（水利工程专业论文）长江中下游河道崩岸机理初析及崩岸治理.pdf

摘要 长江河道崩岸机理是一个非常复杂的河床演变学和河流动力学 的研究课题，国内外对崩岸机理从不同的角度作了大量的研究工作， 取得了一定成果。 本文在总结和分析现有研究成果的基础上，概述了长江中下游河 道特性及崩岸分布特征，分析了崩岸特点；结合河沙动力学、河床演 变学以及水力学知识，初步分析和探讨了崩岸机理，得出了崩岸是河 道平面变形的具体表现形式，崩岸的发生是冲积河流河床演变规律所 支配的结论。系统分析了水流作用下河岸泥沙的输移特点，建立了斜 坡上粘性土的起动流速公式，描述了一个水文年内崩岸过程中水沙相 互作用的特点。 最后提出了崩岸治理的措施，阐述了护岸工程的分类及其适用条 件、常用护岸措旌及材料、新技术新材料在护岸工程中的应用。 关键词：长江崩岸机理护岸治理 摘要 a b s t r a c t t h ep r o b l e m0 1 1t h eb a n k f a i l u r em e c h a n i s mo ft h ey a n g t z er i v e ri s ac o m p l i c a t e dp r o b l e m i n v o l v i n gt h ef l u v i a lp r o c e s sa n d f i v e rd y n a m i c s f i r s t l y , b a s e du p o nt h er e s u l t so fs u m m i n g - u pt h er e s e a r c hs t a t u s a b o u tt h em e c h a n i s mo ft h eb a n k f a i l u r e ，t h ec h a n n e lf e a t u r ea n dt h e b a n k f a i l u r ed i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i ci nt h em i d d l ea n dl o w e ry a n g t z e r i v e ra r eg e n e r a l m e di nt h es e c o n dc h a p t e r s e c o n d l y , t h eb a n k f a l l u r ec h a r a c t e r i s t i c i s a n a l y z e di nt h ef o u r t h c h a p t e r t h e b a n k f a i t u r em e c h a n i s m i s i n i t i a l l ya n a l y z e d a n d s t u d i e d ，i n t e g r a t i n gt h e s e d i m e n td y n a m i c s , t h ef l u v i a l p r o c e s s a n d h y d r a u l i c s w ed r e wac o n c l u s i o nt h a tt h eb a n k f a i l u r ei st h es p e c i f i c r e p r e s e n t a t i o no f t h ep l a n ed e f o r m a t i o no f t h ec h a n n e l ，w h i c hi sc o n t r o l l e d b yt h el a wo ft h ef l u v i a lp r o c e s s m o r e o v e r , t h ep a p e rs y s t e m a t i c a l l y a n a l y z e sh o wt h eb a n ks e d i m e n ti st r a n s p o r t e db yt h ef l o wa n dd e d u c e s t h ev e l o c i t yf o r m u l ao ft h ei n i t i a lm o t i o no ft h ee r o s i v es a n do nt h e s l o p e ，a n dd e s c r i b e st h ec h a r a c t e r i s t i co ff l o wa n ds e d i m e n tm o v e m e n t d u r i n gt h eb a n k f a i l u r ep r o c e s si no n eh y d r o l o g i cy e a r a tl a s t , t h ec o n t r o lm e a s u r e so ft h eb a n k f h i l u r ea r ep r o p o s e d 。