水力侵蚀及河岸植被影响下河岸稳定特征分析

杨协成，赵程程，任婷婷，景 璐，董 宇

(1.常熟市水务局，江苏 常熟 215500；2.常熟市水利工程建设管理中心，江苏 常熟 215500；3.南京市江宁区水务局，江苏 南京 211112；4.南京市江宁区禄口街道水务管理服务站，江苏 南京 210000；5.淮安市水利勘测设计研究院有限公司，江苏 淮安 223005)

岸坡是江河岸边常见的边坡结构体，在雨水浸入或河水冲刷掏蚀等作用下，其边坡稳定性降低，常出现塌岸、滑塌等现象。河岸的滑塌主要是稳定性问题，外界条件影响下，岸坡组成物质的物理力学特性发生变化，量变达到质变的时刻，即发生岸坡的失稳破坏。

随着计算机技术迅速发展，在边坡稳定性问题的研究中有学者将数学模型应用到其中，取得了较好的应用效果。但对于河岸边坡稳定分析不够深入、系统，致使分析结果准确性不高。水力侵蚀是一种土体侵蚀类型，这种侵蚀情况主要是通过大气降雨造成，在下雨中通过雨滴的击溅和径流的冲刷从而引起侵蚀的情况。降雨不仅会对岸坡冲刷，还会使肥沃土体发生水土流失，造成整个坡体失稳，造成滑坡、崩塌等现象发生。河岸植被也是影响河岸稳定性的重要因素，其能够对流场以及紊流结构影响，还会影响河岸强度，从而改变可能导致河岸崩塌的条件。在水力侵蚀以及和河岸植被的影响下，导致局部形态动力学以及整体河流形态发生变化。为此，本文借助数学模型方法，结合水力侵蚀、河岸植被两个影响因素对河岸边坡稳定性作进一步分析。

1 研究区概况

该研究地处中亚热带湿润气候区，全年降水较充沛。研究对象为城市河岸土体。土体属灰粽紫泥土，呈微碱性，沙冲击而成，土层厚度较薄。河道土质岸坡地形坡度为15°～21°，偶尔局部发生塌岸、滑塌现象，但规模小，岸坡现状整体稳定。

2 试验过程

2.1 降雨与覆盖度试验

(1)模拟降雨采用侧喷式模拟降雨装置，型号为JLC-RY1，该装置包含3个降雨喷头，通过对不同喷头组合能够获得不同的降雨强度[1]。试验区域下垫面特征见表1。试验用水采用高压自动供水水塔，持续供给且可调整压力表，使模拟状况与实际工况更契合。

表1 下垫面特征

(2)在选定试验区内进行植被覆盖度提取，采用相机对试验区拍照，然后将照片导入软件提取植被覆盖度[2]。在降雨模拟中，多次试验确定降雨强度[3]，保证设计误差不超过2%，在降雨过程中实时查看试验区域内土体的饱和情况，若土体饱和或表面将要产流时则停止降雨。

2.2 土粒崩解与抗冲试验

(1)土粒崩解，将土放置到10mm的土体筛孔中，并将土体筛子放置于净水，进行净水试验。然后选出过10mm、5mm的土粒，将这些选出的图例放置到土粒筛孔上，完成净水试验。

(2)抗冲试验，水对河岸冲刷过程中不仅包括土体的冲刷作用还包含地表径流对岸坡的冲刷破坏。基于该情况，设定两种冲刷形式，一部分测量浅层土体的抗冲性，一部分测量地表草的抗冲性[6]。过程如下：

预先准备土柱，采用改进型环刀取试验区内的土柱，每个样地取8个土样。将得到的土柱放置到PVC管中，放置到水盆中，浸泡20h，再将纱布去除。浅层土抗冲方法，设定稳流装置的水流流量为12L/min，水流沿着水槽向下流，坡度设置为26°，并将土柱放置到水槽的底端，最大限度地冲刷土柱侧面，在冲刷3分钟后停止冲刷，并采用电子秤对剩余的土柱质量称重[7]。在地表草抗冲上，主要将土柱表面放置水槽末端，将上面的PVC管去除，再按上述步骤测定即可。

2.3 径流与泥沙采集试验

放水冲刷试验中对径流以及泥沙特征进行采集[8]，每次采样中都收集10个样品，测定净流量与径流含沙量。在此基础上，将泥沙放置到温度为105℃的烘干箱内烘干，采用千分天平对泥沙的干重进行测定，随后对泥沙样品进行土体粒径测量。

3 力学参数选取分析

3.1 土体渗透系数及抗剪强度分析

土体的渗透性是衡量土体重要的物理性质之一。土体渗透系数与土体结构、孔隙度和有机质等因素有关，在土体层对降水的整个调配过程中，可分为初级渗透阶段、稳定渗透阶段和超量渗透阶段，依据土体物理模型方程推导出如下计算公式：

i(t)=at-1/2+ic

(1)

式(1)中，i(t)—渗透系数，m/s；i(c)—平均基质吸力参数，MPa；a—水分饱和差，HPa；t—稳定的渗透速率，μm2。

此外，计算土体抗剪强度，公式如下：

τf=c+σtgφ

(2)

式(2)中，τf—抗剪强度，MPa；c—黏聚力，MPa；σ—法向应力参数；φ—内摩擦角，(°)。

将上述公式作为参数计算与选取依据，随机取样，多次重复试验，提高试验的准确性。

3.2 水动力参数计算

为定量描述水力侵蚀对河岸稳定性的影响，在坡面水流运动状况表征上采用雷诺数进行表征，其反应的主要是流体惯性力与粘性力比值的量度，当该值增加到某一临界数据时，流体流动转变为紊流。计算公式为：

