肖丽红

（江西省建洪工程监理咨询有限公司，南昌 330001）

0 引 言

崩岸是弯曲河流运行期间普遍存在的侧向侵蚀类型，也是引发颈向裁弯、蜿蜒蠕动及横向迁移的主要动力因素，是水流冲刷坡脚的水动力过程与上部土体重力作用下引发岸坡崩塌的综合结果。河岸侵蚀及崩退后产生的泥沙会增大河流内泥沙含量，引发河道淤积、河床升高及水流漫滩。当前学术界对河岸崩塌的研究主要集中在水流条件、河床演变、河岸边界条件等方面，通过采用数值模拟、室内试验、概率统计等研究方法对崩岸过程的发生机理、影响因素、程度预测等展开研究，但是河段流量变化对河岸侵蚀、崩岸、河流地貌塑形等的作用机理并不明确。水流侵蚀河岸、冲刷坡脚、河道调蓄等引发基质吸力减小是造成崩岸的主要水动力因素，但是对以上因素综合作用下的岸坡侵蚀过程展开准确模拟和控制仍存在较大难度。文章则应用BSTEM 模型对河岸下部土层恒定流及非恒定流等水流条件下崩岸过程展开模拟，力图得出不同流量过程下岸坡崩塌及弯曲河流横向迁移的一般规律。

1 河段概况

北江怡丰险段位于广东省中山市三角镇西北部，险段所处河段为北江城东洲左汊，左岸是城东围堤，河堤内外均为加固护坡+堤脚抛石护岸，右岸则为冲击型平原河道及自然草滩。该河段上游为低山高丘地势，河床为砂泥混合土料；险段中心段最窄处宽度≤10m，洪水经过时左汊出现较大分流，河道水面收窄，在两侧激流的挤压下水流增大，并在下游堤段出现内弯以及迎流顶冲、深槽迫岸，水流加速，造成坡脚严重淘刷，形成历史险段。

2 研究方法

2.1 野外测量方法

结合怡丰险段Google Earth 遥感影像和160m高度无人机拍摄影像，该河段颈口宽度从2014年的24.2m 减小为2021 年的9.3m。颈口宽度的缩小使河段出现裁弯的可能性大大增加，故而在最有可能出现裁弯的区域选择5 个典型断面，断面宽度沿弯顶向下游持续增大。通过平面精度±0.8cm+1ppm、高程精度±1.5cm+1ppm 的RTK 对5 个典型断面岸坡轮廓点三维坐标展开实地测量，同时应用ArcGIS 软件三维分析工具将三维坐标转换成平面坐标，进而得出河岸边坡平面形态；此外，还应将河岸原状土取样，通过筛分法室内土工试验及激光粒度仪分别测量粒径1mm 以上及1mm 以下土样的颗粒级配。

2.2 模拟方法

以BSTEM 模型中的坡脚冲刷模块所得到的复杂岸坡形态为Input Geometry 模块中几何形态输入数据。用户通过手动输入崩塌角度及高程或借助软件自动迭代等方式得出最容易发生崩塌的平面形态[1]。该模拟方法主要基于水力半径分割法对一定水位、岸坡形态、水力坡度下均匀流河段切应力分布情况展开计算，公式如下：

式中：0τ为切应力均值，Pa；wγ为水容重，取9.81kN/m³；R为水力半径，m；J为水力坡度。

应用水力半径分割法时，应沿水面以下岸坡设置角平分线，从而将岸坡横断面划分成不同区域，区域内水流主要受节点处糙率和水力半径影响。节点处冲刷速率均值主要通过剩余切应力法计算，用时间参数将冲刷速率积分后得到冲刷宽度均值[2]。该方法假定冲刷角与局部坡角垂直，即：

式中：E为河道冲刷宽度，m；k为冲刷系数；Δt为时间步长；cτ为切应力临界值，Pa；其余参数含义同前。根据该公式，河岸发生冲刷与否主要取决于河岸切应力临界值和水流边界剪应力之间的比较，两者的差值决定着河岸冲刷速率。

