河岸粘土层对畸形河湾演化影响机理研究

The malformed winding bend normally exists in the sandy rivers, it occurs that river water and sediment conditions changed, and riverbed form adjusted sharply, river bend form is restricted by some special boundary condition. Research shows that the river water and sediment, riverbed form and the channel composition all have some impact on the formation of the deformity river bend. The current research on the deformity river bend refers to the first two respects, while the research on the influence of the riverbank soil on the evolution of malformed winding bend is little. In view of the above research situation, the field investigation on the lower Yellow River and lower Weihe River will be carried out, the cohesive soil at the typical section of the deformity river bend will be sampled, and by means of soil test, soil shear strength test and soil scouring and starting test, the shear strength of the riverbank cohesive soil will be analyzed, the quantitative relationship between the anti-scourability and the mechanical properties and the start on the cohesive soil will be established, according to the collapse of the riverbank cohesive soil in the different water erosion conditions, the cover and lateral erosion with the different collapse amount on the riverbank, the influence mechanism of the riverbank cohesive soil on the evolution process of deformity river bend were revealed. This project provides an important theoretical significance and practical value for the study of river bed evolution and river channel regulation.

畸形河湾普遍存在于多沙河流中，它是在河道水沙条件变化后、河床形态发生剧烈调整过程中，河湾形态受到某些特殊边界条件的限制而发生的一种现象，河道来水来沙、河床形态及河道组成对畸形河湾的形成均有影响。现有研究多从河道水沙变化及河床形态变化方面研究畸形河湾的形成，对河岸土体对畸形河湾形成的影响研究涉及较少。本项目拟通过对黄河下游、渭河下游等不同河段发生畸形河湾的典型河道断面处进行粘性土体取样，通过开展土体测试试验、土体抗剪强度试验和土体冲刷起动试验，分析河岸粘性土体的抗剪强度，建立粘性土的抗冲性与其力学特性及与其起动的定量关系，根据不同来水冲刷条件下河岸粘性土体的塌落情况，研究不同塌蚀量对河岸的掩护及横向侧蚀作用，从土力学角度揭示河岸粘性土对畸形河湾演化的影响机理。本项目为研究河床演变及河道治理提供重要的理论意义和工程实践价值。

黄河下游河床存在明显的分层结构。在水流冲刷作用下，不同物质组成河岸对水流冲刷的形态响应不同，甚至频频出现畸形河湾等不利河势。关于畸形河湾的演变过程前人已做了大量的研究，但是均没有系统研究粘性泥沙胶结后的抗冲性能，胶泥层存在对畸形河湾演化的影响机理涉及的更少，而这项研究对黄河这种多沙河流的河势演变及防洪安全意义重大。本研究采用现场调研、资料分析、理论研究和实体模型试验相结合的方法，分析了黄河下游河床物质组成及土体物理力学特性，开展了粘性泥沙起动冲刷试验、二元结构河岸土体阻抗概化水槽模拟试验，探讨了水流冲刷河岸以及河岸阻抗水流冲刷这两者间的博弈关系以及粘土层塌落对河岸坡脚的掩护作用，证实了多元结构河岸土体抗冲性的不同是畸形河湾形成的主要因素之一。取得主要成果如下：.（1）通过粘性土抗剪强度试验证明，在一定含水率范围内粘性土抗剪强度、粘聚力、内摩擦角均随含水率的增大而减小，满足递减的指数关系。.（2）通过粘性土起动冲刷试验证明，粘性土起动方式与散粒体泥沙明显不同，初始起动时以成片或成块的形式起动；随着流速的增大，粘性土逐渐被大块掀起，甚至整体破坏。试验发现，对于中值粒径小于0.01mm的粘性土，在含水率为31%~61%，其起动流速为0.74m/s~1.48m/s，约与粒径为10mm~20mm的粗颗粒泥沙的起动流速相当；对粘性土起动流速、冲刷速率的影响因素进行回归分析，分别建立了粘性泥沙起动流速、冲刷速率公式。.（3）揭示了多元结构河岸土体抵抗水流冲刷的动态物理过程，即：“水流淘刷下部沙土层—上部粘土层出现悬臂—悬臂失稳坍塌—塌落土体部分堆积坡脚”；建立了水流冲刷力与河岸土体抗冲力的计算公式，探讨了不同河岸物质组成条件下水流冲刷与河岸阻抗间的博弈关系；构建了塌落土体对局部坡脚的掩护作用公式，指出当河道边界确定时，掩护力大小主要与崩塌土体厚度和长度呈正相关。.（4）揭示了多元结构河岸土体是形成畸形河湾的一个重要因素。试验表明，胶结后的粘性土（胶泥层）的起动流速比非粘性土大，故在一定水流条件下相比非粘性土，胶泥层的抗冲性更强。如果河岸物质组成分布均一，无胶泥层存在，其抗冲性就较弱，河岸冲刷后退很快；如果河岸物质组成分布不均一，由胶泥层和沙土层互层，主流冲刷河岸过程中受到胶泥嘴的顶冲，转而冲刷抗冲性弱的沙土层，这种情况下主流极易在胶泥层的上首或下首向一侧移动，形成畸形河湾。