河岸冲刷机理的的研究现状与展望.pdfVIP

第八屆海峽兩岸水利科技交流研討會，2004 年 12 月 河岸沖刷機理的研究現狀與展望 夏軍強、王光謙、吳保生 清華大學水電工程系 摘要 河岸沖刷是沖積河流河床演變的重要方式之一，它具有很大的普遍性與危害性。本文首先 指出了不同類型土質河岸的沖刷機理：受沖積作用控制和不受沖積作用控制的沖刷機理。前 者包括兩個方面：水流直接沖刷河岸和重力作用下的河岸崩塌；後者包括以下七個方面，如 滲流作用、岸邊植被影響、凍融作用、土體濕化與脫水作用、波浪作用、河道內水位變化的 影響、土體特性變化的影響。然後分析了河岸沖刷過程中的各種力學關係，以及河岸沖刷與 河道內泥沙輸移的關係。最後本文提出了河岸沖刷機理中需進一步研究的內容。 一、前 言 在天然情況下，河流總是處在不斷的變化與發展過程之中。當河流上修建過 河建築物或進行河道整治後，河床變形將變得更加迅速和劇烈。它在空間上主要 有兩種形式：縱向變形和橫向變形[1] 。河床的橫向變形，即河岸變形可分爲兩種類 型：河岸後退與河岸淤長。河岸淤長的主要原因往往是近岸流速的改變，例如主 流遠離岸邊，近岸水流爲回流或緩流，造成懸移質或推移質泥沙落淤，引起河岸 淤長。河岸後退的主要原因通常是近岸水流直接沖蝕河岸表面土體使岸坡變陡， 或者由於床面沖刷使河岸高度增加，最終結果使岸坡的穩定性降低。當穩定性降 低到一定程度後，河岸上部的一部分土塊會在重力作用下發生滑動、崩塌，造成 248 岸頂向後退卻。 通常基岩河岸與岩土河岸的抗沖強度比較大，不易受水流沖刷。而由近代沖 積物組成的土質河岸的抗沖性比較弱，極易受水流沖刷。土質河岸可以分爲很多 種類，當前國內外對土的命名與分類法並不統一。如果採用原水電部的分類標準， 可以將土質河岸進一步劃分爲三大類[ 2 ] ：非粘性土河岸的土體組成在垂向上的分 層結構不明顯，主要以砂和砂礫爲主要組成，並且其中值粒徑大於0.10mm ；粘性 土河岸的土體組成在垂向上的分層結構不明顯，主要以細砂、粉粒、粘粒和膠粒 爲主要組成，並且其中值粒徑小於0.10mm ；混合土河岸的土體組成具有很明顯的 垂向分層結構，一般上部爲粘性土層，下部爲非粘性土層。 河岸沖刷不僅會毀壞大量的岸邊耕地，增加下游河道的淤積，而且會嚴重影 響兩岸的防洪、航運、工農業生産及岸邊生態環境。因此河岸沖刷問題，尤其是 河岸沖刷機理的研究，越來越受到人們的注意，成爲河床演變研究中的重點問題 之一。下面將詳細地分析不同類型土質河岸的沖刷機理，並指出河岸沖刷過程中 的力學關係，以及河岸沖刷和河道內泥沙輸移的關係。 二、河岸沖刷機理 河岸沖刷機理按其控制條件來分，可分爲兩大類。第一類爲受沖積作用控制 的河岸沖刷機理，主要是水流的沖刷作用 ，包括水流直接沖刷河岸以及重力作用 下的河岸崩塌；第二類爲受非沖積作用控制的河岸沖刷機理，主要是外界條件引 起河岸土體強度減小造成的河岸崩塌。在天然情況下，上述兩類機理同時控制著 河岸的沖刷過程[3] 。不過Thorne 認爲，儘管存在多種因素控制著河岸沖刷過程， [ 4 ] 但從較長的時間來看，河道內水流的沖積作用最終控制著河岸沖刷過程及速率 。 1. 受沖積作用控制的河岸沖刷機理 受沖積作用控制的河岸沖刷機理，主要有以下兩種方式：水流直接沖刷河岸 和重力作用下的河岸崩塌。 ① 水流直接沖刷河岸 近岸水流直接作用於河岸，沖蝕水面以下河岸邊坡上的泥沙顆粒或糰粒，並 將它們帶走，從而導致河岸後退。這是一種比較常見的河岸沖刷現象。不同類型 249 的河岸土體，物理化學特性相差很大，因而它們在水流直接作用下的受力特點與 運動形式不同。對於非粘性土河岸，其岸坡上的泥沙顆粒，主要受到水流作用於 岸壁的推力、上舉力以及有效重力的