t h e t y p e sa n da p p l i c a b l ec o n d i t i o no ft h er e v e t m e n tw o r k s ，t h ec o m n l o nn e w t e c h n o l o g i e s a n dn e wm a t e r i a lo ft h eb a n k p r o t e c t i o n w o r k sa r e i n t r o d u c e di nd e t a i l k e y w o r d ：b a n k f a i l u r em e c h a n i s mr e v e t m e n tc o n t r o l 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师董利川教授的指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注 和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果。与我一同工作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：盈瑙2 0 0 7 年6 月7 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：2 0 0 7 年6 月7 日 河海大学1 = 程硕上学位论文 第一章绪论 1 1 闻题的提出 河流两岸自古以来即为人类繁衍生息之所，河流的中下游又往往是经济与文化 最为发达的地区，因而河流对人类活动的影响历来是十分重要的。 河流是大自然环境中一个开放的具有反馈调节机制的动态的复杂系统。河流是 水流与河床相互作用的产物。水流作用于河床，使河床发生变化；河床反过来作用于 水流，影响水流的结构。二者构成一个矛盾的统一体，相互依存，相互影响，相互制 约，永远处于变化和发展的过程中。水流与河床的相互作用是以泥沙作为媒介来达到 和体现的。挟带泥沙的水流，在一种情况下，通过泥沙的淤积，使河床抬高；在另一 种情况下，通过泥沙的冲刷，使河床降低，泥沙有时是水流的组成部份；有时又是河 床的组成部份。在运动过程中，从矛盾的一个方面转化到矛盾的另一个方面，进一步 影响整个矛盾统一体的变化和发展。 人类在长期的生产实践中，加深对河流和泥沙的认识，积累了丰富的治理河流 的经验，逐步形成了专门研究河流泥沙工程问题的一门新学科。泥沙运动不同于一般 的水流运动，是固液两相流，泥沙运动具有很强的随机性。流域内影响泥沙运动的因 素很多，河道的边界条件也很复杂，造成河道演变十分复杂，并给河道治理带来不少 困难。 冲积河流的演变形式按照河床演变空间特征分为纵向变形和横向变形，前者是 指河流沿纵深方向的变形，表现为河床的冲深或淤高以及横断面形态的沿程变化；后 者也称为平面变形，表现为河床在与流向垂直的两侧方向上的变化，形成河床在平面 上的摆动。无论是自然状态，还是人为干扰，无论是长河段还是短河段，河床变形都 是由于不平衡输沙引起水流、河床不相适应后进行自动调整的结果。河道的平面变形 是通过河床泥沙的冲刷和输移来实现的。一般是以渐变的方式进行的，但是当渐变积 累到一定的程度，量变会发展成质变，在局部地段发生剧烈的冲刷，导致河床的局部 坍塌，习惯上称之为崩岸。 崩岸是河床演变过程中一种主要现象，或者说是河床演变的重要的表现形式之 一。崩岸与水流动力条件、泥沙输移条件、河床边界条件、河道形态以及河势都具有 l 河海人学t 程硕l 学位论文 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均会产生不利影响， 所以研究河道崩岸在工程实践中同样具有重要的意义。如岳阳七弓岭的崩岸若任其发 展就有崩穿七弓岭，使长江直插岳阳市区：l i a r 7 ，致使七弓岭至城陵矶长江改道，直接 顶托洞庭湖的水流，影响洞庭湖洪水下泄，抬高洞庭湖汛期水位，给洞庭湖流域带来 极大的防汛压力，给沿湖人民带来极大的灾害，使河势发生根本性的改变。又如界牌 河段临湘江岸，从1 9 1 2 年发生崩岸，至1 9 6 2 年的5 0 年中最大崩宽达2 1 k m ，平均崩 退率为4 0 m g ，据记载最大年崩率达7 3 m 年。崩失耕地4 8 万亩，移堤2 6 段次，大 有崩掉整个i i 螽湘大堤的危险。不仅崩失了大量土地，而且使得该河段河势进一步恶化， 过渡泓槽上、下摆动，枯水期散滩密布，碍航十分严重。再如马鞍山河段河势，维持 马港深水岸线的重要控制工程 3 3 1 但目前新河的护岸部分被水流抄后路，鱼嘴工程 下挫，灯标下发生较强崩岸，都将影响河势控制的效果；铜陵河段太阳洲的防护是控 制凹岸的曲率，利用洲尾将水流平顺导向右岸，有2 3 k m 未护岸线以7 0 8 0 m 年的速 度崩退，导致洲尾曲率增大。