長江中下游崩岸預(yù)測(cè)若干問題的探討

(1.長江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 江河整治公司，湖北 武漢 430010；2.湖北電信工程有限公司，湖北 武漢 430014)

崩岸治理

長江中下游崩岸預(yù)測(cè)若干問題的探討

彭良泉1周波2

(1.長江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司江河整治公司，湖北武漢430010；2.湖北電信工程有限公司，湖北武漢430014)

準(zhǔn)確預(yù)測(cè)崩岸是崩岸治理領(lǐng)域迫切需要解決的問題。針對(duì)目前崩岸預(yù)測(cè)現(xiàn)狀和存在的問題，以荊江某一河段為例，提出了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)崩岸的前提條件：整體把握三峽水庫蓄水前后壩下來水來沙變化；深入理解河段河型特點(diǎn)和演變規(guī)律；充分應(yīng)用地形學(xué)和地質(zhì)學(xué)，并重視人類活動(dòng)的影響。在此基礎(chǔ)上，提出了崩岸預(yù)測(cè)的基本思路，為崩岸預(yù)測(cè)提供了分析準(zhǔn)則。

河床演變; 崩岸預(yù)測(cè)；長江中下游

1 崩岸預(yù)測(cè)的必要性和重要性

在崩岸治理設(shè)計(jì)過程中，準(zhǔn)確把握崩岸治理范圍非常重要。針對(duì)這一問題，目前有以下兩條主要思路。

(1) 根據(jù)歷年的崩岸資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到大致的治理范圍。這種思路實(shí)用性強(qiáng)，且被廣泛認(rèn)可，因此在目前應(yīng)用較多。但如果不對(duì)這種思路得到的崩岸治理范圍進(jìn)行仔細(xì)研究，不結(jié)合具體實(shí)際情況，仍對(duì)已經(jīng)崩塌過的堤岸進(jìn)行整治，一是可能造成浪費(fèi)，二是可能產(chǎn)生新的崩塌。對(duì)于前者，可能因?yàn)楸腊兑呀?jīng)發(fā)生，危險(xiǎn)的勢(shì)能已經(jīng)得到釋放，堤岸重新達(dá)到了某種新的平衡，具有一定安全度，但如果不加以分析，仍對(duì)此種情況下的岸坡進(jìn)行治理，則會(huì)造成浪費(fèi)；對(duì)于后者，崩岸發(fā)生后，可能達(dá)到新的臨界狀態(tài)，如果此時(shí)貿(mào)然在崩塌堆積體上進(jìn)行拋石加載，則很有可能造成更大的崩塌。因此，根據(jù)這種思路確定的治理范圍，應(yīng)特別注意加以分析，防止浪費(fèi)或產(chǎn)生新的崩塌。

(2) 通過科學(xué)預(yù)測(cè)，事先確定將會(huì)發(fā)生崩岸的范圍，對(duì)其采取合適的工程措施，保證其不會(huì)發(fā)生崩岸。這種思路目前還沒有得到普遍認(rèn)可，也沒有引起足夠的重視，但應(yīng)該是今后努力的方向。因?yàn)楸腊兑坏┌l(fā)生，將會(huì)造成不可挽回的損失，甚至威脅人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全。所以，應(yīng)提前對(duì)將會(huì)產(chǎn)生崩岸的地方進(jìn)行處理。

以上兩條思路，前者被動(dòng)而消極，往往在崩岸破壞發(fā)生后亡羊補(bǔ)牢；后者主動(dòng)而積極，能夠在崩岸發(fā)生前采取措施，防微杜漸。

眾所周知，由于崩岸發(fā)生具有漸進(jìn)性，有一個(gè)量的積累過程，但其破壞卻是突發(fā)性的，一旦發(fā)生就可能會(huì)造成重大損失。但目前崩岸治理設(shè)計(jì)依然滯后于崩岸險(xiǎn)情發(fā)生，往往是事后才采取措施進(jìn)行整治，形成目前較為被動(dòng)的局面。為了盡量避免損失，必須提前對(duì)崩岸險(xiǎn)情進(jìn)行預(yù)測(cè)，在險(xiǎn)情發(fā)生前就采取措施進(jìn)行治理，因此，要求對(duì)崩岸險(xiǎn)情能夠見微知著，及時(shí)發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情，即崩岸預(yù)測(cè)。但鑒于崩岸的產(chǎn)生機(jī)理復(fù)雜，影響因素多樣，是一個(gè)非常復(fù)雜的多學(xué)科、系統(tǒng)性課題，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)崩岸險(xiǎn)情十分困難。研究崩岸機(jī)理，探討崩岸形成原因和規(guī)律，提高崩岸預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，是崩岸治理領(lǐng)域迫切需要解決的現(xiàn)實(shí)課題，具有重大的理論和實(shí)踐意義。

