长江荆江段二元结构河岸土体力学性能及崩塌试验

通过连续3 a对荆江崩岸情况进行现场调查、室内土工试验和概化模型试验,分析荆江崩岸特点及规律、河岸上部黏性土的物理及力学性能以及二元结构河岸崩塌过程的特点和影响因素。结果表明:荆江段崩岸分布规律主要表现为下荆江多于上荆江,左岸多于右岸;二元结构河岸崩塌过程可概括为坡脚受冲刷变陡,岸顶裂缝形成发育,岸坡渐进侵蚀,河岸失稳导致崩塌,岸坡形态趋于稳定,进入下一次河岸崩塌循环;黏性土含水率对水位变化的响应速度快于对浸泡时长的响应速度;黏性土的起动切应力为0.531 N/m^(2),影响黏聚力值的临界含水率约为16%,受纵向水流及土体含水率的影响,岸坡在枯水期稳定性较高,在涨水期会产生局部崩岸,洪水期和退水期时坡脚冲刷和崩岸强烈。

荆江段河岸粘性土体抗冲特性试验

粘性土体具有较强的抗冲能力,其抗冲性强弱决定了河岸的侵蚀速率。为了估算河岸的侵蚀速率,确定粘性土体的起动条件、侵蚀系数及两者之间的数量关系非常重要,为此开展了荆江段河岸粘性土体起动条件与冲刷特性的水槽试验研究。根据试验结果获得了粘性土体的起动流速与土体液限/自然含水率之间关系以及起动切应力与干密度、起动切应力与液性指数之间的定量表达式,综合反映了粘性土起动条件与其物理性质指标之间的关系;结合冲刷特性试验结果,还获得了土体侵蚀系数随起动切应力的变化规律,并与已有其他试验结果进行了比较。结果表明:荆江河岸粘性土侵蚀系数均比相同条件下其他公式计算值偏大,这与该试验土体中粘粒含量相对较低、土体结构受到扰动等因素有关;根据试验结果,拟合得到了荆江河岸粘性土侵蚀系数与起动切应力之间定量关系式,其相关系数R2=0.90,故该关系式能为荆江段崩岸过程的计算提供参考依据。

三峡工程蓄水运用以来荆江河段河岸稳定性初步研究

根据实测资料分析了三峡工程蓄水运用以来荆江河段水沙输移变化,河道冲淤变化以及典型险工段近岸坡度变化等,并在此基础上对其河岸稳定性进行了初步研究,结果表明,三峡水库蓄水运用以来,坝下游河段来沙量大幅度减少,荆江河段普遍发生冲刷,部分地段近岸河床的水下岸坡冲刷变陡,河岸稳定出现了不同程度的隐患,局部河段甚至发生了崩岸险情,已影响防洪安全与河势稳定等;建议加强荆江险工段的监测,对已发生的崩岸险情进行及时治理,对以往护岸工程的薄弱地段或可能发生崩岸险情的地段需及时加固守护;建议加强三峡工程运用后荆江河道演变与治理方面的研究。

上荆江典型断面河床纵横向变形过程的概化模拟

针对当前三峡工程运用后坝下游河床的调整特点,将床面冲淤与河岸崩退的计算模块相结合,构建了基于断面尺度的河床纵向及横向变形的概化数学模型。以上荆江荆34断面为研究对象,采用概化模型计算了该断面2006年和2008年水文年的河床纵向与横向变形过程,计算的河床纵向冲刷量、河岸崩退总宽度及崩塌后岸坡形态等结果与实测结果吻合较好。此外还分析了考虑与不考虑床面冲淤2种情况下2006年荆34断面形态调整的计算结果,该断面河床冲刷主要集中在枯水河槽,床面冲刷下切导致河岸高度增大,最大增幅约1.9 m,且考虑河床冲淤后计算的河岸崩退总宽度比不考虑时的计算值偏大20%。表明了近岸床面冲刷下切导致滩槽高差增大,将会加剧崩岸的发生。

干湿交替对长江荆江段典型断面岸滩土体力学性能的影响

河道水位水文年内的动态变化使得河岸土体处于干湿交替的状态。为研究干湿交替对粘性岸滩土体力学性能及河岸稳定性的影响,以长江荆江段8个典型崩岸断面岸滩的粘性土体为研究对象。采用历史资料分析、实地勘察取样、室内土工试验、BSTEM模型模拟相结合的方法,分析了上、下荆江河岸土体组成及力学特性,并且定量研究了干湿交替条件下粘性岸滩土体力学性能的变化;运用BSTEM模型对荆61和北门口断面在2013水文年内的崩岸过程进行了模拟,并分析了干、湿条件下土体抗剪强度指标对河岸稳定性的影响。结果表明:随着土体含水率的增加,粘聚力先增大后减小,而内摩擦角呈指数关系减小,并得出含水率与粘聚力和内摩擦角的定量关系式;2个断面计算崩塌宽度与实际一致,误差分别为1.69%和3.74%;干湿交替情况下安全系数值主要受土体粘聚力值的影响,并分别得到了2个典型断面粘聚力和内摩擦角与安全系数的一元线性关系。这样已知河岸土体含水率时,就可以通过关系式计算得出土体的粘聚力和内摩擦角,从而得出安全系数,判断河岸稳定性。