若任其发展，其后果将崩失洲尾，水流取直，洲尾导流 作用将会丧失，水流顶冲位置必将改变，导致下游河势变化，产生新的崩岸，已建工 程亦将失去防护效益。官洲河段西江堵汉后，洲尾护岸同样是十分重要的河势控制工 程，利用官洲尾将主流导向右岸，再经小闸口挑流至左岸，保证安庆市区的深水良港。 由于官洲尾未能及时守护，于1 9 8 3 年被水流切割冲失，引起官洲河段河势发生较大 变化，汇流呈左移下延，致使跃进圩一线冲刷，对岸的上杨套护岸失去工程效益。若 跃进圩崩岸继续发展，将对安庆港区安全运行产生极大威胁。同时，岸线的崩退对沿 岸工农业设施、交通运输设施以及人民生命财产安全均造成严重损失，可能会严重地 影响沿岸生态系统的平衡。 目前，对于长江崩岸的治理虽然采取了许多积极的护岸措旌，但对崩岸现象的 整治在很大程度上仍然处于感性和经验阶段，对河道崩岸的影响因素及崩岸机理尚缺 乏较系统的研究，同时在泥沙运动和河床演变量测手段上还存在许多客观与主观的困 难，这就需要我们深入研究崩岸的影响因素及崩岸机理。 河床与河岸物质组成复杂，它们与水流相互作用，构成一个错综复杂的系统。 因而在不同河流或同一河流的不同河段上以及不同的河型条件下，造成河岸侵蚀以致 2 河海人学工程硕二t 学位论文 崩岸及其形成机理也会不同。国内外诸多专家学者采用不同的途径和方法，从多方面 进行崩岸研究，有的从河岸土体物理力学性质出发进行理论分析：有的从河岸稳定性 分析出发，建立河岸的数学模型；有的从水流动力条件出发进行分析研究。上述研究 ， 工作均取得较有价值的成果，为崩岸的预防、治理奠定了坚实的理论基础。 1 2 国内外崩岸研究现状综述 1 国内研究现状 河床与河岸物质组成复杂，它们与水流相互作用，构成一个错综复杂的系统， 因而在不同河流或同一河流的不同河段上以及不同河型条件下，造成河岸侵蚀以致崩 岸及其形成机理也会不同。各家进行崩岸研究所采用的途径和方法是多方面的。有的 从河岸土体物理力学性质出发进行理论分析；有的从河岸稳定性分析出发，建立河岸 的数学模型；有的从水流动力条件出发进行分析研究。 唐日长【1 2 1 等根据荆江河道实测资料，分析影响弯曲河道中凹岸崩坍强度的主要 因素：( 1 ) 作用于河床的水流强度，包括水流动量及其持续时间，水流流态，含沙浓 度等；( 2 ) 河岸土质组成，包括岸土松散程度及其所占的比值；( 3 ) 河床形态，包括 弯曲半径，滩槽高差等。并认为汛期水流对崩岸起着主要作用，崩岸强度主要决定于 水流输沙能力。同一河弯不同时段的崩岸强度w 随着该时段的平均流量的平方及其 - 持续时间即q ，的增大而增大：对于二元相结构的河岸，崩岸强度随着深泓以上的河 岸沙层厚度与岸滩高度的比值即 的增大而增大；当凹岸弯曲半径减小到一定程度 使汛期水流动力轴线偏离凹岸时，将减弱崩岸的强度。 荣栋臣【4 i 在研究下荆江姜介子河段崩岸原因时，认为姜介子发生崩岸的原因主要 有三方面：( 1 ) 地质基础差；( 2 ) 河势发展接近地貌临界，所谓地貌临界是指地貌系 统由稳定变为突然不稳定的突变点及其发生的时间和空间；( 3 ) 水下石堆下腮的局部 冲刷。 王家云、董光琳口3 1 和王永 3 6 1 都认为安徽河段崩岸的主要影响因素是水流作用、 河岸地质条件及高低水位的突变产生的外渗压力。王家云和董光琳还认为护岸工程标 准低质量差也是造成崩岸的重要因素。 吴玉华、苏爱军f 2 q 等人针对江西省彭泽县马湖堤1 9 9 6 年发生的两起大崩岸事件， 提出崩岸的主要原因在于不利的地质结构、水流对岸坡的长期冲蚀淘刷、深泓迫近江 3 河海人学工程硕l 学位论文 岸、堤内鱼塘积水、长江水位降落较快以及上部加载和砂土震动液化等因素综合作用 造成的。 张引川【3 l 等认为造成长江下游窝崩的主要因素是：( 1 ) 水流条件。在水深流急、 单宽流量大的条件下，在河岸抗冲薄弱的部位淘刷后，形成强大的回流，对河岸造成 剧烈的冲刷；( 2 ) 土质条件。窝崩的发生与河岸粘性土覆盖层的厚度以及河床质粒径 粗细有关：( 3 ) 河岸抗冲不连续性条件。在水流冲刷强度相同的情况下，当河岸抗冲 性沿程比较连续时，岸线基本上平行后退，岸线平面形态呈“锯齿形”；当河岸局部 建有丁坝、矶头等建筑物或河岸抗冲性不连续时，河岸有可能形成“鸭梨形”或“口 袋形”的窝崩。 冷魁“9 1 认为地下水运动对崩岸仅起抑制或促进作用，长江下游发生窝崩处不可 能是由于渗透压力造成较大的土体大规模窝崩，也不可能是由于震动液化造成窝崩。 他认为窝崩大多数发生在汛后或枯季，其主要原因是：汛后水流逐渐归槽坐弯，由于 水流动有减少，其运动所需的曲率半径也变小，从而使得河道主流流路随流量的减小 而变得愈来愈弯曲，主流顶冲江岸，且由于枯季流量变幅小，顶冲点较为稳定，从而 使得弯顶处河床刷深、深槽楔入。