图2石层钻芯式样
第09期（总第376期）
吉林水利2013年09月
［文章编号］1009-2846(2013)09-0026-05
［收稿日期］2013-07-15
［作者简介］顾召亭（1980-），男，山东临沂人，工程师，现从事水利工程勘察设计工作。
河道水流时刻处于运动状态，岸坡受到的自然应力也是不断发生变化的，岸坡水流、波浪冲刷都会磨蚀岸坡，将泥沙搬运堆积，对河道进行再造。河流动力作用对岸坡的稳定性会造成很大影响[1]。水位变化和冲刷作用有可能会引起岸坡坍塌、滑移等破坏。随着河流冲刷时间的变化，河流岸坡界限会逐渐后退，后退距离和范围由岸坡自身稳定性、土质特征、河流水位以及冲刷力的大小决定[2]。当岸坡发生后退之后，相当于内部应力重新分布，达到新的平衡后，岸坡后退速度将会逐渐放缓或者停止，而被剥蚀的土体通过水流运输作用流到下游、最终又可以沉积固结成为新的河床或岸坡。这个过程称为岸坡的再生过程[3]。目前，在岸坡稳定性分析中的方法相对较多，但是应用较多的主要有佐洛塔廖夫法、卡丘金法、土力学法等[4]。但是这些方法大多数是经验法或是半经验法，其中含有的许多参数是定量参数。岸
坡岩土水文地质条件复杂，河流冲刷作用和水位变动，加上岸坡地质的特征各不相同，对岸坡的稳定性分析就比较困难，许多分析方法忽略了河流动力作用的影响，分析结果不准确。笔者以水动力学为理论支撑，考虑岸坡在水流动力作用、自重应力以及外界附加应力作用下的稳定性能。
1研究区概况
山东某河道岸坡的地貌主要是侵蚀堆积与剥
蚀丘陵区相间的地貌，河流的漫滩地貌相对比较发育，一级阶梯地貌分布在两岸。阶梯上部有堆积物，如图1~图2为河道某段岸坡的取样图。
2
河道岸坡稳定性影响因素
2.1
地质条件
地质条件是影响河道边坡稳定性能的重要内
因之一，岸坡地质形态决定了河道被冲蚀和磨损的速度和程度，岸坡岩土的性质、类型、结构以及形态都是影响河道岸坡稳定性的根本原因[5]。在枯水季节，岸坡大多是上部陡峭下部较缓，从而不易坍塌，在汛期来临时，水面以上岸坡陡直容易破坏。
基于水流动力作用的河道岸坡稳定性能分析
顾召亭
（兰山区水务局，山东
临沂
276000）
［摘要］以水动力学为基础，以山东某河道岸坡为例，采用水动力学-土力学边坡分析方法分析了岸坡在水流动力作用下的变化规律。分析结果表明：不同土质类型的岸坡受到河流冲刷作用的影响程度不同，粒径越大的土质越易受到冲刷，基于水流动力作用的岸坡稳定性分析方法能够更为真实的反映岸坡形态以及稳定性随时间变化的规律。
［关键词］水动力效应；土力学；河道岸坡；稳定性［中图分类号］TV 131.3
［文献标识码］B
图1
各土层取样情况
26--
图4粘性土岸坡稳定性分析模型
图3
水动力作用下的岸坡破坏
2.2流水作用
河道流水主要通过软化作用和悬浮减重作用
以及力学效应对岸坡的稳定和构造产生影响，其中力学效应主要包括静水压力、渗透力以及冲刷力[6]。随着季节变化，河流水位发生变化，水位上升时，在毛细水压力作用下岸坡的浸润线会逐渐升高，岸坡内部土体发生软化，引起强度降低，为岸坡滑移破坏创造了条件。水位下降时，饱和土体的侧向水压力减小，在岸坡内部就会形成渗透压力使之发生剪切破坏。此外，河流的流速以及波浪的掏蚀作用都会对岸坡的结构造成破坏，导致岸坡失稳。
2.3降雨影响
岸坡岩土体含有许多裂隙，降雨过程中，雨水
沿着裂隙渗入内部，使得土的力学强度降低，与此同时，内部的水体产生静水压力作用使得岸坡发生变形破坏[7]。降雨作用会引起地下水的动力作用发生变化，进而形成一个具有承压特性的活跃带，由此会大岸坡的下滑力，雨水作用也会降低岸坡土体的抗剪强度，增大土容量，最终引起岸坡坍塌。
2.4人为活动
人为作用改造岸坡时，如果施工不当就会引
起自稳边坡变形或者失稳，在岸坡附近修建建筑物或者人工堆载货物都有可能引起岸坡失稳。
3
水动力作用原理与模型建立
3.1
动力作用原理
河水动力作用效应主要经历一个冲刷—坍
