黏性河岸塌岸泥沙输移过程实验研究

段国胜,舒安平,陈浩,周星

(北京师范大学，北京　100875)

【摘　要】　河岸崩塌是河流泥沙的一个主要来源，河道泥沙量增加会改变河道原有的水沙条件，进而影响河床冲淤及河道演变过程。本文采用黄河上游磴口河岸原型沙，通过概化水槽试验，模拟了不同岸坡条件下河岸崩塌过程、崩塌体泥沙输移转化过程，并从量的角度上计算了不同岸坡条件下崩塌量、崩塌体起动量、淤积量及起动量中的推悬比。可以看出：在相同条件下，河岸崩塌量和崩塌速率随河岸坡度增大而增大；崩塌体进入河道后在水流作用下，绝大部分起动，起动粒径范围为5.98～9.25μm，起动量占崩塌总量的89.85%～93.6%，其中推悬比为9.23%～11.23%。研究成果为进一步研究黏性河岸塌岸淤床交互作用过程奠定了良好的基础。

【关键词】　塌岸;泥沙输移;崩塌起动量;推悬比

基金项目：国家自然科学基金项目(11372048);国家重点基础发展计划项目(2011CB403304)。

作者简介：段国胜(1985—　)，男，河南郑州人，博士，主要从事河流动力学方面研究。

E-mail:345423702@qq.com

1　研究背景

河岸崩塌普遍存在于世界的大多河流，河岸崩塌不仅破坏农田、威胁堤防，强度大的河岸崩塌往往还会酿成重大险情，严重威胁沿岸人民的生命财产安全。塌岸泥沙还是河流泥沙的一个主要来源。河岸崩塌的泥沙进入到河道中以后，会迅速增加河道含沙量，影响下游河床冲淤及河道演变过程。

河岸崩塌与河床冲淤交互作用过程复杂且影响因素众多，现有研究成果多侧重于以下几个方面：

(1)河岸崩塌类型、模式及机理的研究，例如，舒安平[1]等根据河岸土体性质、崩塌面形状对黄河上游沙漠宽谷段崩塌类型进行了系统归类；张幸农[2]等详细论述了长江崩塌类型；王延贵[3]采用力学平衡分析法探讨了河岸崩塌的类型及模式；Osman[4]等通过力学分析建立了河岸平面崩塌模式；Darby[5]等在Osman模型的基础上增加了孔隙水压力及静水压力，并取消了之前研究中崩塌面必过坡脚的限制。

(2)河岸崩塌量计算。Simon[6]等提出了BSTEM模型，该模拟可根据河岸物质组成、几何形态、坡脚参数等估算河岸崩塌量，但未涉及崩塌体泥沙的输移转化。

(3)塌岸淤床过程，这方面的研究成果还较少，且大多未涉及河岸泥沙转化为河道泥沙的具体比例，例如：夏军强[7]等在Osman模型基础上，结合平面二维水沙模型模拟了黄河下游展宽河道的河道演变过程；Sahoo[8]等以Jordan Greek河为研究背景，试图结合动态流域仿真模型和岸坡侵蚀模型模拟河岸侵蚀量对下游冲积型河道冲淤变化的贡献值；肖毅[9]等建立了考虑河岸植被影响及变形的数学模型用于模拟河流形态的变化；余明辉[10]等通过水槽试验研究了水力冲刷作用下的岸坡坍塌模式以及与河床冲淤的交互影响过程，初步探求了塌岸与河床冲淤的耦合驱动机理。

鉴于问题的复杂性，本文采用黄河上游磴口河段原型沙，针对不同的河岸坡度及粒径组成，通过概化水槽模拟试验，旨在从量的角度探求河岸泥沙向河道泥沙的转化过程。

2　河岸崩塌模拟试验概况

2.1　试验装置

试验在长25m、宽0.8m、深0.8m的多功能水槽中进行，由蓄水库、水槽、尾门等构成循环系统，见图1。通过变频泵、自动尾门系统进行来流流量和水位的调节；利用自动水位系统、旋桨流速仪、比重瓶等进行水位、流速及含沙量的测量。

模型试验岸坡布置在水槽的右岸，分断面逐级制作，铺设长度3m。并在前后两端铺设大颗粒砾石，长度为0.5m，以避免头尾岸坡的涡流淘刷。铺设段沿程均匀布置6个流速监测断面，每个断面上横向布置4条垂直测线，每条测线根据水深确定纵向的测点个数，塌岸模型见图2。