并且提出了边坡临界起动流速公式以。，指出当河 道边坡某处垂线平均流速和c 、且某一高程的深槽向岸边楔入时，此处土体开始 出现坍塌，窝崩随之发生。 李宝璋【3 4 1 在分析长江南京河段窝崩成因时，提出形成窝崩的动力是大尺度纵轴 ( 水流方向) 螺旋流。螺旋流从面层分离出近似窝崩口门宽的一股流量，以大于两旁 的流速进入口门内，接着转变为竖轴螺旋流，形成高速回流由面层向底层运动，对窝 底有强烈的下切冲刷力，从底部带走大量泥沙向窝外运动，又归入河床内纵轴螺旋流 底层。此外，窝崩时产生的次生流能量，如异重流作用、土体崩塌的冲击力、河床内 底层螺旋流的吸引力，对窝崩起辅助作用。同时，还指出窝崩是泥沙运动的结果，都 发生在江岸上层为亚粘土或淤泥质亚粘土，下层为厚粉细沙层，时间大多在汛期高水 位较长持续期间。并认为河床内深槽不断刷深并逼近岸边是发生窝崩的条件和信号， 这一观点与冷魁的相似。 黄本胜【2 0 l 等认为引起岸滩失稳的主要因素有：( 1 ) 岸滩土体本身的物理性质、 状念指标、强度指标及其变化；( 2 ) 河床的冲刷深度：( 3 ) 河道水位的变化及引起的 4 扣j 海人学t 程硕上学位论文 渗透水压力等。并引入边坡稳定分析和渗流计算方法，对各主要影响因素进行了敏感 性分析。认为导致崩岸的主要原因是水流对河床和河岸的冲刷、土体本身的物理力学 指标和外界因素的扰动。最后还提出了建立冲积河流岸滩稳定性计算模型的思路。 ， 2 国外研究现状 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侵蚀与河岸的 稳定性出发。 美国学者西蒙斯( d b s i m o n s ) 网等认为影响河岸侵蚀的主要因素有：( 1 ) 水 力参数；( 2 ) 河床与河岸物质组成的特性；( 3 ) 河岸土体的物理特性；( 4 ) 风浪影响， 包括风力和渗透力；( 5 ) 气候影响，包括冰冻、化动、永动层等的影响；( 6 ) 生物影 响，包括植被和动物活动的影响：( 7 ) 人类活动的影响。西蒙斯等提出对于较宽的河 道，河岸水流剪切力的最大值约为河底剪切力的o 7 7 倍，而其它各项影响因素之和在 最不利的情况下仅为河底剪切力的0 6 倍，所以认为水力参数是最主要的影响因素。 此外，美国具有丰富经验的工程师与地质学家们认为，在许多河流中所有重要岸线侵 蚀的9 0 9 9 是发生在主汛期，这也说明了水力因素在河岸遭到侵蚀及至崩坍过程中 起主导作用。 格瑞斯基( e h g r i s s i n g e r ) 【5 2 】认为，粘性土质河岸的崩坍不仅与水力要求相关， 而且与土体的自身重量有关，它们的相对重要性由河岸自身的特性决定。如在密西西 比北部地区，因排水网引起河槽下切，使河岸变高并变陡，易受重力作用失稳而崩坍， 在这种情况下重力因素比水力因素对崩岸的影响更为重要。 米勒( i l ( i m i l l a r ) 5 7 1 等在h hc h a n g 等学者建立的砂砾石河流的河岸稳定性模 型基础上，认为河岸泥沙压实、与细沙掺混及与底部大量的泥沙粘结都会增加河岸的 稳定，提出河岸泥沙的中值粒径d 5 0 b 诎和摩擦休止角痧7 是河岸稳定性分析的关键参 数，并着重分析了河岸的植被情况与摩擦休止角7 的关系。 哈杰提( d j h a r g m y ) 、斯朴若( m f s p o o m ) 和帕若拉( a c p a r o l a ) 4 9 1 等a ( 1 9 9 5 年) 通过总结前人关于俄亥俄河的研究，认为崩岸和岸蚀的范围受航道水位持续性的 影响，并且河岸崩坍基本上发生在临近或在控制航道水位以上的地方。 奥斯曼( am o s m a b ) 和索尼( crt h o m e ) 【5 0 】【5 1 1 等从河床冲深与河岸侵蚀两 个方面来分析粘性河岸，认为引起崩岸最常见的原因是，河岸侧向侵蚀过程使河道宽 5 河海人学t 程颀i ：学位论文 度增加并使岸坡变陡，或者是河床下切增加河岸高度。河岸冲深和河岸侵蚀率又是河 岸物质组成、河岸几何形态、河床物质组成及水流特性的函数。因土体过重而引起的 崩岸取决于土壤性质与河岸几何形态。河岸的稳定性随粘性的系数c 和摩擦角西的增 大而增大，随土壤的比重、河岸高度、河岸坡角的增大而减小。奥斯曼等在研究崩岸 过程中，利用安全系数只= 最昂的大小来判断河岸是否崩塌。在简化模型的基础上， 认为c = 1 时处于临界状态：只 1 时为安全情况；e 1 2 时， 为安全情况，e t 。或u ： u u e r 时( 其中t ：、u ：为某一 数量级值，t 叭u c r 为起动边界值) ，河岸表层泥沙颗粒按滚动形式运动，或以跳跃 形式运动，并且水流强度越大，泥沙颗粒跳跃的距离越大。当水流强度继续加大后即 t tc 或u u c 时，一部分泥沙颗粒由于紊动产生的脉动力f 大致相当于颗粒重力 河海人学t 程硕1 ：学位论文 g 而开始以悬移方式向下游运动，在运动的过程中，颗粒的运动在很大程度上决定于 紊动的随机性，此时颗粒将由原来有规律的跳跃轨迹变为杂乱无章的随机轨迹。