塌—淤积的过程。位于河道岸坡处的河床，随着水位变化，在风力、重力作用下发生顺着水流方向的流动以及垂直于水流方向的冲击。如图1所示，顺延河道的流动主要通过冲刷将岸坡泥土携至下游，而垂直于河道方向的拍打、撞击主要通过波浪运动实现对岸坡的掏蚀。另外一种动力作用就是水位变化，水位上升和下降过程中，都会引起岸坡土体内部的应力发生变化，土体的抗剪切性能、承载性能变化引起岸坡内应力重分布，最终导致岸坡崩塌或者滑移。
3.2粘性土岸坡模型
粘性土岸坡在冲刷下剪切破坏，结合土力学
边坡稳定性分析理论，建立数学模型模拟河道在
水动力冲刷效应下的变化形态和剪切过程。根据圣维南原理和泥沙运动方程建立动力作用下的河床变形方程[1]。
水流运动方程：
鄣Z 鄣x +n 2Q 2B 2h 10/3+12g ·鄣鄣x （Q 2
A 2
）=0（1）式中：Q 为河流流量；A 与B 为河流过水面积
与河宽度；Z 为断面的平均水位；h 为水深；n 为河道粗糙度；x 为距离；g 为重力加速度。
悬移物质运输方程：
鄣（QS k ）
鄣x
=-w k αk B （S k -S k *）（2）
式中：S k 为河流断面悬移分组含砂量；S k *为分组水流的携沙力度；w k 为k 粒径分组泥沙的沉速；
a k 为k 粒径分组的泥沙恢复饱和系数。
动力作用河床变形方程：
鄣（QS k ）鄣x +鄣A sk
鄣x
ρ′=0（3）
式中：A sk 为k 粒径分子的泥沙中冲淤变形面
积；ρ′为泥沙的干密度。
通过公式（1）~（3）计算出河床被水流冲刷下的切割深度变化值ΔZ ，进而分析岸坡冲蚀拓宽宽度，在用土力学原理分析评价岸坡的稳定性，再假设的动力作用对岸坡施加的水粘滞力为P s ，根据土力学原理建立岸坡稳定性模型如图4所示，然后根据公式（4）计算岸坡稳定性系数。
岸坡
冲刷侵蚀
崩塌体滑动面
水位下降
滑动面
崩塌体
岸坡
O
P s cos φ
P s sin φ
W sin φ
P s W cos φ
W
φ
φ
27--
图6强度指标与稳定性关系曲线
图5
砂性土岸坡稳定性分析模型
K =
（∑P s ·cos φ-∑W ·cos φ）f+cl
∑P s ·sin φ+∑W ·sin φ
（4）
式中：K 为边坡稳定性系数；f 为摩擦力系数；c 为粘聚力，KN ；l 为滑动面长度，m 。
3.3砂性土岸坡模型
对于砂性土岸坡而言，动力水对其侵蚀携带
冲刷作用更为强烈，根据3.2节的公式（1）~（4）计算出河床下切深度后评价岸坡稳定性能。但是，
1990年，金腊华[8]对砂土在水下受到侵蚀冲刷的形
态做了研究发现，河道岸坡在发生崩塌后的坡面角度几乎和受侵蚀前坡脚相近，岸坡坡角和泥沙水下的休止角相同，于是提出，采用砂土的干容重和容重来计算休止角，如图5与公式（5）所示。
sin θ=
1.012（γ′/γs ）1.09
…（γ′/γs ＞25%）562027（γ′/γs ）
10.15
…（γ′/γs ＜25%∑∑∑∑∑∑∑∑∑
）
（5）
4水动力因素参数
河流水动力作用对岸坡的影响是十分复杂的
过程，其受到土质性能、冲刷力大小、冲刷时间长短的影响，岸坡土体和岩层的物理力学性对其稳定性造成的影响各不相同。
4.1物理力学参数指标
滑移型岸坡在水流动力作用下发生破坏作用
受自身土层和岩层物理力学指标的影响，通过室内土工试验，按照土工试验标准得到岸坡的粉土、粉质粘土、砂岩以及泥岩的物理力学性能指标参数如表1和表2所示。
从试验分析结果看，土层和石层的物理力学性能指标均会受到水体的影响。饱和土体的抗剪切性能不及天然含水量条件下的土体，而粉质粘土的粘聚力比粘土大许多。对于岩层性能指标，泥岩和砂岩在
密度上差异性不大，但是在抗压强度和抗剪强度上就存在较大差异，而且受到水体的影响较大，几乎饱和岩石的抗压强度均比天然岩石低，饱和泥岩的抗压强度降幅达到50%左右，而砂岩则为35%左右。
4.2
强度指标与稳定性系数关系
由于岸坡填土的力学性能和物理组成都较为
复杂，粘聚力和内摩擦角对滑动面和稳定性系数变化造成的影响不同。在粘聚力分别为0kPa 、
1kPa 、2kPa 、3kPa 、4kPa 时候，随着内摩擦角的变
化，岸坡稳定性系数呈线性变化，基本关系如图6
所示。
5水动力稳定性评价
由于水动力作用主要对土层稳定性造成影
响，因此对粉质粘土和粘土在水动力下的变化情况进行分析。
5.1
不同土质岸坡后退分析
