相互作用使得河流不断变化和发展。河道变形包括河床垂向冲淤变化及河道横向变形^[1-4]。从冲积河流的造床过程来看，上述变形塑造了河流的不同平面形态及横断面形态，并按不同河型的固有规律不断演变发展^[3]。崩岸是河床演变过程中水流对堤岸冲刷侵蚀发生、发展和积累的突发事件，其主要影响因素包括内因与外因两种^[5-7]。岸坡边界条件是内因，其中包括河弯曲率、河岸土体性质及组成、岸坡高度以及坡度^[8]等；河道的水流动力则是外因，主要有河道内水位变化^[9-10]、岸坡内部的渗流影响^[11]、纵向水流的冲刷作用、弯道环流及回流等。河道发生崩岸后，塌入河道中的岸坡土体使泥沙来量和含沙量在短时间内迅速增加，改变了原河道中来沙条件，进而引起下游河道演变发展^[12]。

因此，岸坡边界条件即岸坡土体的物理特性及岸坡形态也是河流冲积造床作用的产物，决定了其自身的抗冲性和稳定性^[8]，同时水下岸坡的形态直接影响近岸水流结构、近岸河床冲淤及水下岸坡的侵蚀，并进一步影响水上岸坡的稳定性^[13]及崩岸河段或下游河床的变形。从土体性质的角度，目前研究多针对土体结构对崩岸形态的影响。如夏军强等^[14]结合近岸水动力条件计算及土工试验结果，定量分析了二元结构河岸的崩塌机理及其影响因素；岳红艳等^[15]对复合塑料沙组成的二元结构河岸的崩退过程进行了概化试验，并根据试验结果将河岸崩退过程分为5个阶段。部分研究者从岸坡稳定性角度进行分析, 如:Darby等^[16]考虑了影响河岸稳定性的诸多因素，分析了土体坡度及水流冲刷、渗流作用等。宗全利等^[17]提出了上荆江二元结构河岸在不同时期 (枯水期、高水期和退水期) 的崩塌计算模式，分析了不同时期的河岸稳定性并对不同条件下的河岸稳定性进行了计算。还有研究者分析了河岸崩塌和河床的交互作用, 例如：余明辉等^[18]通过弯道水槽试验研究了非黏性土组成岸坡的崩退模式，塌岸淤床交互作用的一般规律及影响岸坡崩退速度的因素。吴松柏等^[19]研究了黏性土与非黏性土组成的岸坡的冲刷崩塌量及其在河床上的淤积量的差异，并分析了岸坡总冲刷崩塌物在河床上的累计淤积率。然而天然情况下，岸坡条件 (即岸坡坡度及岸坡土体组成) 会共同影响岸坡稳定性并进而影响岸坡的崩塌。为此综合考虑不同的岸坡条件对河岸崩塌的发生发展以及与河床交换等方面产生的影响，有助于从机理上分析河岸的稳定性。

本文在归纳总结以往研究成果的基础上，兼顾弯曲和顺直两种典型河型，在弯道水槽中进行试验，研究分析不同岸坡坡度及岸坡土体组成对近岸水流结构、岸坡失稳崩塌模式、崩塌体输移及其与河床交互作用影响，力求进一步研究岸坡条件对河道演变的影响规律。

1 试验方案

试验在180°弯道水槽中进行，其横断面呈矩形，宽1.2 m，深0.5 m，弯道外径3.0 m，内径1.8 m，水槽总长度50.0 m，槽底纵向坡降0.1%，如图 1(a)所示。修建岸坡时采用断面板法并控制同体积模型重量以保证模型均匀性及可重复性，试验选用的两种岸坡形态见图 1(b)。水槽进口处设有电磁流量计控制流量，调节尾门控制水位，断面CS0设为水位控制断面，该断面槽底高程为水位零点。

在弯道凹岸内侧弯顶至其下游顺直过渡段内壁, 采用不同材料修建岸坡以模拟不同的河岸边界条件，首尾用碎石与边壁光滑连接；水槽底部铺白矾石10 cm厚模拟可动河床，方便从颜色上直观地区分塌岸淤床交互影响程度。白矾石中值粒径d₅₀=0.53 mm；岸坡材料1为天然细沙，中值粒径d₅₀=0.44 mm；岸坡材料2为沌口土与天然细沙按质量比1:3均匀混合而成，沌口土取自武汉沌口后官湖区域，为黏土，内聚力c=62.3 kPa，内摩擦角φ=16.3°，均匀混合后垒筑岸坡，测得岸坡材料中值粒径d₅₀=0.34，内聚力c=18.1 kPa，内摩擦角φ=27.6°；岸坡材料3为磴口土，为亚黏土，取自黄河中游宁蒙河段磴口段岸滩，内聚力c=16 kPa，内摩擦角φ=24°。因岸坡材料2与岸坡材料3的关键力学参数内聚力c和内摩擦角φ相近，研究中视为相同的黏性材料。各种试验材料的初始级配及物理力学性质指标见图 2和表 1，其中，n为孔隙率，w为含水率，k为黏性颗粒 (粒径小于0.005 mm) 质量占材料总质量的百分数。