三峡工程运用后荆江段崩岸过程及特点

为研究近期荆江段崩岸过程及特点,利用实测水下地形图及固定断面资料,分析了三峡工程运用前后该河段平面及断面的形态变化过程。平面形态对比结果表明:2002—2013年荆江段多年平均崩退速率约为15.0 m/a,崩岸总长达42.3 km,左岸占59.2%;下荆江岸线崩长约为上荆江的2.2倍,且石首、调关及荆江门等河湾凸岸一侧受低含沙水流长期冲刷不断崩退,其岸线崩长约占下荆江崩岸总长的35.5%。断面形态对比结果显示:2002—2015年荆江段约有21%断面存在明显的崩岸现象,且近74%的崩岸断面位于下荆江。故近期荆江段崩岸分布规律主要表现为左岸多于右岸,下荆江多于上荆江,且下荆江部分河湾凸岸崩退显著。定量分析了河岸土体组成与分布、来水来沙条件等因素对崩岸过程的影响,发现来水来沙条件的影响占主导地位。建立了上、下荆江典型断面平滩河宽与前期水沙条件之间的经验关系,除工程守护良好的断面外,相关系数均高于0.85,提出的经验公式可较好反映水沙条件变化对平滩河宽调整的影响。

含水率变化对荆江河岸黏性土体力学特性的影响

河岸土体的物理及力学特性是影响崩岸过程的主要因素之一。为研究土体含水率对荆江河岸土体力学特性的影响,于2017年对荆江8个典型崩岸断面进行调查取样,采用实测资料分析、室内土工试验和理论分析相结合的方法,全面地分析了荆江河岸土体组成及力学特性;并结合2016年实测数据定量研究了含水率对荆江河岸黏性土体抗剪强度指标的影响,以及含水率变化对河岸稳定性的影响。结果表明:荆江河岸为上部黏性土、下部非黏性土的二元结构;随含水率的增大,黏聚力先增大后减小,而内摩擦角持续减小;通常黏粒含量越大,其黏聚力峰值越大;含水率与抗剪强度指标存在定量关系;河岸在枯水期稳定性较高,在涨水期较为稳定,在洪水期和退水期稳定性较差。研究结果可供河岸崩岸治理工程技术人员参考。

上荆江河段河岸土体组成分析及岸坡稳定性计算

崩岸是上荆江河段河床演变的一个重要方面。崩岸过程不仅与近岸水流动力作用有关,而且还与河岸土体组成及力学特性密切相关。本文对上荆江4个典型断面的崩岸土体进行了现场取样与室内土工试验,较全面地分析了崩岸土体组成及力学特性。试验结果表明:上荆江河岸为上部黏性土和下部非黏性土组成的二元结构,且在大部分河岸上部黏性土层厚度超过其下部非黏性土层厚度;黏性土层的抗剪强度随含水率变化明显,随含水率增加,黏聚力先增大后减小最后趋于稳定,而内摩擦角呈减小趋势。根据上荆江崩岸发生形式及过程,结合崩岸土体的土工试验结果,综合考虑水流冲刷作用和水位变化等因素,计算了两个典型河岸在枯水期、高水期和退水期的岸坡稳定性,得到了不同水位及不同坡脚横向冲刷距离下河岸稳定的安全系数。计算结果表明:当河岸坡脚冲刷达到一定距离时,高水期安全系数将明显低于枯水期,说明崩岸在汛期比在枯水期更容易发生;退水期安全系数明显低于相同条件下枯水期和高水期;涨水期河岸安全系数随水位升高呈先减小后增大趋势,说明水位变化对河岸稳定性有重要影响。

三峡工程运行后荆江河段坡比的统计特征及稳定坡比确定

以长江中游荆江河段为研究对象,依据2002―2016年的断面地形资料,分析了该河段的崩岸特点;统计了不同年份内沿程各断面的水上坡比和水下坡比值,建立了相应的概率密度函数,以此为基础确定了荆江段的稳定坡比。研究结果表明:1)荆江段左岸坡比大于右岸,且典型崩岸区域的坡比值通常较大;2)上、下荆江段的水下坡比均可以采用对数正态分布函数来描述,相关系数均超过0.95;3)基于建立的概率密度函数,结合崩岸断面的占比,确定了荆江段河岸的水下稳定坡比为0.3,水上稳定坡比为0.5;4)采用2016―2018年的实测地形资料,对提出的稳定坡比进行验证,表明这些统计特征值能较好地对崩岸情况进行判别。