石首彎道河床演變對護(hù)岸工程穩(wěn)定性影響

徐 芳，張云天，岳紅艷

(1.重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶400074;2.武漢市水務(wù)局，湖北武漢430014;3.長江科學(xué)院河流所，湖北武漢430010)

0 引言

在20世紀(jì)50年代以前，長江中下游沿江兩岸實(shí)施的護(hù)岸工程是十分有限的，河道兩岸基本處于自然狀態(tài)，崩岸時有發(fā)生。1950年以后，我國實(shí)施了規(guī)模宏大的護(hù)岸工程，特別是在荊江河段，在歷年抗洪和維護(hù)河勢穩(wěn)定中發(fā)揮了重要作用，并成為長江防洪工程體系的組成部分和河勢控制規(guī)劃中的重要工程措施。

護(hù)岸工程屬于典型的動態(tài)工程，存在一定的安全運(yùn)行年限。一般情況下，護(hù)岸工程的調(diào)整是需要經(jīng)歷一定的水文過程。在此期間，護(hù)岸工程出現(xiàn)破損若得不到及時加固，嚴(yán)重情況下會使已建護(hù)岸工程失效，起不到穩(wěn)定河岸的作用。在對護(hù)岸工程進(jìn)行加固前需要了解其破壞或失效的原因，這樣可提高針對性并保證加固效果。

1975年以來，國內(nèi)外許多學(xué)者和工程技術(shù)人員對河岸崩塌的成因及機(jī)理進(jìn)行了研究［1-10］。有的從河岸土體物理力學(xué)性質(zhì)出發(fā)進(jìn)行理論分析［7-8］;有的從河岸穩(wěn)定性分析出發(fā)，建立了河岸數(shù)學(xué)模型［9］;有的從水流動力條件出發(fā)進(jìn)行了研究［9］。而從河床演變對已有護(hù)岸工程穩(wěn)定性的影響研究相對較少。筆者重點(diǎn)研究石首彎道近期河床演變特性及其對已有護(hù)岸工程穩(wěn)定性的影響。

石首河段(圖1)屬于順直放寬河道，由順直過渡段和急彎段組成。自古長堤而下河道逐漸變寬，并在放寬段生成倒口窯心灘。由于洲灘土質(zhì)不耐沖，心灘呈現(xiàn)周期性的沖淤變化，河道演變復(fù)雜。

圖1 石首河段近期河勢及護(hù)岸工程平面布置Fig.1 Layout of recent river regime and revetment work in Shishou reach

石首河段北岸為荊江大堤，南岸為荊南干堤。堤外河漫灘灘面高程介于35.5～37.5 m之間。本河段南岸大部分地段和北岸向家洲附近河漫灘寬度達(dá)1～2 km，其它地段僅100 m左右，有的局部地段甚至只有10～20 m寬。受江水和地貌條件影響，本河段河床主要為中細(xì)沙層。

1 三峽水庫蓄水運(yùn)用后石首河段徑流量和輸沙量情況

石首河段的水流和泥沙主要來自宜昌以上的干流和支流，同時還受藕池口分流的影響。

根據(jù)表1統(tǒng)計的沙市和監(jiān)利站兩個水文站資料，2003—2009年兩站的年均徑流量較2002年前平均值變化較小。三峽蓄水后，汛期洪峰削減，中水持續(xù)時間延長，枯水期流量增加，大量推移質(zhì)以及懸移質(zhì)中較粗部分?jǐn)r在庫內(nèi)，排往庫外的則主要是懸移質(zhì)中的較細(xì)部分，加上近年來長江上游雨區(qū)分布變化、上游地區(qū)實(shí)施的水土保持、退耕還林和建壩攔沙等措施使產(chǎn)沙減少，因此2003—2009年沙市和監(jiān)利站年均輸沙量卻減少很多，兩站分別減少81%和74%。下泄水流挾沙將長期處于次飽和狀態(tài)，其攜沙能力較2002年前平均情況大，必將引起河床沿程沖刷。

根據(jù)表2有關(guān)資料，自然情況下藕池口分流分沙量呈逐年遞減趨勢，1967年以來，下荊江系統(tǒng)裁彎工程后的溯源沖刷和葛洲壩水利樞紐蓄水運(yùn)用(1981年6月)后的河床沿程沖刷，加速了分流分沙比遞減趨勢。其中20世紀(jì)六七十年代，受下荊江系統(tǒng)裁彎工程的影響，藕池口分流分沙比減小的速度增快。但自1981年以后，藕池口的分流分沙比的減小趨勢變緩，1956—2002年藕池口分流分沙比多年平均值分別為7.3%，11.3%。自2003年三峽工程蓄水運(yùn)用后，除2006年為特殊的枯水年，藕池口分流分沙比減小幅度較大外，2003—2009年間其它年份內(nèi)藕池口分流分沙比無明顯單向變化趨勢，藕池口平均分流分沙比分別為2.6%，5.7%，較1956—2002年多年平均值分別減小4.7%，5.6%。