根据岸坡边界条件、流量不同组合成4组试验工况见表 2。4组试验的河床均采用白矾石垒筑；组次1、2岸坡坡度为33°，分别用岸坡材料1、2垒筑；组次3、4岸坡坡度为45°，其中, 组次3用岸坡材料3垒筑，组次4岸坡不可动，即固定岸坡。

试验开始时，关闭尾门，在水槽的下游缓慢注水，当水位控制断面处水位上升到控制值以下1 cm时，停止注水，开始动水试验。每组试验工况施放相应流量，并在整个试验过程中谨慎调节尾门保持水位控制断面处水位为该设定值；在该流量级下进行动水试验2.5 h后，用自动水下地形仪测量时段末水下河床及岸坡形态；放干水槽里的水，用喷漆固定地形，再缓慢注水至该流量级，用ADV监测典型断面的水流结构；为对比分析岸坡及河床变形对水流结构的影响，另用ADV监测初始地形下典型断面的水流结构。

2 试验监测成果及分析 2.1 不同岸坡条件下塌岸淤床形态对比

水流冲刷过程中岸坡破坏是水流淘刷岸坡坡脚、岸坡崩塌及崩塌体淤积坡脚并在河床上输移的反复循环过程^[18]。这一规律对于不同的岸坡条件均适用。图 3为本文的试验结果，非黏性土组成的岸坡在水流的淘刷作用下一般会形成冲刷凹槽，岸坡变陡发生崩塌 (图 3(a))，而黏性土组成的岸坡在水流冲刷作用下，其坡面为内凹的抛物线形状 (图 3(b))。

图 4与5分别表示不同岸坡条件下，各工况岸坡崩退及河床冲淤情况。由图 4可以看出：对于坡度为33°非黏性土组成的岸坡，以CS3断面为例，当上游来流量为30 L/s时，岸坡只受到轻微冲刷，岸坡滑落的少量泥沙一部分淤积在岸坡坡脚河床处，其余都被水流带至下游；上游来流量为40 L/s时，岸坡崩退明显，河床显著淤积。而对于坡度为33°黏性土组成的岸坡，来流量为30、40 L/s时，岸坡未出现明显冲刷，但岸坡坡脚河床明显冲刷，凸岸河床明显淤积；当流量到达80 L/s，岸坡明显崩退，河床冲刷剧烈，因为在较小流量情况下，黏性岸坡坡脚处颗粒难于起动，而非黏性岸坡上泥沙颗粒在较小流量下即可起动，故岸坡崩退较明显。由图 5可以看出：当岸坡坡度为45°时，相同流量下 (如30 L/s) 可动岸坡 (工况3-2) 坡脚河床冲刷量明显小于固定岸坡 (工况4-2) 坡脚河床冲刷量，因为可动岸坡崩塌下的泥沙补充了河床上被水流带走的泥沙，而固定岸坡条件下河床得不到这样的补充。

当岸坡均为黏性土组成但岸坡坡度不同时，在相同的流量下 (如30 L/s)，工况2-1各断面与工况3-2各断面的河床冲淤变化形态基本相似；但在相同断面 (如CS3、CS5断面) 的凹岸河床处，工况2-1中凹岸河床冲刷量小于工况3-2中凹岸河床冲刷量；在凸岸河床处，工况2-1中凸岸河床淤积量大于工况3-2凸岸河床淤积量。这是因为坡度为45°的岸坡在水流冲刷下更易失稳崩塌，崩塌下来的泥沙落在河床上补充了河床上被水流带走的泥沙。

2.2 不同岸坡条件下累计淤积量对比

以水槽弯顶 (圆心角90°处) 为纵向起始面、水下初始断面坡脚为岸坡及河床分界点，统计岸坡冲刷崩塌及河床冲淤累计量。图 6(a)、(d)与图 6(b)、(c)分别统计了CS1~CS11、CS1~CS9断面处岸坡崩塌及河床冲淤累计量，其中，负值数据代表冲刷崩塌量，正值数据代表淤积量。

