理论教育 岸坡稳定性分析在崩岸过程的应用

岸坡稳定性分析在崩岸过程的应用

时间:2023-06-22 理论教育 版权反馈
【摘要】:冲积平原河流岸坡的稳定性表现在两个方面。当河岸为抑制崩岸而在岸线后退的过程中实施护岸工程而受到保护从而也成为固定的边界时,其岸坡也变成稳定的岸坡。计算表明在平均坡度m值为2.5 的岸坡条件下,低水位时岸坡的稳定性尚处于一种接近临界的状态。当水位平滩和高于河漫滩时,K值变化不大,岸坡稳定性基本上与水位涨落无关。

岸坡稳定性分析在崩岸过程的应用

冲积平原河流岸坡的稳定性表现在两个方面。一是河岸与近岸河床的抗冲性影响岸坡的稳定;二是岸坡物质的固有属性影响岸坡的稳定。在长江中下游河道中,当河岸为山体或阶地所组成的边界时,其抗冲性非常强,边坡很稳定。这种稳定的河岸部分在河流发育中成为一定河型形成的边界条件,也是构成具体单元河段平面形态的组成因素。当河岸为抑制崩岸而在岸线后退的过程中实施护岸工程而受到保护从而也成为固定的边界时,其岸坡也变成稳定的岸坡。这种人工防护的岸坡虽然抵制了崩岸的后退,但平面上和断面上的冲淤变形并未完全停止。也就是说虽然弯道凹岸受到了保护,但近岸河床仍然受到冲刷而变深;凸岸边滩淤积速度可能滞缓了,但淤积的趋势仍然在继续。结果使得整个流场和泥沙运动场发生变化,断面形态也向宽深发生一定的调整,水流动力轴线的位置和水流动力的强度及其对河势都会发生一定的影响。在上述两种情况下,作为河道的边界部分岸坡抗冲性方面的稳定与岸坡土体自身稳定或护岸工程维护的岸坡稳定是统一的。

在长江中下游河道中,绝大部分边界是河流本身的造床过程塑造的由二元结构冲积物组成的河岸。一方面,这类河岸的岸坡抗冲性很弱,在水流与河床相互作用下发生平面变形,河岸后退的形式就是崩岸。这种崩岸是由于岸坡和坡脚床沙受到冲刷,岸坡变陡失去稳定而发生的,是属于河流动力学研究的范畴。以上各章节全面叙述了崩岸的机理,是河流运动最本质的内涵。另一方面,即使在不受水流冲刷的情况下,这类冲积物组成的二元结构河岸也存在自身的稳定性问题,包括土体的抗滑稳定和渗流稳定,是属于土力学研究的范畴。如果说,前者河岸可冲性导致失稳发生崩岸视为“动态”岸坡稳定性的问题,那么,后者在不发生冲刷情况下岸坡失稳发生滑塌则可视为“静态”岸坡稳定性的问题。二者在力学性质上分属两类学科,但相互之间也具有密切的联系。事实上,前者在五种崩岸类型中最常见的第一、二类崩岸也是通过岸坡失去稳定而产生圆弧形滑动和长条形下挫或倒入河中的;后者二元结构岸坡的土体物理性质和力学指标与河流水文状态也是有关联的。在河流“动态”特征很强,即水流冲刷能力很强,平面变形幅度大、崩岸强烈时,崩岸表现出主要是取决于河岸的抗冲性,但“静态”下易失稳的岸坡在河道平面变形中将会增强其崩岸速率,促进其演变的进程。本节不涉及系统的力学方面的岸坡抗滑稳定和渗流稳定的研究,仅介绍与河流中水文条件和边坡形态有关的岸坡稳定问题。

有的学者在这方面进行了初步研究。在岸坡稳定计算中采用tbwd.exe程序,取用了长江中下游枞阳江堤桩号为29+300处外滩的断面地质条件,在水位为3~13m的范围内对不同条件下的岸坡抗滑稳定系数K 进行计算,定性比较河道中不同水位、岸坡坡度、滩槽高差以及水位涨落对岸坡稳定性的影响,取得了以下的初步成果[13]。