表1 沙市站和監(jiān)利站年均徑流量與輸沙量Table 1 Average annual discharge of flow and sediment transportation of Shashi and Jianli station

表2 藕池口多年平均分流分沙比Table 2 Ouchikou average annual ratio of diversion of flow and sediment

2 已有護(hù)岸工程和整治規(guī)劃情況

2.1 已有護(hù)岸工程

石首河段護(hù)岸工程總長度為17.32 km。1998年后先后實(shí)施茅林口—古長堤、向家洲、送江碼頭、北門口和魚尾洲等5處護(hù)岸工程;1999—2002年，石首河段護(hù)岸工程納入長江重要堤防隱蔽工程項目，護(hù)岸工程總長為17.32 km。其中左岸有茅林口—古長堤段(護(hù)岸工程長5 800 m，其中新護(hù)4 800 m，加固1 000 m;樁號:28+000～35+000)、向家洲段(護(hù)岸工程長2 000 m，其中新護(hù)1 740 m，加固1 400 m;樁號:24+000 ～26+000)、魚尾洲段(護(hù)岸工程長2 920 m，其中新護(hù)920 m，加固2 000 m;樁號:3+780 ～4+700，4+700 ～5+700，5+700 ～6+800，6+300～6+700)，右岸有送江碼頭段(護(hù)岸工程長3 600 m，為新護(hù)工程;樁號S 0+000～3+600)和北門口段(護(hù)岸工程長3 000 m，其中新護(hù)1 600 m，加固1 400 m;樁號:S 6+000～S 9+000)，工程共分4期完成。

石首河段的護(hù)岸工程對于保持岸線和河勢的穩(wěn)定起到了重要的作用。

2.2 整治規(guī)劃情況

目前，石首河彎是左汊為主汊的河道格局，與水利部1998年批準(zhǔn)《長江中下游干流河道治理規(guī)劃報告》提出的以右汊為主汊的發(fā)展方向不相適應(yīng)。需針對石首河彎河道演變新情況，統(tǒng)籌兼顧防洪、航運(yùn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的關(guān)系，深入研究最后確定該河段的河勢控制方案。

3 近期河道演變特性及其對已有護(hù)岸工程穩(wěn)定性的影響

3.1 深泓線變化特點(diǎn)及其對已有護(hù)岸工程穩(wěn)定性的影響

由圖2可看出，1998年以來新廠至茅林口段主流貼左岸下行，首先深泓線在陀陽樹附近從左岸過渡到右岸的天星洲，下行后又在古長堤附近過渡到左岸。隨著上游水沙條件和河勢的變化主流頂沖點(diǎn)在過渡段呈現(xiàn)上提或下移。1998—2002年魚尾洲—北碾子灣段隨著北門口岸線的崩退，頂沖點(diǎn)大幅度下移，2002—2009年該段深泓線較穩(wěn)定。

圖2 新廠—調(diào)關(guān)段深泓線近期變化Fig.2 Recent change of thalweg from Xinchang to Tiaoguan reach

由圖1和圖2可知，深泓線平面位置的變化即主流線的擺動和主流頂沖點(diǎn)的上提或下移對于已有護(hù)岸工程的穩(wěn)定性將產(chǎn)生一定的影響。在主流長期貼岸段，由于水流頂沖作用將易引起崩岸，故在相應(yīng)位置均實(shí)施有護(hù)岸工程，且需經(jīng)常進(jìn)行加固守護(hù)，如，茅林口—合作垸一帶部分深泓線近岸段。當(dāng)上游河勢發(fā)生變化后，主流頂沖點(diǎn)發(fā)生較大幅度的上提或下移時，原有護(hù)岸工程部分可能失效，為防止新的深泓近岸段崩塌而需增加布置新的護(hù)岸段，如，魚尾洲—北碾子灣一帶隨著深泓線的逐年下移，護(hù)岸段位置也在相應(yīng)發(fā)生著調(diào)整［11］。

3.2 主要洲灘變化特點(diǎn)及其對已有護(hù)岸工程穩(wěn)定性的影響

3.2.1 陀陽樹邊灘

陀陽樹邊灘自1998年以來逐步長大并向下游移動，2004年陀陽樹邊灘23 m高程等高線邊灘較小，2006年23 m等高線邊灘逐漸增大，2009年23 m等高線邊灘繼續(xù)增大，邊灘下移至古長堤附近。

3.2.2 倒口窯心灘

1998年，25 m等高線新生灘和倒口窯心灘連為一體而成為大的新生灘，2000年該新生灘沖刷后退，在原新生灘頭部以上區(qū)域泥沙淤積，形成新的倒口窯心灘，其與新生灘之間形成新的槽口。2002年倒口窯心灘與新生灘連為一體，2004年受水流作用在新生灘頭部淺灘形成倒套，2006年該倒套被沖穿而重新生成倒口窯心灘，至2009年其進(jìn)一步淤長變大。