在水 流作用下，岸坡上的泥沙因受到弯道环流影响或重力沿岸坡的分力作用，故在各种运 动过程中都有斜向下游岸脚运动的趋势。 ( 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，且一般均有一个明显的临界起动流速值u c i ， 当流速低于临界流速时，土体颗粒不会被冲起【3 6 1 。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，胶团或团聚体闻的结合会逐渐松驰，而二者间的咬合 一旦被破坏，就会浮动被水流挟带而去。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。 冷魁曾在计算斜坡上泥沙的起动流速时 2 0 1 ，针对长江下游河岸泥沙孑 1 0 m m ， 采用水下休止角公式为由一5 0 + 4 7 t g ，最后仿照斜坡上泥沙的起动流速公式3 ”，得出 斜坡上起动流速公式为： 叫生等警地r 污飘) ； 通过整理分析长江下游产生崩岸处的近岸水流泥沙条件，得到k = 4 6 2 。 关于粘性泥沙起动流速的公式主要有两类：一类以粘土的抗剪强度指标为主要参 数，用粘土的凝聚力c 反映，粘土的抗冲能力，具有代表性的有苏联学者米尔菲胡拉 瓦建立的公式： i v 叫t 9 8 s i h ，( 罴疃- 1 ) 则历争 】为起动流速，h 为水深，d 为粘性土团粒直径，m 对i 、i i 、级建筑物分别 取l - 3 、1 4 和1 6 ，n 为考虑水流近底流速脉动影响系数，c “为抗裂疲劳强度，k 为 安全系数；另一类公式从考虑粘性泥沙颗粒间存在粘结力出发提出了无粘性泥沙及粘 性泥沙的起动流速公式，如窦囤仁公式： 2 4 河海人学工程硕士学位论文 万u 2 c = 半( 6 2 5 + 4 1 6 马+ ( 1 1 l + 7 4 0 _ ) h 育h 8 h妒 y 、 a。、吃。d 2 式中k 为用水柱高度表示的大气压力，n 为水分子厚度，d 为粒径。 唐存本公式为： u = ( 考) 吉三 ，2 半删兰舯爿j 本文从斜坡上粘性土受力物理模式出发，推出斜坡上粘性泥沙抗冲流速公式，具 体推导过程如下： 设河岸斜坡上粘土受冲的力学模式如图4 - 2 所示： o 水流方向 f l 水流方向 i 图4 - 2 河岸斜坡上粘土受冲力学模式图 “为粘土粒团a b c d 所受水流拖拽力，f l 为水流掀动力，w 为粒团有效重力， f 为粘结力。 。 。 设粘土粒团掀起时的表面临界拖拽力为： = 巳2 2 者硝= ，丢箬 ( 1 ) 式中m 为水流摩阻流速，u b 为水流近底流速，f 为阻力系数，y 为水的容重。 粘土粒团所受的掀起力f l 与表面所受拖拽力大小有关，其表达式为： e = c l a l d 2 y 一= c l a t + d 2 ；筹 ( 2 ) 式中a l 为作用于粒团的面积系数，c l 为掀起力系数，a l d 2 为粒团在斜面上的面 积。 河海人学工程硕e 学位论文 粒团的有效重力为： w = a 2 ( y 。y ) d 3( 3 ) 式中a 2 为粒团的体积系数。 对粘土颗粒间粘结力的研究目前仍不成熟，这里假设斜坡上粒团所受粘结力与 处于水平面上时相等，即采用公式： f _ y d h ( 4 ) 式中y 为水的重率，h 为水深，为粘结力系数，它与粘土颗粒矿物成分，粒 间水分的化学性质，粘土塑性等因素有着密切关系。 设粘土粒团处于掀动临界条件时，动力平衡方程为( 以0 o 为转轴) f l k l d = w s i nok 2 d + w c o sok 3 d + f k 4 d ( 5 ) 式中k l d 、k z d 、k 3 d 、i g d 分别为各力相应力臂。 将( 2 ) ( 4 ) 代入( 5 ) 式，最后可得： 瑶= 瓦毒可 ( 岛s i n 0 + 局c 。s 吃丝尹幽+ 髟菇争 利用一般指数型流速分布公式：u - - - - - u h ( y h ) n 可推出垂线平均流速为： 圹去弘c 删咖= 击 故u - ( 1 + n ) u v ) ( y n ) “ 令河底作用流速l l b 的特性高度为y = d d 。 则u b - ( 1 + n ) ( d h ) “ 令n - 圭，则粘土粒团掀起时临界平均流速为： ”铲南 去m ( k 2 s i n o + k 3e o s s ) a 2y 5 y - 7 喀+ 巧菇玎 这一公式中考虑了岸坡坡角对粘性土临界流速的影响，中括号中的第一项为重力项， 第二项表示粘结力对起动流速的作用。对于一定粒径小于0 2 m m 的粘性土，粘结力起 主导作用，重力项可忽略不计，上式可简化为： 叫圹 河海大学工程硕l - 学位论文 其中x 为综合系数。 