2.2　试验条件

试验用沙来源于河中上游宁蒙河段磴口河岸，湿容重为1790kg/m3，颗粒级配见图3，粒径范围为0.0016～0.3520mm，中值粒径为0.034mm。在实验室对沙样进行剪切试验，得到沙样抗剪强度随法向应力变化见图4，进而求得内摩擦角为32.4°。根据塌岸形成原理，进行了不同岸坡及流量下的模拟试验，具体参数见表1。

2.3　试验方法

每组试验开始前分别对岸坡上监测断面处进行土体采样以获得容重、含水率、级配等参数指标；在水槽一侧架设摄像机，对岸坡崩塌过程进行全程记录；为了避免试验放水初始阶段剧烈的水位变化带来的坡脚冲刷，在放水前先关闭尾门，从水槽的下游注水，当水位缓缓上升到设计水位时停止注水，并对岸坡土体进行浸泡；当土体饱和时，按照设计流量放水，同时将尾门开启到设计开度，并开始计时。

试验开始后，开启水槽控制室水位监测装置，对水位进行实时监测并打开摄像机，开始记录崩塌过程；定时在监测断面和尾门处采样，以测量该处的水流含沙量，同时利用旋桨流速仪对不同监测断面进行流速测量。

待冲刷结束后，停止放水，对崩塌后河岸剩余地形进行分段测量。

3　塌岸泥沙输移转化过程

黏性河岸崩塌过程主要由两部分组成：①水流冲刷侵蚀河岸坡脚；②河岸上部土体失稳崩塌。崩塌体进入到河道中后，一部分淤积在坡脚，其余部分在水流作用下起动并以推移质、悬移质形式向下游输移。为了研究塌岸泥沙在河道中的输移过程，从量的角度对各部分进行计算分析，包括河岸崩塌总量、崩塌体淤积量、崩塌体起动量，并针对起动量进行推悬比计算分析。

3.1　塌岸泥沙总量

为了计算实验过程中的河岸崩塌总量，试验结束后对剩余地形进行测量，不同试验条件下典型断面(距铺设段前段1m处)试验前后地形见图5。利用网格法计算河岸崩塌量及崩塌速率，见表2。

75°岸坡条件下河岸平均崩塌速率约为60°岸坡条件下崩塌速率的2倍，增幅极为明显，而45°～60°及75°～90°岸坡平均崩塌速率增幅较小，说明在该试验条件下河岸崩塌面角度应介于60°～75°之间。

为了研究塌岸泥沙对含沙量的影响，试验过程中在水槽尾门处测定含沙量如图6所示。结合表2可以看出，尾门含沙量的突变是由河岸崩塌所致，且突变的时刻滞后于河岸崩塌开始时刻，含沙量的大小与河岸坡度呈正相关。

3.2　塌岸泥沙起动量

塌岸泥沙进入到河道中后，受水流影响有部分泥沙将参与到河道水沙运动中。这期间主要涉及泥沙起动条件。试验用土粒径范围为0.0016～0.3520mm，为典型的黏性颗粒，根据试验流速、水深等条件，利用窦国仁黏性颗粒起动流速公式[11]计算出起动粒径，在此基础上根据土体颗粒级配推求出起动泥沙所占总崩塌量的百分比，见表3。

式中：Ha=10mH2O[1]，以水柱高表示的大气压力；δο=3.0×10-8cm，γs=1790kg/m3;γ=1000kg/m3;g=9.8m/s2。

表3中起动粒径表示大于该粒径的泥沙颗粒起动。从表3中可以看出，在试验水流条件下，起动粒径范围为5.98～9.25μm，与流速成负相关，这是由于黏性泥沙最小起动流速对应的泥沙粒径在0.32mm左右，而模型试验所用沙样粒径范围小于该粒径。低于该粒径的泥沙由于颗粒间黏性作用力大于水流剪切力，故在坡脚淤积，约占崩塌量的6.40%～10.15%；大于该粒径的泥沙水流剪切力克服了颗粒间黏性作用力，该部分泥沙起动，约占崩塌量的89.85%～93.60%。

3.3　起动泥沙推悬比

由于影响因素较多，塌岸后起动部分泥沙转化为推移质和悬移质的过程十分复杂。一般而言，当泥沙沉速小于水流的向上脉动分速时，该部分泥沙作为悬移质向下游输移；当泥沙沉速大于水流的向上脉动分速时，该部分泥沙作为推移向下游输移。

