素參數
河流水動力作用對岸坡的影響是十分復雜的
過程，其受到土質性能、沖刷力大小、沖刷時間長短的影響，岸坡土體和巖層的物理力學性對其穩定性造成的影響各不相同。
4.1物理力學參數指標
滑移型岸坡在水流動力作用下發生破壞作用
受自身土層和巖層物理力學指標的影響，通過室內土工試驗，按照土工試驗標準得到岸坡的粉土、粉質粘土、砂巖以及泥巖的物理力學性能指標參數如表1和表2所示。
從試驗分析結果看，土層和石層的物理力學性能指標均會受到水體的影響。飽和土體的抗剪切性能不及天然含水量條件下的土體，而粉質粘土的粘聚力比粘土大許多。對于巖層性能指標，泥巖和砂巖在
密度上差異性不大，但是在抗壓強度和抗剪強度上就存在較大差異，而且受到水體的影響較大，幾乎飽和巖石的抗壓強度均比天然巖石低，飽和泥巖的抗壓強度降幅達到50%左右，而砂巖則為35%左右。
4.2
強度指標與穩定性系數關系
由于岸坡填土的力學性能和物理組成都較為
復雜，粘聚力和內摩擦角對滑動面和穩定性系數變化造成的影響不同。在粘聚力分別為0kPa 、
1kPa 、2kPa 、3kPa 、4kPa 時候，隨著內摩擦角的變
化，岸坡穩定性系數呈線性變化，基本關系如圖6
所示。
5水動力穩定性評價
由于水動力作用主要對土層穩定性造成影
響，因此對粉質粘土和粘土在水動力下的變化情況進行分析。
5.1
不同土質岸坡后退分析
對于不同土質條件的岸坡，由于土的孔隙比、
顆粒組成、顆粒大小以及運動需要的動力作用大小也不相同，因此，沖刷條件下，不同的時間后退距離也有所不同。如圖7所示，粉質粘土和粘土岸坡后退的距離差異很大，土顆粒的粒徑越大，則越
土層含水量
/%濕密度/g ·cm -3
天然抗剪強度
飽和抗剪強度
φ
c /KPa φ
c /KPa 粉質粘土25.5 1.9916.2133.6513.0623.24粘土
20.8
1.91
21.18
21.12
17.76
15.42
各土層的物理力學性能指標參數
表1
巖層濕密度
/g ·cm -3軟化系數
抗壓強度/MPa 抗剪強度
天然
飽和
tan φ
c /KPa 泥巖 2.510.61 5.2 3.10.68 1.08砂巖
2.45
0.56
9.8
6.0
0.78
1.70
各巖層的物理力學性能指標參數
表2
P s cos φ
P s sin φ
W sin φ
P s
W cos φ
W
φφ
φ
Fs
φ°
1.31.21.11.0
0.90.80.70.60.522
23
24
25
26
27
28
29
c =4kPa c =3kPa c =2kPa c =1kPa c =0
28--
容易受到沖刷，粉狀土體由于粘結成團，破壞時是塊狀破壞，受到沖刷較小。
5.2水位變動的影響
水位上升和下降過程都會對岸坡穩定性造成
影響，特別是在水位下降過程中影響最為明顯，但是不同的土質類型受到水位變動的影響是不一樣，如圖8所示，粘性土受到的影響就比粉質粘土大。
從圖8曲線變化規律可知，河流水位變動對岸坡的穩定性影響較大，當水位處于相對靜止不動狀態的時候，不同時刻的水位比降較小，因此，水流對岸坡土體造成的沖刷作用就比較小，水位變動引起的剪切作用就比較小，岸坡后退距離相應就比較小。反之，水位變動相對較大的時候，對岸坡土層造成的沖刷影響就較大，岸坡后退距離就會變大。對比粉質粘土和粘土的岸坡后退情況，水位比降越小，差距越小，水位比降越大，二者的差距就越大。
5.3沖刷動力的影響
充分考慮自重、地表荷載、水流作用、暴雨沖
刷作用的影響。采用水動力學-土力學理論計算方法，分析隨著時間的變化，兩種土質的岸坡穩定性系數變化情況如圖9所示。
如圖9所示，隨著河流動力沖刷作用時間的增加，岸坡穩定性系數逐漸降低，兩種土質岸坡初期穩定性系數相當接近，降低速率較大，隨后逐漸變緩，隨著時間推移，二者差異變大，對于粘土，沖刷時間超過23天的時候，穩定性系數低于了1.0，已經處于不穩定狀態。
6
結語
基于水動力作用的岸坡穩定性分析方法是以
水動力學和土力學理論為基礎建立起來的，通過對山西某河道的岸坡情況進行分析。結果表明：考慮水流的動力作用對岸坡的沖刷影響，能夠對其穩定性進行更為準確的預測和評估，通過水位比降、土質類型以及動力沖刷時間對岸坡后退距離
和穩定性的影響分析得出的變化規律。考慮水流動力作用的岸坡穩定性分析方法更能真實反映岸坡的實際情況，具有良好的借鑒參考意義?！?/span>
