干湿交替对荆江河岸土体力学特性及稳定性的影响研究.pdfVIP

摘要 崩岸是长江沿岸普遍存在的问题，自然河流岸滩普遍会受到水流的冲刷，且河流受季节变换影 响，河道内水位总是动态变化的，这使得河岸土体一直处于干、湿不断交替的状态，不利于河岸土 体的稳定。近岸水流动力的作用、河岸土体垂向组成和土体力学特性都是影响河流崩岸过程的重要 因素，并且干湿交替会一定程度改变黏性岸滩土体的力学性能，进而影响岸滩土体的抗冲性能及河 岸稳定性。 本文以长江荆江段河岸土体为研究对象，于 20 16 年-20 18 年连续三年，对上、下荆江河段共 8 个典型崩岸断面的河岸进行实地查勘、取样。引入干湿交替条件，采用实测资料分析、室内土工实 验、概化水槽试验、BSTEM 模型模拟和理论分析相结合的方法，研究分析了干湿交替对荆江河岸土 体力学特性及稳定性的影响。主要研究结论如下： （1）三峡工程蓄水后，荆江段的来水来沙量大幅减少，在 2004-20 14 年的多年平均水位较蓄水 前有所下降，河段减少的来沙量高达 87% 。荆江全年径流量的 75%~80%都来源于汛期，且主要集中 分布在 7-9 这三个月。根据长江中下游年内径流月分布情况，可以将一个水文年划分为四大阶段： 枯水期 （12 月中-3 月底）；涨水期 （4 月-5 月底）；洪水期 （6 月-10 月底）；退水期 （11 月-12 月中）。 荆江河段河道演变的特点主要表现为枯水河槽冲刷较为严重，弯道近岸深槽向下游冲刷发展。荆江 段河岸的干湿交替特征在沿程上具有连续性；在时间上具有一定的周期性；在较小的时间尺度或空 间尺度内具有复杂性。通过河岸高程带分区，来定量的分析其干湿交替特征：河岸高程带从下至上 的淹没频率依次减小，出露频率增大；高程带Ⅰ通常全年处于淹没状态，而高程带Ⅶ 的淹没频率极 小，无漫顶情况时的淹没频率为 0 ；通常在高程带Ⅲ-高程带Ⅳ 区域内出现淹没频率中值等。 （2 ）上、下荆江河段河岸均是上部为黏性土层及下部为非黏性土层组成的典型的二元结构。其 中上荆江段河岸上部的黏性土层厚度普遍大于下部的非黏性土层厚度；而下荆江段河岸上部的黏性 土层厚度则通常小于下部的非黏性土层厚度。黏性土层的抗剪强度指标随含水率变化非常明显。随 着含水率的逐渐增加，黏聚力值先增大，后减小，最终趋于稳定；内摩擦角则呈现出指数关系减小 的趋势。通过结合三次土工试验结果，给出长江荆江段黏性土的力学特性定量关系式。即分别得出 土体含水率与黏聚力的定量关系式和土体含水率与内摩擦角的定量关系式。 （3 ）通过水槽试验对二元结构河岸在一个水文年内的崩岸情况进行概化模拟，分析了荆江河岸 土体的起动条件，及其崩岸特点及机理；并且通过设置不同工况和不同河岸组成的对比试验，对各 条件下河岸的稳定性进行分析比较。主要结论如下：二元结构河岸崩塌可划分为 5 个阶段：首先河 岸坡脚受冲刷变陡；然后岸顶裂缝形成发育；岸坡渐进侵蚀；河岸失稳导致崩塌；最后，岸坡形态 趋于稳定，进入下一次河岸崩塌循环。本次试验条件下的砂土层普遍动时的起动流速约为 0.28 m/s ， 2 2 黏性土层普遍动时的起动流速约为 0.37 m/s，对应的起动切应力 τ分别为 0.304 N/m 和 0.531 N/m 。 c 在干湿交替情况下，河岸上部土体含水率主要受河道内水位变化的影响。两种河岸组成下，二元结 构河岸岸顶下沉程度大于黏性土河岸，且在坡脚呈淤积趋势，上部黏土层崩退宽度大于黏性土河岸。 对于两种工况，干湿交替工况对岸坡的破坏程度更大。总体来说，崩岸程度由大到小的顺序为：二 元结构河岸-干湿交替工况、二元结构河岸-恒水位工况、黏性土河岸-干湿交替工况、黏性土河岸-恒 水位工况。 （4 ）使用 BSTEM 模型模拟了荆江典型断面的崩岸情况，并计算了河岸稳定性，定量分析了干 I 湿交替条件与安全系数的关系。结果显示，荆 61 断面左岸和北门口断面右岸在 20 13 年的模拟崩退 程度与实测结果基本符合；无论是上荆江还是下荆江，在枯水期，河岸的安全系数较大、稳定性较 高，属于崩岸较弱的阶段；在涨水期河岸较为稳定，但仍有崩岸发生；而河岸在洪水期和退水期时 的安全系数较