1)在相同的滩槽高差和岸坡坡度的条件下,不同水位下的岸坡抗滑稳定系数K 不同,平滩水位以下的K值随水位的降低而减小,说明高水位时K值大,岸坡稳定性程度较高,低水位时,岸坡稳定性程度较低;而平滩水位以上K值变化不大。这就意味着在“静态” 下枯水期有可能因岸坡不够稳定而较易发生崩坍险情。

2)河岸的坡度与岸坡稳定有直接关系。在滩槽高差相同的情况下,当长江水位为3~13m的变幅范围,岸坡平均坡度系数m值为1.5、2.0和2.5时,其K值分别为0.75~1.27、0.92~1.60和1.06~1.93。说明在平滩水位以下,除了表明水位愈低愈不稳定,应注意在低水位防止岸坡发生滑塌险情之外,岸坡的稳定性显然随平均坡度值m的增大而增强。计算表明在平均坡度m值为2.5 的岸坡条件下,低水位时岸坡的稳定性尚处于一种接近临界的状态。(www.daowen.com)

3)在平均坡度的基础上,当考虑坡脚的冲刷和淤积时,岸坡可视为变坡情况,即在高程2.4m以上边坡系数m值定为2.5,其下为不同坡度的取值。计算表明,当m为2.0和3.0,水位在9m以下时,K值与坡度系数m=2.5 时的K值相比均保持不变,在10m以上K值与m=2.5时相比分别减小和增大,说明坡脚的冲深变陡或淤积变缓,对于较高水位时的K值才有影响,在水位较低时对K值的影响不大。这就说明在较高水位时要注意近岸河床刷深坡度变陡对河岸稳定产生的不利影响。

4)在其他条件相同情况下进一步研究了岸坡稳定性与滩槽高差Δh 的关系。拟定了12m、16m、20m、25m和30m等五种滩槽高差值,结果表明,在相同的边坡系数m值下的K值在Δh 小于20m时,是随着Δh 的减小而增大,即岸坡稳定性在Δh 小于20m之内随滩槽高差的增大而减小。当Δh 大于20m时,K值与Δh 无关,这主要是因为滩槽高差大于20m之后,近岸河床坡脚处的床沙组成均为中细沙保持不变的缘故。

5)江水位涨落对岸坡稳定的影响。根据河岸内浸润线与江水位变化的关系,将水位变化分为五种情况:①水位快涨期——江水上涨速度远大于岸坡内及浸润线的抬高;②水位缓涨期——江水位与岸坡内浸润线同步上涨;③水位平滩期——江水位平于和高于平滩高程;④水位快退期——江水位下降速度远大于岸坡内浸润线的下降;⑤ 水位缓落期——江水位与岸坡内浸润线同步下降。计算中,取岸坡系数m为2.0,滩槽高差Δh 为25m,水位值的变幅仍为3~13m,在河岸组成相同的条件下,对其抗滑稳定系数K值进行计算。结果表明,当汛前水位上涨时,K值是增大的,说明江水位在上升时水体对岸坡有一个支撑作用,同时涨速快的K值比涨速缓的K值大,说明在快涨时岸坡内土体的力学性质还没有受到浸泡的影响,岸坡的稳定受到江水上涨时水体压力的作用。当水位平滩和高于河漫滩时,K值变化不大,岸坡稳定性基本上与水位涨落无关。当汛后水位退至平滩后继续下降时,K值是减小的,说明岸坡失去了江水支撑的压力作用;而且水位下降得越快,K值减小越大,说明岸坡土体仍处于饱和状态,凝聚力系数c值和内摩擦角φ值均较小;当水位缓慢降落时,在岸坡排水条件较好的情况下,K值的减小就不显著。因此,岸坡的崩坍除了受水流冲刷较多发生在汛期和汛末之外,由于岸坡稳定性方面的原因也较多发生在汛期水位下降较快的落水期。

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