对于坡度为33°非黏性土组成的岸坡，岸坡在水中表现为冲刷崩塌，河床均表现为淤积，其中弯顶偏下游段 (CS5~CS7) 冲刷淤积作用较强。对于坡度为33°黏性土组成的岸坡，在较小流量下 (30 L/s) 岸坡表现为微淤，河床表现为冲刷，随着流量增大 (40 L/s)，岸坡淤积量减小，河床冲刷量增大，当流量到达80 L/s时，岸坡与河床都显著冲刷。非黏性土组成的岸坡比黏性土组成的岸坡崩塌更加剧烈，岸线后退更加明显，且非黏性岸坡条件下，河床淤积量显著大于黏性岸坡条件下的河床淤积量，因为非黏性土组成的岸坡更易受水流冲刷，坍塌到河床上的泥沙补充了原始河床上被水流带走的泥沙。

当岸坡坡度为45°时，黏性土组成的岸坡在各断面均处于冲刷状态，河床则自上游至下游由冲刷状态逐渐过渡到淤积状态，且由冲刷状态过渡到淤积状态的临界位置随着流量的增大逐渐向下游移动；对于固定岸坡，流量为20 L/s时，CS3断面以后各断面河床均处于冲刷状态，流量增大到30 L/s时，各断面均呈现明显冲刷，冲刷量较前者增大约0.5倍。

当岸坡均为黏性土组成且流量相同条件下 (如工况2-1与3-2)，工况2-1的岸坡冲刷量明显小于工况3-2，工况2-1的河床累计淤积量也明显小于工况3-2，这是因为坡度为45°的岸坡在水流冲刷下更易失稳崩塌，岸坡滑落的泥沙落淤在河床上，补充了河床上被水流带走的泥沙造成的。

2.3 不同岸坡条件下塌岸淤床交互程度对比

塌岸淤床交互作用的程度可通过从岸坡上崩塌下来的土体在河床上的横向输移量、与河床混掺交换的范围及混掺厚度体现^[18]，因此，试验结束后，慢慢放干水槽，在河床上挖槽后用透明网格板观测二者交互作用情况，崩塌体在河床上的输移与交互范围可以从河沙及白矾石颜色上区分，岸坡崩塌及崩塌体与河床交互作用情况见图 7, 冲刷最剧烈处由虚线圈出。

当岸坡发生崩塌后，崩塌体沿岸坡滑落，覆盖在坡脚河床处并深入河床一定距离。最初崩岸体在坡脚附近的淤积是连续的，交界面为近似平行于水流的直线，在顺流方向几乎未发生掺混。当沙波逐渐发展延伸时，两相邻沙波之间露出原始河床。在纵向水流的作用下，沙波的背流面产生的横向环流会携带位于波谷的床沙沿坡面向上运动并淤积在背流面。随着迎流面冲刷背流面淤积，沙波不断向前运动，在此过程中岸坡崩塌泥沙与河床泥沙完成掺混。无论是黏性土组成的岸坡还是非黏性土组成的岸坡，坡脚附近的河床并没有与崩塌土体发生掺混，与原始地形对比，只是厚度有所减小，顶部覆盖一层崩塌土体，掺混主要发生在凸岸河床。这进一步说明了水流冲刷过程中岸坡破坏是水流淘刷岸坡坡脚、岸坡崩塌及崩塌体淤积在坡脚并在河床上输移的反复循环过程。

3 冲刷过程中岸坡条件对崩岸的影响分析 3.1 冲刷过程中水流结构的变化

崩岸与近岸水力侵蚀有紧密联系，近岸水流紊动能是崩岸发生的诱因。定义紊动能K′^[20]为：

$ {{K}^{'}}=\frac{\overline{{{u}^{'}}{{\left( t \right)}^{2}}}+\overline{{{v}^{'}}{{\left( t \right)}^{2}}}+\overline{{{w}^{'}}{{\left( t \right)}^{2}}}}{2} $

(1)

其中, u′(t)、v′(t)、w′(t) 分别为3个方向上的脉动流速。

图 8给出河床冲刷变形前后CS3、CS5、CS7、CS9的无量纲紊动能K′/(U²/2), 其中，U为断面平均流速。

由图 8可见，紊动能最大值一般出现在凹岸坡脚处，且河床变形后坡脚处的紊动能值有所增大。紊动能值较大代表随机扰动作用强，对坡脚的冲刷分解作用强，加速塌岸速率及其与河床的交互作用。通过对比图 8(a)和图 7(b)也可以发现：图 8(a)中紊动能最大值出现的位置 (虚线圆圈所标记)，与图 7(b)中岸坡冲刷崩退最严重的位置基本上是对应的，即随机扰动作用较强的位置，岸坡冲刷也较为剧烈。