a = 格( 去 i扣丽l 币鬲j h i 为斜坡上泥沙距水面的距离，单位均为米秒制。根据对荆江粘性土水槽试验及 裁弯引河冲刷观测资料的综合分析 3 6 1 ，入值可取经验数据值如表2 - 1 。 荆江粘土抗冲流速综合系数凡 表2 - 1 粘土名称重粘土粘土粉质粘土重粉质粘土 0 o 0 0 2 5 o 0 0 0 4 0 0 0 0 6 5 0 0 0 0 5 6 值 0 0 0 0 3 3o 0 0 0 5 5左右左右 2 掣 ；网鲁) ； 表2 2 细沙与粘性沙i 临界流速比较表 水深( m )细沙临界流速( m s )粘土临界抗冲流速( m s ) 50 6 1 82 7 6 7 1 00 6 8 24 3 1 2 1 50 7 2 35 5 9 2 00 7 5 36 7 2 由表中数据可知，粘土最小临界抗冲流速比细沙最小临界流速大几倍，水深越 大，两者相差越大，这就说明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 河海犬学工程硕_ 上学位论文 崩岸过程中岸坡逐渐变陡，最后导致上部岸体失去稳定而发生崩岸。 ( 3 ) 崩岸过程模式 在认识水流动力作用和泥沙运动机理的基础上，从理论和实践相结合上对崩岸 的形成进行进一步的探讨，是十分必要的，我们认为崩岸过程取决于水流动力条件以 及对近岸河床泥沙的输移，河岸泥沙组成的土壤特性是岸坡稳定的要素。水流挟沙能 力越大，土体抗冲性越差，越容易发生崩岸，其崩岸强度也越大。崩岸的形成也是由 量变到质变的过程，下面在一个水文年中，分四个阶段来描述崩岸过程。 涨水期，流量增加水位上升，水流流速加大。起初，岸脚静期未完全被水流搬 走的因河岸坍落或上游带来的泥沙，在水流上举力及水平推力作用下，开始发生起动 和推移。随着水位继续上涨，流量、流速继续增大，挟沙能力增大，原先附在床面上 的淤泥及河床泥沙开始被水流冲刷带走，河岸滩槽高差增高，坡度变陡，近岸河床局 部出现冲刷深槽。特别是水位达到第一造床流量级水位时，近岸河床局部冲刷更为明 显。 洪水期，随着水位上升和流量迸一步增加，流速进一步加大，深槽被不断刷深。 河床及岸坡上有的泥沙直接变为跃移和悬移状态，细颗粒随水流输移走，粗颗粒向下 游运动一段距离后，可能回落到下游河床的斜面或床面上，与该处相对较细的泥沙发 生交换。这一时期中，前期近岸河床形成的冲刷深槽进一步扩大，岸坡继续变陡，滩 槽高差继续增大，致使岸坡失去稳定而崩塌，有的则因高水位对河岸的侧向静水压力 使河岸暂时保持稳定。当弯道受水流顶冲时，主流与凸岸岸线夹角越大，水流对弯顶 附近的作用力也较大，水流对河岸进行淘刷，使顶冲点附近容易产生崩岸。当河岸泥 沙抗冲性较差时，还容易出现“口袋”型窝崩。 退水期，水流流速及水位逐渐减小，这一时期发生崩岸首先是因为汛后随着水 位的退落和流量减小，水位逐渐归槽坐弯，导致主流贴岸冲刷。同时在退水期随着水 位下降，岸坡失去原先高水位静水压力的支撑而发生崩坍：第三，河岸土体受高水位 浸泡时间长，抗剪强度低可能使崩坡发生深层滑坡或岸坡上部渗透变形引发崩坍。 枯水期，随着水位不断回落，上述崩岸仍将持续，之后随着流量的进一步减小， 流速和水流挟沙力也相应变小，深槽逐渐回淤，岸坡变缓，崩岸减弱直至停止。当流 速继续减小时，崩岸岸区中心及口门附近处会出现淤积现象。 2 窖 河海人学工程硕l 学位论文 下一个水文年到来，在河势不发生重大改变的情况下，基本重复上述过程，周 而复始，永不停息。 4 3 本章小结 本章从河床演变学、泥沙动力学和河流水力学的角度出发，从理论上来探讨崩 岸发生、发展的环境和条件，较详细地论述了崩岸发生、发展的水流动力等泥沙起动 和输移特点，描述了一个水文年某一河段崩岸过程模式，现将本章探讨的问题归纳小 结如下： ( 1 ) 冲淤河流在自然状态下，总是处于不断变化发展过程之中。 ( 2 ) 水流与河床相互作用始终支配着河流的变化和发展。 ( 3 ) 不同河型具有不同的平面变形特点，且都是通过崩岸的具体表现形式来实现 的。 ( 4 ) 水流动力条件是产生崩岸的最重要的影响因素。 ( 5 ) 崩岸的发生、发展是以泥沙运动为纽带，通过水泥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。 ( 6 ) 在河势不发生重大改变的情况下，在一个水文年内某一河段的崩岸必将按照 涨水期开始崩，洪水期大势崩，退水期慢慢崩，枯水期停止崩的过程模式进行，周而 复始，永不停息。 河海大学t 程硕e 学位论文 第五章崩岸的治理 如前所述，崩岸已成为威胁长江中下游干堤肪洪安全，影响整个长江的开发利 用，危及沿江人民生命财产安全的灾害之一，因此，加强对崩岸治理的研究，加大对 崩岸治理的力度是十分必要的。 5 1 崩岸的预涓 崩岸的发生虽然具有突发性的性质，但究其内涵，崩岸一般是采取渐变的方式 进行的，只有当渐变积累到一定的程度，才出现由量变达到质变，发生崩岸，这样的 一渐变过程无论其时间长短，都给我们对崩岸发展变化进行监控和预测提供宝贵的时 间。