根据崩塌量及起动百分比，计算出崩塌后起动量；再根据尾门处含沙量、崩塌时间、流量得出悬移质输沙量，进而推求出起动部分泥沙在河道输移过程中转化为推移质和悬移质的比，其比值为9.23%～11.23%，见表4。

4　结论

本文通过水槽试验模拟了黄河上游河岸崩塌过程，详细论述了塌岸泥沙向河道泥沙的转化过程，并在此基础上从量的角度分析计算了河岸崩塌量及其在不同水流条件下的淤积量、起动量；针对起动部分在河道中的运移，进一步从推悬比的角度进行了分析研究。

(1)崩塌体进入到河道中后，一部分淤积在坡脚，其余部分在水流作用下起动并以推移质、悬移质形式向下游输移。

(2)试验用沙为黄河磴口段岸边原型沙，崩塌体起动粒径范围为5.98～9.25μm，起动量占崩塌总量的89.85%～93.60%，其中悬移质与推移质的比值为9.23%～11.23%。塌岸泥沙中绝大部分在水流作用下以悬移质形式向下游输移，少部分以推移质形式运动。

(3)本文通过概化模拟试验从量的角度初步探索了不同坡度河岸泥沙转化为河道泥沙的基本过程，鉴于塌岸泥沙淤床交互作用过程复杂且机理尚不明确，加之试验条件所限，因此还需细化试验条件并和现场结合，进一步细化研究。

参考文献：

[1]　舒安平,高静,李芳华.黄河上游沙漠宽谷河段塌岸引起河道横向变化特征[J].水科学进展,2014,25(1):77-82.

[2]　张幸农,蒋传丰,陈长英,等.江河崩岸的类型与特征[J].水利水电科技进展,2008,28(5):66-70.

[3]　王延贵,匡尚富.河岸崩塌类型与崩塌模式的研究[J].泥沙研究,2014(1):13-20.

[4]　OSMAN A M,THORNE C R.Riverbank Stability Analysis.I:Theory[J].Journal of Hydraulic Engineering,1988,114(2):134-150.

[5]　DARBY S E,THORNE C R.Development and Testing of Riverbank-Stability Analysis[J].Journal of Hydraulic Engineering,1996,122(8):443-454.

[6]　SIMON A,CURINI A,DARBY S E,et al.Bank and near-bank processes in an incised channel[J].Geomorphology,2000,35(3-4):193-217.

[7]　夏军强,王光谦,吴保生.黄河下游河床纵向与横向变形的数值模拟——Ⅱ二维混合模型的应用[J].水科学进展,2003,14(4):396-400.

[8]　SAHOO D,MISRA D,BORAH D K,et al.Stream Bank Erosion Contributions to Sediment Loads in Jordan Creek,Alaska:DWSM-BE Based Assessment[C]∥ International Symposium on Erosion and Landscape Evolution,2011.

[9]　肖毅,邵学军,周刚,等.考虑河岸植被影响及变形的河流形态数值模拟研究[J].水力发电学报,2012,31(6):149-153.

[10]　余明辉,申康,吴松柏,等.水力冲刷过程中塌岸淤床交互影响试验[J].水科学进展,2013,24(5):675-682.

[11]　钱宁，万兆惠.泥沙运动力学[M].北京：科学出版社,1983：265-268.

An Experimental Study of Collapse Sediment Transport Process for Cohesive River Bank

DUAN Guosheng,SHU Anping,CHEN Hao,ZHOU Xing

(Beijing Normal University,School of Environment,Beijing　100875)

Abstract:River bank collapse is a major source of river sediment and increased sediment volume in the river will change the original water and sediment conditions,thus affect the riverbed erosion and siltation and river process.The experiment simulates river bank collapse under different bank conditions,collapse and sediment transport and transformation process using the Yellow River upstream Dengkou riparian prototype sediment,through the generalized sink test.The quantity of bank collapse,amount of sediment incipient motion,deposition volume and the bed suspend ratio load under different bank conditions are calculated.The experiment results reveal that the rate of bank collapse increases with the river bank slope increases.The ratio of sediment incipient motion is 89.85%-93.6%,and the partical size range is 5.98-9.25μm.The bed suspend ratio is about 9.23%-11.23%.The results provide a theoretical basis for further study on the interaction between bank collapse and sediment transport.

Key words:Bank Collapse;Sediment Transport;Amount of Sediment Incipient Motion;Bed Suspend Ratio

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[1]mH2O(米水柱)为废除的压力单位，1mH2O=9.8kPa，全书下同——编辑注。