3.2.3 天星洲洲體

天星洲洲體位于藕池口門附近。20世紀(jì)90年代后天星洲心灘不斷下移，逐漸與天星洲連為一體，洲體位置基本穩(wěn)定。但洲頭逐年后退，洲體左緣呈現(xiàn)崩退的趨勢。其中2002—2009年心灘累積有所淤長擴(kuò)大。

3.2.4 石首彎道新生灘

石首彎道新生灘的沖淤變化受上游來水來沙條件和主流擺動的影響。1998—2002年石首彎道新生灘右移明顯，但2002—2009年該新生灘變化較小。1998—2009年灘頂高程變化也較小。目前該新生灘和倒口窯心灘將石首河彎形成目前三汊分流的局面。

由于洲灘的沖淤變化對主流線的擺動起著一定的控制作用，相應(yīng)對護(hù)岸工程的穩(wěn)定性也將產(chǎn)生一定的影響，因此河道洲灘的沖淤變化對于已有護(hù)岸工程的穩(wěn)定也將起著一定的影響。如，2002—2008年隨著倒口窯25 m高程心灘的淤長左移，倒口窯左槽的水流貼岸沖刷加大，導(dǎo)致合作垸附近24+900～27+250一帶近幾年已護(hù)工程或河道岸線崩塌較多而進(jìn)行了相應(yīng)的加固或新護(hù)。

3.2.5 近岸局部沖刷坑變化

1)北門口－10 m沖刷坑

實(shí)測水下地形分析表明，2004年0 m沖刷坑面積變化不大，但沖刷坑位置下延，－10 m沖刷坑消失，2006年0 m沖刷坑面積有所減小，－10 m沖刷坑又出現(xiàn)，2009年1月0 m和－10 m沖刷坑面積均有所增加，最深點(diǎn)高程沖深至－13.7 m。

2)魚尾洲—北碾子灣

魚尾洲—北碾子灣段－10 m深槽1998—2006年位置上提下移交替變化，累積下移幅度較大。2006—2009年該深槽槽首繼續(xù)下移約1 700 m。

由于洲灘的沖淤變化和局部沖刷坑的演變對主流線的擺動起著一定的控制作用，相應(yīng)對護(hù)岸工程的穩(wěn)定性也將產(chǎn)生一定的影響，因此河道洲灘的沖淤變化和局部沖刷坑的演變對于已有護(hù)岸工程的穩(wěn)定也將起著一定的影響。如2002—2008年隨著倒口窯25 m高程心灘的淤長左移，倒口窯左槽的水流貼岸沖刷加大，導(dǎo)致合作垸附近24+900～27+250一帶近幾年已護(hù)工程或河道岸線崩塌較多而進(jìn)行了相應(yīng)的加固或新護(hù);北門口－10 m局部沖刷坑近期向下游沖刷發(fā)展對于樁號9+000段附近已護(hù)岸段2004—2008年的穩(wěn)定也產(chǎn)生了一定的影響，有局部崩塌現(xiàn)象;北碾子灣段－10 m深槽一直均存在，近期受沖刷向下游有所延長，由于該處為凹岸同時受主流頂沖作用明顯，局部已護(hù)岸段有崩塌現(xiàn)象。

3.3 河床演變趨勢預(yù)估

近期石首河段河床演變主要表現(xiàn)為河床沖淤變化劇烈，藕池口段主支汊周期性變化，該段將在一定時期內(nèi)保持左汊為主汊，預(yù)計今后本河段的演變特性和河勢不會發(fā)生重大變化，但局部河段河床和洲灘仍存在沖淤交替變化。

4 結(jié)語

1)三峽工程2003年蓄水運(yùn)用以來，石首河段沖刷較為劇烈，河道演變過程中對已有護(hù)岸工程的穩(wěn)定性起著一定的影響，主要表現(xiàn)為主流線的擺動和主流頂沖點(diǎn)的上提或下移使水流對已護(hù)岸線的沖刷作用產(chǎn)生了影響，從而影響部分已護(hù)工程的穩(wěn)定性。同時，由于洲灘和近岸局部沖刷坑的沖淤變化對主流線的擺動起著一定的控制作用，相應(yīng)對部分護(hù)岸工程的穩(wěn)定性也產(chǎn)生了一定的不利影響。

2)針對三峽工程蓄水運(yùn)用后沖刷條件下石首河段可能出現(xiàn)的問題，應(yīng)及時修訂長江中下游干流河道治理規(guī)劃中的相關(guān)內(nèi)容，并繼續(xù)付諸實(shí)施。同時為確保河勢穩(wěn)定和防洪工程安全，建議繼續(xù)加強(qiáng)原型觀測和演變分析研究工作，以便及時加固已有護(hù)岸工程。

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