我们完全可以通过多方面的工作，预测到崩岸是否发生的可靠成果，为防止严重 崩岸发生提供依据。 1 、通过对近岸河床演变的分析研究，总结其演变规律，对河势的变化进行预测。 通过分析比较所预测河段在不同水文年的水下地形变化，可以掌握该河段河床平面变 化的规律和崩岸段近岸河床演变特点，如岸线崩退的速度，趋势等，这就从宏观上基 本可以预测哪些地方将要发生崩岸，在此基础制订河势控制规划和方案。 2 、通过预测河段长江流量特征值进行统计分析，并结合同期崩岸资料进行比对， 便可根据当年的长江流量特征值对崩岸可否发生进行预测。如长江大通站6 0 年代至 8 0 年的流量特征值进行统计分析时发现，凡是年最大流量大于历年平均最大流量 5 7 7 0 0 m 3 s 的年份，长江中下游汛期和汛后都曾发生严重的崩岸。对大通站1 9 8 0 1 9 8 4 年大于造床流量( 4 5 0 0 0 m 3 s ) 的各年日平均流量的统计发现，当q 二r 2 5 1 0 n 后，窝崩发生较为频繁，说明流量大且持续时间长，要注意防止崩岸【3 1 。 3 、通过对岸坡坡度的监测，对崩岸发生的可能性进行预测。在防洪重要堤段和 有重要设施的岸段，当近岸河床遭到强烈冲刷以致岸脚出现深槽且河岸变陡，尤其当 岸坡陡于l ：1 5 时，就要考虑有崩岸发生的可能性，就要采取抢护措施。 4 、通过对弯道凸岸洲滩淤长的速度和变化情况进行监测，可预测崩岸是否可能 发生。弯道凸岸沙洲迅速淤长，弯道凹岸的中下游崩岸发生区崩岸发生的可能较大i “。 5 、通过对凹岸顶冲点附近河段及护岸不连续的空档处的近岸河床冲刷情况进行 3 0 河海大学- 亡程硕上学位论文 监测，预测崩岸发生的可能性。因为这些地段产生窝崩的机率大，要特别注意观测， 防止大窝崩发生。 6 、对河岸二元结构上层粘性土层太薄，或土质粉沙很重又不允许发生崩岸的地 段，进行严密监测，并制订相应的应急方案和措施，避免崩岸的发生。 5 2 崩岸的治理 5 2 1 崩岸治理的基本原则 ( 1 ) 利于防洪，保证沿江工农业生产设施和人民生命财产的安全。 ( 2 ) 有利于河势，以满足沿江经济发展的要求。从治理崩岸，避免崩岸发生的角 度看，稳定河势应是最为积极和有效的。 ( 3 ) 因势利导，改善水流流态，有利于长江航道。同时减小因大尺度涡体紊流对 局部地段大量输移泥沙而促进崩岸的发生。 总之，崩岸的治理应符合防洪规划及河道整治工程规划的要求，工程布局应因 势利导，符合河势演变规律，统筹兼顾上下游、左右岸的利益；应尽量不过多缩窄过 洪断面、不造成汛期水位抬高；应尽量采取工程措旌与生物措施相结合的方法以达到 经济合理、美观，有利于环境的效果。 5 2 2 护岸工程的分类及其适用条件 护岸工程按布局、结构、形式、材料及水流关系等的不同可分为各种类型。如 按与水位的关系可分为淹没、非淹没防护工程；按构造情况可分为透水、不透水防护 工程；按材料和使用年限可分为永久性、临时性工程；根据是否间断可将主要护岸形 式分为连续性护岸与非连续护岸；根据护岸机理，可分为实体抗冲护岸和减速防冲护 岸。本节仅按工程的平面形式划分的平顺护岸、坝式护岸、墙式护岸以及其他形式护 岸及其适用条件分述如下1 1 6 i i “i i , e q ： ( 1 ) 平顺护岸 平顺护岸也称为坡式护岸，是将构筑物材料直接铺设在滩岸临水坡面上，防止 水流时对堤岸的侵蚀、冲刷。护岸后岸线比较平顺。这种护岸型式对河床边界条件改 变小，对近岸水流结构的影响较小，不影响航运。长江中下游河道在水深流急险要岸 段、主要城市市区、港口码头广泛采用平顺护岸。 平顺护岸以枯水位为界线，枯水位以上称为护坡工程，枯水位以下称为护脚工 3 l 河海人学1 ：程硕i ：学位论文 程。护脚工程长年潜没水中，经常受水流的冲击、淘刷，要适应岸坡、床面的变形而 作适当调整。护脚部份是护岸工程的基础，防护的重点，长江中下游护岸工程十分注 重“护脚为先? 的原则。护脚工程也是用料量大的部份。护脚工程的结构形式应根据 岸坡情况、水流条件和材料来源选择，较常用的有抛石、石笼、沉排、土工织物枕、 模袋混凝土块体、混凝铰链排、钢筋混凝土块体等。 平顺护岸工程实施后，基本上没有改变近岸水流的流速场，因而纵横向输沙条 件仞始阶段并未改变。由于岸坡受到保护，横向变形得到控制，水流只能从坡脚外未 保护的河床上得到泥沙补给，于是坡脚外河槽普遍刷深。在河道弯曲曲率不大时，断 面形态调整不大。但是当弯曲率较大时，由于护岸坡脚的冲刷和对岸边滩的淤积，断 面流速会调整，断面形态可能向窄深发展。平顺护岸不存在由于局部水流结构产生的 局部冲刷性。 ( 2 ) 坝式护岸 依托堤身、滩岸修建丁坝、顺坝的护岸形式称为坝式护岸。坝式护岸主要是导 引水流离岸，防止水流、风浪、潮汐直接侵蚀、冲刷滩岸，保护堤防安全。坝式护岸 是一种间断性的有重点的护岸形式，有干扰水流的作用，在一定条件下，常为一些宽 河道河堤、海堤防护所采用。