2 崩岸預(yù)測(cè)研究現(xiàn)狀及存在的問題

針對(duì)荊江河段存在的崩岸問題，在2006～2009年開展了一系列研究：2006年啟動(dòng)了河勢(shì)演變監(jiān)測(cè)及研究分析工作[1]，2007年采用傳統(tǒng)的“典型斷面比較法”，2008年采用“監(jiān)測(cè)導(dǎo)線分析法”，2009年采用綜合以上兩者的“岸坡穩(wěn)定性綜合評(píng)估法”。

2010年監(jiān)測(cè)岸段共提出8處警戒岸段，總長23.40 km，在2011年發(fā)現(xiàn)較大崩岸11處，崩岸長度共3.61 km。在2010年預(yù)測(cè)的警戒岸段中僅有580 m在2011年發(fā)生崩岸，其他3.03 km不在預(yù)警范圍內(nèi)，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)率僅2.48%，警戒岸段長度為實(shí)際發(fā)生崩岸長度的6.48倍。

2011年監(jiān)測(cè)岸段共提出7處警戒岸段，總長19.06 km。在2012年發(fā)現(xiàn)較大崩岸16處，崩岸長度共2.71 km。在2011年預(yù)測(cè)的警戒岸段中僅有450 m在2012年發(fā)生崩岸，其他2.26 km不在預(yù)警范圍內(nèi)，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)率僅2.36%，警戒岸段長度為實(shí)際發(fā)生崩岸長度的7.03倍。

2012年監(jiān)測(cè)岸段共提出9處警戒岸段，總長19.085 km。在2013年度發(fā)現(xiàn)較大崩岸11處，崩岸長度共4.545 km。在2012年預(yù)測(cè)的警戒岸段僅有970 m在2013年發(fā)生了崩岸，其他3.575 km不在預(yù)警范圍內(nèi)，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)率僅5.08%，警戒岸段長度為實(shí)際發(fā)生崩岸長度的4.20倍。

上述資料表明，根據(jù)水下監(jiān)測(cè)導(dǎo)線沖淤、水下坡比變化以及沖刷坑變化情況分析得出的預(yù)警岸段絕大部分并未發(fā)生崩岸，而沒有得到預(yù)警的岸段卻發(fā)生了崩岸。一方面預(yù)測(cè)的崩岸長度遠(yuǎn)大于實(shí)際發(fā)生的崩岸長度，達(dá)到4.20～7.03倍；另一方面，預(yù)測(cè)的崩岸部位也與實(shí)際發(fā)生的崩岸部位大相徑庭，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)率僅2.36%～5.08%。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因與崩岸發(fā)生的機(jī)理非常復(fù)雜有關(guān)，但同時(shí)也說明預(yù)測(cè)預(yù)警方法與實(shí)際存在較大差異。

根據(jù)上述資料，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)崩岸相當(dāng)困難。要想提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率，準(zhǔn)確把握崩岸發(fā)生的范圍，需要充分掌握準(zhǔn)確預(yù)測(cè)崩岸的前提條件。

3 準(zhǔn)確預(yù)測(cè)崩岸的前提條件

3.1 整體把握三峽水庫蓄水前后水沙變化規(guī)律

根據(jù)有關(guān)資料，三峽水庫蓄水后，一方面大部分粗顆粒泥沙被攔截在庫內(nèi)，2003～2008年，宜昌站懸沙中值粒徑為0.005 mm，與蓄水前的0.009 mm相比，出庫泥沙粒顆明顯偏細(xì)。另一方面，壩下游水流含沙量大幅減小，河床沿程沖刷，宜昌以下各站懸沙顆粒明顯變粗，其中尤以監(jiān)利站最為明顯，由蓄水前的0.009 mm粗化為2003～2008年的0.045 mm。宜昌-監(jiān)利段粒徑大于0.125 mm的粗顆粒泥沙含量沿程增大，由7.5%增大至34.8%；監(jiān)利以下河段懸沙顆粒沿程變細(xì)，大于0.125 mm的泥沙含量也沿程減少。