3.2 岸坡组成对塌岸淤床交互作用的影响

由图 6可以看出：材料1组成的岸坡及其对应的河床都呈冲刷状态；材料2组成的岸坡则没有明显变化，对应河床受到冲刷，且冲刷量大于材料1组成的岸坡所对应的河床冲刷量，这是由于黏性土存在黏结力，故黏性河岸比非黏性河岸稳定性高，所以在相同水力条件及岸坡形态条件下，黏性河岸的崩塌量较非黏性河岸要少，这将直接导致黏性河岸坡脚处的河床不能得到岸坡崩塌土体的充分补给，因而冲刷明显。

坡度为45°的固定岸坡所对应的河床沿程均呈冲刷状态，而45°可动岸坡所对应的河床则沿程淤积，这是因为固定岸坡所对应的河床不能得到岸坡崩塌物的补给，而可动岸坡发生崩岸后，崩塌物一部分落淤在崩岸断面，一部分被水流携带至下游断面，落淤在当地河床，弥补了当地河床被水流冲刷带走的物质。

3.3 岸坡坡度对塌岸淤床变化的影响

当水流的剪切力大于河岸土体的抗剪力时，位于水流与泥沙交界面上的泥沙颗粒或者黏性颗粒团可被水流淘刷带走，河岸坡度变陡，稳定性降低；当稳定性降低到一定程度后，河岸便会发生滑动或崩塌。余明辉等^[13]对水下位于黏性及非黏性土岸坡上的颗粒进行了受力分析，并对比分析了黏性土及非黏性土组成的岸坡的破坏形式之异同。下面从河岸稳定安全系数角度分析岸坡坡度对塌岸淤床变化的影响。

3.3.1 无黏性河岸稳定性力学分析

定义稳定安全系数K，为抗滑力与滑动力的比值，有^[21]：

$ K=\frac{\tan \ \varphi \left( W\cos \ \alpha-{{F}_{\text{L}}} \right)}{\sqrt{{{\left( W\sin \ \alpha \right)}^{2}}+{{\left( {{F}_{\text{D}}} \right)}^{2}}}} $

(2)

其中, φ为泥沙的水下休止角，α为岸坡倾斜角度。

由式 (2) 可看出：对于非黏性土组成的岸坡，其稳定安全系数随着岸坡倾斜角α的增大而减小，即较陡岸坡更易失稳。

3.3.2 黏性河岸稳定性力学分析

考虑整个滑体力矩平衡，即总抗滑力矩等于总滑动力矩，得到黏性岸坡的稳定安全系数^[21]：

$ K=\frac{\sum{\left( {{W}_{i}}\cos \ {{\alpha }_{i}}\tan \ {{\varphi }_{i}}+{{c}_{i}}{{L}_{i}} \right)}}{\sum{{{W}_{i}}\sin \ {{\alpha }_{i}}}} $

(3)

由式 (3) 可看出：对于黏性土组成的岸坡，其稳定安全系数随着每一块土条的底部滑面倾角α_i的增大而减小，较陡岸坡更易失稳。

3.3.3 岸坡坡度对塌岸淤床规律的影响

如上所述，因为较陡岸坡经水流淘刷后更易失稳，岸坡冲刷崩塌量及崩塌物质在河床上的淤积量也要大于较缓岸坡情况，由图 6也可以看出：材料3组成的岸坡呈冲刷状态，河床呈淤积状态，其冲刷量大于由材料2组成的岸坡的冲刷量，河床淤积量也大于由材料2组成的岸坡所对应河床的淤积量。

4 结论

本文在归纳总结以往试验经验的基础上，针对不同的岸坡边界条件，兼顾弯曲和顺直两种典型河型，在弯道水槽中试验研究不同岸坡边界条件下岸坡崩塌模式，初步探求岸坡崩塌与河床冲淤的交互作用，有以下结论：

1) 岸坡崩塌与近岸水流紊动能密切相关，较高的紊动能会导致坡脚冲刷，分解岸坡崩塌体并加速塌岸淤床的交互作用，加速岸坡崩塌。

2) 在试验给定的岸坡形态及组成条件下，相同水力冲刷过程中非黏性岸坡崩塌量要大于黏性岸坡，且黏性岸坡坡脚处的河床冲刷量明显大于非黏性岸坡坡脚处的河床冲刷量。

3) 在试验给定的岸坡形态及组成条件下，相同水力冲刷过程中较陡岸坡的冲刷量显著大于较缓岸坡的冲刷量，较陡岸坡所对应的河床淤积量也要明显大于较缓岸坡。

由于问题的复杂性的原因，本文的研究仅仅是一个初步的尝试，研究结果只能定性反映岸坡崩塌与河床冲淤的交互影响规律。在影响崩塌体与河床发生混掺交互的诸多水流因素中，除了水流的紊动作用外，横向环流的输移作用也是一个重要因素，该因素有待在今后的研究中加以考虑分析，进一步的研究将结合理论分析并应用于天然实际河流的演变预测。