黄河下游因泥沙淤积、河床宽浅，主流游荡摆动频繁， 常出现水流横向、斜向顶冲堤防，造成威胁的情况，因此，较普遍地采用丁坝、垛( 短 丁坝、矶头) 以及坝间平顺护岸的防护布局型式，保护堤防安全。长江在河口段江面 宽阔、水浅流缓，也常采用丁坝、顺坝保滩促淤，达到保护堤防安全的目的。 坝式护岸按平面布置划分，有丁坝、顺坝，丁坝与顺坝相结合等。坝式护岸按 结构材料与水流、潮流流向关系可分为透水、不透水坝；淹没、非淹没坝：上挑、正 挑、下挑坝等。 丁坝对水流有定的干扰作用，一定要合理布局。丁坝宜成组采用，形成丁坝 群，有利于挑托水流，但不宣采用长坝挑流。丁坝坝头要在规划的治导线上，顺坝要 沿治导线布置。丁坝长度需根据坝岸、滩岸与治导线的距离确定、丁坝间距与坝长、 水流流向变化有关，一般还应遵循充分发挥每道丁坝的掩护作用，具体可通过公式计 算并结合工程运用经验确定。黄河下游丁坝问距多采用坝长的1 1 2 倍；长江下游潮 汐河口区采用坝长的1 5 3 0 倍；我国海岸堤防滩丁坝一般采用坝长的2 4 倍；欧 3 2 扣海人学工程顾士学位论文 洲一些河流丁坝间距为坝长的2 3 倍。 河流建非淹没不透水丁坝一般宜采用下挑式，坝轴线与水流方向的央角一般为 3 0 6 0 。，以使水流平顺，坝前冲刷坑小。在潮汐河段修建丁坝，为适应两个相反方 向交替水流，宜修建坝轴线垂直于水流方向的正挑式丁坝。经常处于水下的潜丁坝， 宜采用上挑式，有利于促成坝问淤积。不透水丁坝坝型、结构的选择需根据水流条件， 地质地形及丁坝的工作条件确定，一般常采用的结构形式有抛石丁坝、土心石壳丁坝、 沉排丁坝等。 不透水的淹没、非淹没丁坝坝面应设计呈自坝根斜向河心的纵坡，在坝面漫水 时，自河心向坝根逐步漫水，减少对水流干扰造成的干流紊乱。我国钱塘江海堤丁坝 坝面纵坡采用l 3 ；美国密西西比河丁坝坝面纵坡采用2 ；日本一些河流潜坝坝 顶纵坡采用l l o 。 ( 3 ) 墙式护岸 墙式护岸也称为重力式护岸，顺堤岸设置，具有断面小、占地少的优点，但要 求地基能满足需要的承载能力。此类护岸常用于河道狭窄、堤外无滩、受水流淘刷严 重的重要崩岸堤段。如城镇、重要工业区堤防等。 墙式护岸的临水侧采用立式、陡坡式、台阶式等；背水侧可采用直立式、斜坡 式、折线式、扶壁式、卸荷台式等。墙式护岸一般宜在较好的地基上采用，如地基承 载力不能满足要求时，需对地基进行加固处理，还可在墙体结构上采取适当的措施， 减少墙体荷载。墙式护岸基础深不宜小于1 o m ，并按防冲要求采取护基、护脚措施， 特别在水流冲刷严重的堤段更要加强护基，护脚。 ( 4 ) 其他治理形式 其他护岸形式有坡式护岸、坡式与墙式相结合的结合式护岸、桩坝、杩槎坝护 岸、生物工程护岸等。 桩式护岸可采用单桩紧密排列或采用板桩筑成不透水结构，也可采用间隔桩系 以横梁联接，或挂尼龙网、铅丝网或采用竹、柳编篱构成屏蔽式的透水桩坝。桩式护 岸为防止水流淘刷基础，常采用块石护基。 桩式护岸通常采用木桩、钢桩、预制钢筋混凝桩。桩的长度、直径、入土深度、 桩距、材料、结构等需根据水深、流速、泥沙、地质等基本情况通过计算，或根据已 3 3 河海大学1 = 程硕上学位论文 建工程运用经验分析确定。 我国海堤工程过去采用桩式护岸较多，如钱塘江堤采用木桩或石桩护岸有悠久 的历史。美国密西西比河中游还保留不少木桩堆石坝，黄河下游过去也采用过木桩坝。 近年来修筑的钢筋混凝桩坝效果很好，我国沿海地区桩坝促淤工程效果均佳。 杩槎坝由杩槎支架及档水面两部分组成。一般适用于水深小于4 m ，流速小于3 m s 的卵石、砂卵石河床上采用。杩槎相互连接形成挡水面，可抛石或土石筑成透水或不 透水的杩槎丁坝、顺坝、t 形坝。 杩槎坝可就地取材，造价低廉，易建易拆的优点，可修建成永久性或临时性工 程。四川岷江修筑都江堰时就是采用的杩槎坝截流、导流。 凡有条件采用植树、植草等生物防护措施的堤、滩可设置防浪林台、防浪林带、 草皮护坡等。生物防护工程措施投资省、易实施，对消波、促淤、固土保堤作用显著。 1 9 6 7 年南京水科院对洪泽湖大堤防浪林台模型试验报告表明：5 0 m 宽的防浪林台种植 株径8 e r a ，树冠直径1 2 m 左右的灌木林，株距1 5 m 呈三角形布置，其消波系数可达 7 0 。我国沿海广泛种植芦竹、杞柳榔、红树林等消波保淤促堤效益都很好。因此， 对于河、湖在不影响行洪、蓄洪的i ；i 提下应广泛种植防浪林台、林带。海滨堤岸滩地 更应尽量采用生物防护措施。 生物防护也需根据水势、水位( 潮位) 、水流流速、风况及当地气候、土壤条件 制订规划，按“因地制宜，适地适树，合理布局”的原则实施、 上述护岸工程的分类不是绝对的，是按其主体部分进行的分类。各类护岸形式 可以交叉采用，如坝式护岸坝根部分或坝体本身的护坡部分可采用坡式，也可采用墙 式等。 护岸工程采用的型式与水流条件、河道特性关系非常密切，地质条件也是河流 最重要的特征之一。河道范围内的地质条件决定着河