理论教育 国外崩岸研究的现状与进展

国外崩岸研究的现状与进展

时间:2023-06-22 理论教育 版权反馈
【摘要】:坍入河道中的土体被水流运往下游,此后继续发生崩岸,周而复始。因土体过重而引起的崩岸取决于土壤性质与河岸的几何形态。奥斯曼等人在研究崩岸的过程中,利用安全系数Fs=FR/FD的大小来判断河岸是否崩坍[28,29]。通过对大量的野外观测资料的研究,认为对多元结构组成的河岸,发生崩岸的模式分别为拉力破坏、悬臂梁破坏和切应力破坏。如此周而复始,造成河岸不断的崩退[37]。

国外崩岸研究的现状与进展

1965年,美国河道稳定工程工作委员会对美国境内冲积河流的研究表明[14],河岸的侵蚀可以以多种形式发生。岸缘坍失及其持续侵蚀最主要的原因是水流冲刷水下坡脚。当泥沙从坡脚移走后,岸坡就变陡直至失稳而造成坍塌。坍入河道中的土体被水流运往下游,此后继续发生崩岸,周而复始。岸坡滑坡是侵蚀的另一种方式,当历时长的洪水造成河岸土壤完全饱和后,若水位紧接着迅速降落,将造成岸坡滑坡。由黏性土壤组成并且不能自由排水的河岸,将会发生崩坍。由于渗漏和风浪或船形波的作用还可能造成小的河岸侵蚀。以上这种对崩岸性质的描述应该说是相当全面的。

20世纪80年代初,美国学者西蒙斯(D.B.Simons)[25]等人认为影响河岸侵蚀的主要因素为水力参数、河床与河岸物质组成的特性等,并提出对于较宽的河道,河岸水流剪切力的最大值约为河底剪切力的0.77倍,而其他各项影响因素之和在最不利的情况下仅为河底剪切力的0.6倍,认为水力参数是最主要的影响因素。1989年,亨普希尔(R.W.Hemphill)等人对各类河道边界剪切应力与河床冲刷之间的关系进行了分析,指出随着河宽的增大,河岸的最大剪切应力与河床最大剪切应力的比值在0.8左右[26]。此外,美国具有丰富经验的工程师与地质学家们认为,在重要岸线侵蚀的全部河流中,90%~99%发生在主汛期,这也说明水力因素在河岸遭到侵蚀以至崩坍过程中起着主导作用。

1982年,格里斯基(E.H.Grissinger) 认为,黏性土质河岸的崩坍不仅与水力要素相关,而且与土体的自身重量有关,它们的相对重要性由河岸自身的特性决定。如在密西西比北部地区,当河槽下切后河岸变高并变陡,易受重力作用失稳而崩坍,在这种情况下重力因素比水力因素对崩岸的影响更为重要[27]

1988年,奥斯曼(A.M.Osman) 和索尼(C.R.Thorne) 等人从河床冲深与河岸侵蚀两个方面进行分析,认为引起崩岸最常见的原因是河岸侧向侵蚀过程使河道宽度增加并使岸坡变陡,或者是河床下切增加河岸高度。河床冲深和河岸侵蚀率又是河岸物质组成、河岸几何形态、河床物质组成及水流特性的函数。因土体过重而引起的崩岸取决于土壤性质与河岸的几何形态。河岸的稳定性随黏结力系数c 和内摩擦角φ 的增大而增大,随土壤的比重、河岸高度、河岸坡角的增大而减小。奥斯曼等人在研究崩岸的过程中,利用安全系数Fs=FR/FD的大小来判断河岸是否崩坍[28,29]。其中,FR表示河岸抗滑力,FD表示水流冲刷动力。

1992年,达比(SE.Darby)等人在奥斯曼等学者研究的基础上,通过增加土体孔隙水重量与静水压力来研究不同土体特性对河岸稳定性的影响,进而分析崩岸的原因,认为崩岸并不一定只局限于河岸侵蚀与坡脚冲深时才发生。其崩岸分析方法与奥斯曼相似,仍然是考虑土体所受阻力与动力的关系,但在影响因素及安全系数的临界值的取值上有所不同。这种崩岸分析方法的实质与奥斯曼一样,实际上也是广义的边坡稳定性问题[30]

1993年,米勒(R.G.Millar)等人在张海燕(H.H.Chang) 等学者建立的砂砾石河流的河岸稳定性模型基础上,认为河岸泥沙压实、与细砂掺混及与底部大量的泥沙黏结都会增加河岸的稳定,提出河岸泥沙的中值粒径D50bank和摩擦休止角φ′是河岸稳定性分析的关键参数,并着重分析了河岸的植被情况与摩擦休止角φ′之间的关系[31]

1995年,哈格提(D.J.Hargerty)等人通过总结前人关于俄亥俄河的研究,认为崩岸和岸蚀的范围受航道水位持续性的影响,并且河岸崩坍基本上发生在临近或在控制航道水位以上的地方[32]。(www.daowen.com)

1995 年,哈格提(D.J Hagerty)、斯波若(M.F.Spoor) 和肯尼迪(J.F.Kennedy)等人认为水流冲刷造成河岸的侵蚀甚至崩坍并不能解释所有的崩岸现象,在冲积河流中影响崩岸的力学原因非常复杂。通过对大量的野外观测资料的研究,认为对多元结构组成的河岸,发生崩岸的模式分别为拉力破坏、悬臂梁破坏和切应力破坏。发生以上破坏的原因主要是:①河岸由多元结构组成;②河流中的水位与地下水位经常不一致,引起渗漏与管涌,在水位差较大的情况下,这种现象更为严重;③渗漏和管涌均可带走泥沙,使其垫层变薄,上层土体失去或减小支撑力,从而引发崩岸[33]

1997年,据尤德威(P.O Youdeowei)的研究表明,尼日利亚(Nigeria) 的尼日尔三角洲地区河口的崩岸主要是由于洪水期水流流速很大,冲刷河床造成的[34]

1998年,美国土木工程协会通过研究河宽调整模型,认为黏性与非黏性河岸的坍塌机理有着明显的区别,黏性河岸比非黏性河岸的稳定性要高一些。对于黏性层较厚的河岸,一些受到扰动的土块,由于黏结力的存在使一些未受扰动的河岸泥土一同沿滑动曲面滑入河槽,破坏滑动面一般位于河岸较深处;对于非黏性层较厚的河岸,由于泥沙的输移或沿浅的滑动曲面抗剪失效而坍塌,因此破坏临界面一般位于河岸较浅处[35]

日本学者福岗捷二曾在日本新川河道的河漫滩上,通过采用挖沟方法对二元结构河岸的崩坍过程进行了冲刷试验研究,认为二元结构河岸的崩坍过程分为三个阶段:首先水流对河岸下部非黏性土层进行掏刷,然后上部悬空的黏性土层发生崩坍,最后崩坍下来的土块被水流冲散而带走[36]

2000年,永田等人提出了一种数值分析的方法,通过建立非平衡输沙数学模型来研究平面上崩岸岸线的变化速率及河床变形的过程。同时这个模型也被用来研究交错浅滩对河岸侵蚀的影响。该模型能够计算河岸侵蚀量的纵向分布。对于无黏性组成的河岸,其侵蚀过程常常是:首先近岸的河床遭到冲刷,接着受侵蚀的河岸失稳而坍塌,然后坍塌的泥沙淤积在河岸坡脚处,最后水流将淤积的泥沙带走。如此周而复始,造成河岸不断的崩退[37]

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