对于不同土质条件的岸坡，由于土的孔隙比、
颗粒组成、颗粒大小以及运动需要的动力作用大小也不相同，因此，冲刷条件下，不同的时间后退距离也有所不同。如图7所示，粉质粘土和粘土岸坡后退的距离差异很大，土颗粒的粒径越大，则越
土层含水量
/%湿密度/g ·cm -3
天然抗剪强度
饱和抗剪强度
φ
c /KPa φ
c /KPa 粉质粘土25.5 1.9916.2133.6513.0623.24粘土
20.8
1.91
21.18
21.12
17.76
15.42
各土层的物理力学性能指标参数
表1
岩层湿密度
/g ·cm -3软化系数
抗压强度/MPa 抗剪强度
天然
饱和
tan φ
c /KPa 泥岩 2.510.61 5.2 3.10.68 1.08砂岩
2.45
0.56
9.8
6.0
0.78
1.70
各岩层的物理力学性能指标参数
表2
P s cos φ
P s sin φ
W sin φ
P s
W cos φ
W
φφ
φ
Fs
φ°
1.31.21.11.0
0.90.80.70.60.522
23
24
25
26
27
28
29
c =4kPa c =3kPa c =2kPa c =1kPa c =0
28--
容易受到冲刷，粉状土体由于粘结成团，破坏时是块状破坏，受到冲刷较小。
5.2水位变动的影响
水位上升和下降过程都会对岸坡稳定性造成
影响，特别是在水位下降过程中影响最为明显，但是不同的土质类型受到水位变动的影响是不一样，如图8所示，粘性土受到的影响就比粉质粘土大。
从图8曲线变化规律可知，河流水位变动对岸坡的稳定性影响较大，当水位处于相对静止不动状态的时候，不同时刻的水位比降较小，因此，水流对岸坡土体造成的冲刷作用就比较小，水位变动引起的剪切作用就比较小，岸坡后退距离相应就比较小。反之，水位变动相对较大的时候，对岸坡土层造成的冲刷影响就较大，岸坡后退距离就会变大。对比粉质粘土和粘土的岸坡后退情况，水位比降越小，差距越小，水位比降越大，二者的差距就越大。
5.3冲刷动力的影响
充分考虑自重、地表荷载、水流作用、暴雨冲
刷作用的影响。采用水动力学-土力学理论计算方法，分析随着时间的变化，两种土质的岸坡稳定性系数变化情况如图9所示。
如图9所示，随着河流动力冲刷作用时间的增加，岸坡稳定性系数逐渐降低，两种土质岸坡初期稳定性系数相当接近，降低速率较大，随后逐渐变缓，随着时间推移，二者差异变大，对于粘土，冲刷时间超过23天的时候，稳定性系数低于了1.0，已经处于不稳定状态。
6
结语
基于水动力作用的岸坡稳定性分析方法是以
水动力学和土力学理论为基础建立起来的，通过对山西某河道的岸坡情况进行分析。结果表明：考虑水流的动力作用对岸坡的冲刷影响，能够对其稳定性进行更为准确的预测和评估，通过水位比降、土质类型以及动力冲刷时间对岸坡后退距离
和稳定性的影响分析得出的变化规律。考虑水流动力作用的岸坡稳定性分析方法更能真实反映岸坡的实际情况，具有良好的借鉴参考意义。□
参考文献：
[1]肖海波．考虑河流动力条件的图纸库岸塌岸预测方法研究[D]．北京，中国地质大学（北京），2009．
[2]许栋．蜿蜒河流演变动力过程的研究[D]．天津，天津大学建筑工程学院，2008．
[3]徐海珏，白玉川．顺直河流沙纹动力演变过程的非线性理论[J]．中国科学：技术科学，2012，42（5）：603-621．
[4]汤明高，许强，黄润秋．三峡库区典型塌岸模式研究[J]．工程地质学报，2006，14(02)：172~177．
[5]马沛森，张连胜，周文等．黄河下游河流动力地质作用[J]．人民黄河，2011，33（6）：13-14．
[6]周刚，郑丙辉，雷坤．赣江下游水动力数值模拟研究[J]．水力发电学报，2012，31（6）：102-108．
[7]金菊香．干旱地区河流水动力水质模型及水环境容量的研究与应用[D]．天津，天津大学机械工程学院，2011．
[8]金腊华，王南海，傅琼华．长江马湖堤崩岸形态及影响因素的初步分析.泥沙研究[J]．泥沙研究，1998，（2）：67-71．
图7不同土质岸坡后退距离与时间的关系
图8水位比降与岸坡后退距离关系曲线