北江三角镇怡丰险段表现为条崩形态，河岸土体崩塌幅度大、距离长，河岸沿程土体构成和力学属性较为相似，故在水流条件相同时崩岸临界条件也极为接近，导致崩塌块以条带状分布。就崩岸发生的机制而言，该险段崩岸属于悬臂式张拉破坏。以岸高5.41m、河床高0.84m 的2#断面进口段为代表性河岸，河岸岸坡表层覆盖草本植物，植物根系深入细砂土层后形成较为稳固的复合体，上层土体黏土含量高，故该断面进口段河岸土体抗剪强度和黏聚力均较高；下层则主要为非黏性土体，受到水流作用后易冲刷淘蚀，并在岸坡处于临界崩塌角时表现出平面剪切破坏；这种情况下，上部土体因强度较大且未达到临界崩塌状态而处于悬臂状态。上下层土体交界面通常比洪峰水位高，故水流直接冲刷下部无黏性细砂层，河岸细泥沙颗粒也会在水流力切应力超出土体切应力临界值时随水流冲刷而下移，出现崩岸（图1）。与此同时，在力矩平衡、下部土体崩塌宽度、力学作用下，上层土体表现出悬臂式张拉破坏[3]。考虑到文章所采用的BSTEM模型不能对上部土体悬臂式张拉破坏展开模拟，故文章仅模拟下部非黏性细砂层崩塌过程。

图1 凹岸冲刷机理示意图

3 研究过程及结果

3.1 研究过程

按照土体力学性质将北江三角镇怡丰险段河岸土体划分成 5 层，考虑到上部土体强度大，可对下部一定深度范围内岸坡崩塌起到抑制作用，故将上下部土体交界面以下河岸高度10%以内土体切应力临界值、黏聚力、内摩擦角等参数值均提高20%，并归为第1层。对于不同水流条件所对应的平均水位以下细砂层渗透系数较大，应通过浮重度计算其水下容重，并归为第 5 层。中间土层因土体力学性质指标较为一致，土体厚度对计算结果无明显影响，故归为第2～4层。因细砂层具有较强的透水性，故潜水位变化过程基本与水面高程一致；河岸下部细砂层重度取BSTEM模型中既定值18.6kN/m3，第5层取浮重度8.9kN/m3。各土层力学性质具体见表1。

表1 土层力学性质指标

按照BSTEM 模型原理，一旦出现河岸崩塌，则崩岸块在水流的冲刷下随即下移，但现实情况却是，崩岸块可能堆积于坡脚，对近岸水流冲刷侵蚀有减弱作用。根据实地考察以及对岸坡形态的实地测量，坡脚所堆积的崩岸块强度较大，并附着在草本植物根系处，随着时间的推移，植物根系甚至贯穿其中。这也表明，怡丰险段河岸崩岸块主要为上部粘性细砂层，因具有较强的抗冲性和黏聚力而大量堆积于坡脚。相反，下部非粘性细砂层在剪切破坏作用下出现的崩岸块因土体抗剪性能差，崩落后在水流的冲刷下短时间内便向下游运移。

为增强分析过程及结果的针对性，文章通过BSTEM 模型展开怡丰险段河岸崩岸规律分析时忽略非粘性细砂坡脚堆积作用，仅对恒定流和非恒定流两种水流情况下崩岸过程展开模拟，并对崩塌宽度、坡脚冲刷程度、崩退速率变化规律等展开研究。

3.2 恒定流计算结果

取怡丰险段1985—2020 年日流量资料，根据实际数据将流量划分成5 组，通过相关公式计算出不同流量的重现期，通过BSTEM 模型模拟恒定流条件下崩岸过程，将时间步长确定为1d，河段长度按1.0m 取值，依次运行模型中的坡脚冲刷模块和河岸稳定模块。根据模拟结果，在河道水深不足2.0m 时，模拟时间超出40d 后坡脚冲刷量及冲刷宽度均取0，结合公式（2）可知，这种情况下岸坡切应力均值小于土体切应力临界值，河床不再遭受水流淘刷冲蚀，岸坡形态也基本趋于稳定，恒定流情况下发生崩岸的可能性也为0。

根据对不同流量条件下坡脚冲刷量随时间变化趋势的模拟，冲刷从初始岸坡开始出现，此后随着运行时间的推移，冲刷量呈减小趋势，递减速率也持续减小；岸坡切应力均值随着流量的增大而增大，初始冲刷量和坡脚冲刷量均随之增大，崩岸时间缩短。当水深从2.0m升高至2.5m时，岸坡冲刷速率约提升1倍；水深从2.5m提升至3.5m时，岸坡冲刷速率提升约2.1倍，表明水位较低时流量的增大对河岸冲刷更为剧烈。