參考文獻：
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圖7不同土質岸坡后退距離與時間的關系
圖8水位比降與岸坡后退距離關系曲線
圖9穩定性系數隨沖刷時間變化曲線
8
76
543210粉質粘土
粘土
后退距離（m ）
5
10
15
202530
時間（d ）
粉質粘土粘土
1098
76543210后退距離（m ）
0.002
0.004
0.0060.0080.01
比降
1.201.151.101.051.000.950.90
穩定性系數
粉質粘土
粘土
5
10
15
202530
動力沖刷時間（天）29--
（上接第25頁）
據，剛性連接時的墻內應力比空接頭大一倍左右，軟接頭墻內應力介于空接頭與剛性連接之間，與插入式墻內應力相近，和剛性連接相比，空接頭和軟接頭型式都能改善防滲墻應力[4]。
空接頭和軟接頭型式，其受力狀態較硬接頭有所改善，但結構型式較為復雜，施工難度大；較剛性普通混凝土防滲墻，塑性混凝土防滲墻墻體應力改善明顯，但對于高壩來說，其墻體應力已遠超過塑性
混凝土的允許抗壓強度，加之塑性混凝土作為永久性建筑物，其防滲性的可靠程度不如剛性混凝土。雖然剛性接頭型式防滲墻體的受力狀態復雜，墻頂的接觸應力及墻體的應力較大，但隨著施工技術水平的提高，國內外已建高標號混凝土防滲墻360d齡期抗壓強度可以達到50Mpa 以上。
基于以上原因，參考防滲墻的應力應變計算成果，國內如磽磧、獅子坪及瀑布溝等已建工程基礎混凝土防滲墻與壩體防滲體連接均采用剛性接頭型式。
4結語
插入式連接型式墻體受力狀態相對簡單，但因為沒有檢修條件，防滲墻在擋水運行期存在一定的風險，因此防滲墻施工要有較嚴格的質量保證措施，且墻下基巖帷幕灌漿占直線工期。廊道式連接型式雖在工期上有一定優勢，且防滲墻具備檢修條件，但防滲墻及廊道本身受力條件復雜，因此，設計應結合壩體應力變形計算成果，必要時通過結構模型試驗，從廊道結構體型、受力條件、結構配筋及分縫布置設計等方面均應進行充分論證，特別是廊道在壩軸線方向存在不均勻變形及在順水流方向受水荷載的作用，廊道在與兩岸基巖交界部位設置的結構伸縮縫可能發生較大的錯位變形，該部位伸縮縫設置的止水結構應能適應較大的變形。通過上述對插入式和廊道式兩種連接型式的簡要分析可以看出，兩種接頭型式各有利弊，設計上應根據工程的具體情況權衡利弊后綜合考慮選擇。□
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題研究——
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The analysis of river bank slope stability bad on Hydrodynamic effects
Gu Zhao-ting
Abstract：Bad on hydrodynamics，taking Shandong river bank slope as an example，the effect of slope on the hydrodynamic variation was analyzed with water dynamics-soil mechanics slope analysis method.The results showed that：different types of slopesoil erosion by rivers Effect varying in degrees，the size larger is more eroded；Bad on hydrodynamic effects，slope stability analysi
s method can form a more realisticreflection of slope as well as the stability of the variation with time.
Keywords：hydrodynamic effects；soil mechanics；river bank slope；stability
30
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