图9稳定性系数随冲刷时间变化曲线
8
76
543210粉质粘土
粘土
后退距离（m ）
5
10
15
202530
时间（d ）
粉质粘土粘土
1098
76543210后退距离（m ）
0.002
0.004
0.0060.0080.01
比降
1.201.151.101.051.000.950.90
稳定性系数
粉质粘土
粘土
5
10
15
202530
动力冲刷时间（天）29--
（上接第25页）
据，刚性连接时的墙内应力比空接头大一倍左右，软接头墙内应力介于空接头与刚性连接之间，与插入式墙内应力相近，和刚性连接相比，空接头和软接头型式都能改善防渗墙应力[4]。
空接头和软接头型式，其受力状态较硬接头有所改善，但结构型式较为复杂，施工难度大；较刚性普通混凝土防渗墙，塑性混凝土防渗墙墙体应力改善明显，但对于高坝来说，其墙体应力已远超过塑性
混凝土的允许抗压强度，加之塑性混凝土作为永久性建筑物，其防渗性的可靠程度不如刚性混凝土。虽然刚性接头型式防渗墙体的受力状态复杂，墙顶的接触应力及墙体的应力较大，但随着施工技术水平的提高，国内外已建高标号混凝土防渗墙360d龄期抗压强度可以达到50Mpa 以上。
基于以上原因，参考防渗墙的应力应变计算成果，国内如硗碛、狮子坪及瀑布沟等已建工程基础混凝土防渗墙与坝体防渗体连接均采用刚性接头型式。
4结语
插入式连接型式墙体受力状态相对简单，但因为没有检修条件，防渗墙在挡水运行期存在一定的风险，因此防渗墙施工要有较严格的质量保证措施，且墙下基岩帷幕灌浆占直线工期。廊道式连接型式虽在工期上有一定优势，且防渗墙具备检修条件，但防渗墙及廊道本身受力条件复杂，因此，设计应结合坝体应力变形计算成果，必要时通过结构模型试验，从廊道结构体型、受力条件、结构配筋及分缝布置设计等方面均应进行充分论证，特别是廊道在坝轴线方向存在不均匀变形及在顺水流方向受水荷载的作用，廊道在与两岸基岩交界部位设置的结构伸缩缝可能发生较大的错位变形，该部位伸缩缝设置的止水结构应能适应较大的变形。通过上述对插入式和廊道式两种连接型式的简要分析可以看出，两种接头型式各有利弊，设计上应根据工程的具体情况权衡利弊后综合考虑选择。□
参考文献：
[1]林昭．碾压式土石坝设计．郑州：黄河水利出版社，2003.7．
[2]碾压式土石坝设计规范（DL/T5395-2007）．
[3]中国水电顾问集团成都勘测设计研究院．高土石坝关键技术问
题研究——
—混凝土防渗墙墙体材料及接头型式研究专题科研成果总报告．“八五”国家科技攻关项目．
[4]朱俊高等．混凝土防渗墙接头大比尺模型试验与计算．水利学报，1998年第3期．
The analysis of river bank slope stability bad on Hydrodynamic effects
Gu Zhao-ting
Abstract：Bad on hydrodynamics，taking Shandong river bank slope as an example，the effect of slope on the hydrodynamic variation was analyzed with water dynamics-soil mechanics slope analysis method.The results showed that：different types of slopesoil erosion by rivers Effect varying in degrees，the size larger is more eroded；Bad on hydrodynamic effects，slope stability analysi
s method can form a more realisticreflection of slope as well as the stability of the variation with time.
Keywords：hydrodynamic effects；soil mechanics；river bank slope；stability
30
--