通过对恒定流情况下崩岸情况模拟结果（表2）的分析，随流量增大，崩岸角和崩岸宽度均呈增大趋势，但崩岸时间却持续减小。以崩岸宽度和崩岸时间之比为崩岸速率，从而得出恒定流情况下流量Q与崩岸速率v的关系式：

表2 恒定流情况下的模拟结果

据上式，崩岸速率和流量呈对数关系，且随着流量的增大，崩岸速率持续减小；当水深取2.0m时，对应的崩岸速率为3.08m/a，根据模拟结果得到的该计算值与3.1m/a的实测值较为吻合，表明模拟结果科学合理。根据崩岸速率和崩岸时间随流量的变化趋势，当崩岸时间为20d，对应流量取120m³/s；若实际流量小于该取值，且流量持续时间不超出20d，崩岸便不会发生，岸坡也将保持稳定。

3.3 非恒定流计算结果

结合实测结果及水文资料，北江三角镇怡丰险段1 年中约9 个月时间为低流量，夏季降雨是影响其水位变化的关键性因素，在低流量下，岸坡受水流的侵蚀及崩岸发生的可能性均较小，河岸基本稳定；而随着流量增大和水位提升，岸坡侵蚀变得剧烈，坡脚淘刷速度加快，河岸稳定性受到较大影响，高水位期间也是崩岸集中性发生的主要时段。为此，必须展开怡丰险段崩岸过程受高水位非恒定流组合流量影响的分析。

根据对怡丰险段1985—2020 年日流量资料中单峰水文过程线的分析，以50m³/s、100m³/s、150m³/s、200 m³/s 等4 种流量为平均流量展开水文过程模拟，且每种流量模拟时长均按照18d、20d 和22d 设置，共对应12 种工况。以20d 时长下的工况为恒定流对照组，其余工况流量过程线取Ⅰ类（前高后低）、Ⅱ类（前低后高）、Ⅲ类（前后齐平）形态；不同平均流量及工况下变差系数、水文过程线及峰值流量并不相同。非恒定流情况下模拟结果如表3 所示。

表3 非恒定流情况下的模拟结果

通过表中结果可以看出，在流量均值相同的情况下，峰值流量、流量变化趋势、流量大小及流量分布的离散程度存在较大差异，但单位时间为坡脚处冲刷量较为接近，并随着流量均值的增大而呈递增趋势。结合相关研究成果，极大洪水流量是多年水文系列中冲刷量控制的关键性因素，故对于一个水文过程线而言，冲刷速率随峰值流量的越大而增大[4]。但根据分析，怡丰险段冲刷速率和峰值流量的关系较为散乱。工况8和12冲刷速率分别为0.59m/d和0.76m/d，两者误差均值达到±13.7%，明显比流量均值为200m³/s时三种工况误差均值大；工况4和9、8和12峰值流量相同，但冲刷速率存在较大差异。峰值流量主要通过流量均值间接影响岸坡冲刷及崩岸，通过对该河段冲刷速率与流量均值关系的分析，在流量均值一致的情况下，冲刷速率随时间的推移变化较小，对冲刷速率的影响也不大。水流对河岸的冲刷是流量量级和流量出现频率共同作用的结果，高流量对岸坡冲刷剧烈但历时短，低流量冲刷缓慢但历时长，岸坡冲刷量主要取决于流量均值，与流量过程变化关系不大[5]。

4 结 论

综上所述，河岸岸坡陡于河岸土体稳定坡度以及河岸底部受水流淘刷进而引发上部河岸失稳是造成怡丰险段崩岸的根本原因。在恒定流下，崩岸宽度及坡脚冲刷速率均随流量的增大而增大，但崩岸时间却随之减小；坡脚冲刷量越大，达到临界崩岸宽度所需要的时间也越短。在非恒定流下，峰值流量、流量离散程度及组合流量变化趋势对单位时间内岸坡冲刷量及崩岸宽度的影响均较为接近，且均随流量均值的增大而增大；一定时间范围内河岸侵蚀及崩岸是流量量级和频率共同作用的结果，与流量峰值关系不大，故应以某个水文过程的有效流量均值为评估怡丰险段河岸侵蚀及崩岸的主要指标。