(3)

式(3)中，U—断面的平均流速，m/s；g—重力加速度，m/s2；h—径流深度，mm。

测量的水流深度值与实际水深可能存在一定差距，为此将反推方法应用到坡面的水流深度计算中，计算公式为：

(4)

式(4)中，q—单宽流量，m2/s；Bt—时间t内径流量，m3；Q—径流总流量，m3。

根据式(4)得出的径流深度值，分析水流运动力阻滞情况，计算公式如下：

(5)

式(5)中，n—水流运动力阻滞系数，J—水力坡度。

径流剪应力主要表征径流在流动过程中沿坡面方向产生的力，反应水流在流动时土体颗粒所需要力的大小的参数，计算公式如下：

(6)

式(6)中，R—水力半径，m；J—水力坡度。

上述计算公式对水力侵蚀与河岸植被影响参数进行了计算，为后续河岸崩塌数值模拟提供理论基础。

3.3 河岸崩塌数值模拟

基于土体抗剪强度以及阻滞情况分析结果，对岸坡稳定性分析，推导出坡高的临界值模型，将总应力计算公式表示为：

(7)

式(7)中，l—土体的滑动面长度，m；W—条块的重力参数；θ—重力线与条块底面之间的夹角，(°)；C—粘结强度，MPa；φ—内摩擦角，(°)。

将力学崩岸机理应用到其中，根据河岸土体特性对河岸发生侧蚀的起动切应力，根据公式(8)求得：

ΔB=ClΔt(τ-τc)e/v

(8)

式(8)中，Cl—河岸横向的冲刷系数，τ、τc—河岸边坡初始切应力和发生冲刷后的起动切应力，MPa。

崩岸数值模拟公式表示为：

(9)

式(9)中，hf—拉梅系数，βk—垂线流速分布不均匀的校正系数，H—总的水体深度，m；i0—重力加速度，m/s2。

然而实际的河岸受到河岸物质、地形高程以及河岸植被的影响，河岸稳定演化过程复杂，不能简单用常量描述河岸的侵蚀度，为简化求解问题，进一步对河岸侵蚀度计算，认为河岸的侵蚀度与植被密度呈线性关系，计算公式如下：

E=E0[1-cv(d，t)]

(10)

上述公式中，E0—裸露在河岸的河岸侵蚀参数，v(d，t)—河流植被密度指标。

基于上述过程可不局限于固定河岸边界，吻合岸坡实际状况，具有较好的模拟效果。

4 结果分析

在上述试验、计算分析工作完成的情况下，分析水力侵蚀以及河岸植被对河岸稳定性的影响。

4.1 植被盖度相同坡度不同下径流系数特征

径流系数能够较好地将降雨量转化为地表径流比例，综合反映出坡度、植被和土体等因素对地表径流的影响，不同条件下坡面径流系数变化特征如图1所示。

图1 坡度不同植被盖度相同下径流系数变化情况

由图1可知，在植被盖度与坡度相同的条件下，54mm/min的径流系数低于90mm/min时的径流系数，即随着降雨量的增多，径流系数也逐渐增多，地表上的雨水汇集流动速度就会增加。同时，在不同坡度下，裸坡径流系数随着坡度增大而增大，说明坡度的增加能够提高水体的重力来加速径流。因此，径流系数与坡度呈正相关，与植被的盖度呈负相关。

4.2 植被盖度不同坡度相同下径流剪切力特征

在此部分分析中，保证坡度相同，植被覆盖度不同，变化情况如图2所示。图2可知，在该条件下，坡面的径流剪切力随着冲刷时间的增加呈上升的趋势，径流剪切力会随着植被盖度增加而增大。

图2 相同坡度不同植被盖度下径流剪切力变化分析

4.3 不同降雨条件下坡面水流功率分析

在不同降雨条件下，河岸坡面的水流功率分析结果如图3所示。图3可知，在54mm/min的条件下，坡面水流功率没有90mm/min降雨强度下大，说明坡面水流单位水流功率随降雨的强度而增大。

图3 不同降雨条件下坡面水流功率分析

4.4 侵蚀产沙率变化特征分析

分析不同坡度以及不同降雨强度下，侵蚀产沙率变化情况如图4所示。图4可知，在整个降雨过程中，90mm/h降雨强度下侵蚀率大于54mm/h降雨强度的侵蚀率，说明坡面的侵蚀率受到降雨强度的影响。降雨强度越大，侵蚀率越高，这是因为在降雨强度增大后，雨水会溅到坡面上，增加土体的冲击能力，加大对河岸表层土的冲蚀力度，从而破坏土体的结构。在高强度降雨后会增加径流量，使河岸表面土的裹挟能力增强，从而增加径流的含沙量。

图4 侵蚀产沙率变化情况分析

5 结语

本文基于大量试验测定了河岸稳定性影响特征数据，基于此对河岸崩塌进行了数值模拟，研究了水力侵蚀及河岸植被对河岸稳定性的影响，这对坡面侵蚀防治具有参考价值。研究得到径流剪切力随植被盖度增大而增加，高强降雨增加径流量，使河岸表面土体裹挟能力增强，从而增加径流含沙量。研究成果精准确定了河岸边坡稳定性的影响因素，可为后续河岸边坡治理带来有效参考，但不同地区实际环境和岸坡条件存在较大差异，还需在规律研究的基础上得出具有普适性的防控值，以便更好服务于相关工程。