基于上述資料，取得以下兩點(diǎn)共識(shí)：三峽水庫運(yùn)行以來，①由于筑壩攔水，清水下泄，上游來水來沙減小，中下游特別是中游砂質(zhì)河床普遍沖刷。②由于水庫調(diào)度運(yùn)行，調(diào)洪錯(cuò)峰，中水時(shí)段普遍加長導(dǎo)致岸坡較建壩前承受更長時(shí)間的沖刷。

3.2 深入理解河段河型特點(diǎn)與演變規(guī)律

長江中下游河道流經(jīng)廣闊的沖積平原，沿程各河段河型不同，有順直型、彎曲型、分汊型和游蕩型4大類，各種河型河道演變特點(diǎn)各異。不同的河型具有不同的平面變化特點(diǎn)，即崩岸表現(xiàn)形式不同。

(1) 順直型河段。順直型河段發(fā)生崩岸的現(xiàn)象一般較少，僅在沒有邊灘掩護(hù)且深泓近岸的情況下發(fā)生沖刷，導(dǎo)致河寬增大，使河床可能呈現(xiàn)出周期性展寬的特性。

(2) 彎曲型河段。彎曲型河段平面具有彎曲外形，深槽緊靠凹岸，邊灘構(gòu)成凸岸，凹岸沖蝕，凸岸淤長。當(dāng)河彎發(fā)展到某種程度時(shí)，在一定水流泥沙和河床邊界條件下，可能發(fā)生裁彎、切灘或撇彎，引起劇烈的崩岸。

(3) 分汊型河段。當(dāng)支汊為順直型時(shí)，分汊型河段崩岸與順直單一河道的平面變化造成的崩岸特點(diǎn)類同。當(dāng)支汊為微彎或曲率適度的彎道時(shí)，遵循一般彎道凹岸崩坍、凸岸淤積的規(guī)律。當(dāng)支汊為鵝頭型時(shí)，則與彎曲型彎道的平面變形造成的崩岸特點(diǎn)類似。

(4) 游蕩型河段。游蕩型河段是指彎道曲率和過渡段長度比較適度，且平面形態(tài)基本呈正弦曲線的河段。其平面變形的特點(diǎn)是：凹岸崩坍，凸岸淤積，其中彎道頂點(diǎn)下段崩岸比上段強(qiáng)，整個(gè)彎道也呈向下游緩慢蠕動(dòng)的趨勢(shì)。其平面變形主要受縱向水流泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律支配，橫向環(huán)流強(qiáng)度較弱。

3.3 充分應(yīng)用地形學(xué)和地質(zhì)學(xué)

根據(jù)中國科學(xué)院地理研究所(1978年)資料[2]：城陵磯至河口段右岸(南岸)崩岸長度174.87 km，占江岸總長12.78%。左岸(北岸)崩岸長度414.55 km，占江岸總長28.78%，大大超過右岸的百分比。資料表明，河道崩岸一般發(fā)生在主流靠岸、河岸土質(zhì)抗沖能力較弱的河岸，主流頂沖的彎道凹岸(部分分汊河道江心洲的洲頭)崩岸最為嚴(yán)重。

從河岸土質(zhì)組成上看，全河段崩岸總長589.42 km，占江岸總長21.0%。其中：粘土質(zhì)21.92 km，占崩岸總長3.7%；亞粘土質(zhì)167.57 km，占崩岸總長28.4%；亞砂土質(zhì)85.45 km，占崩岸總長14.5%；粉、細(xì)砂質(zhì)314.47 km，占崩岸總長53.4%。土體黏粒含量越高，岸坡穩(wěn)定性越好。

從河岸岸坡構(gòu)成上看，陡坡崩岸長409.11 km，占崩岸總長69.5%；中等坡度崩岸長167.46 km，占崩岸總長28.3%；緩坡崩岸長12.85 km，占崩岸總長2.2%。

從水流作用條件上看，彎道環(huán)流作用崩岸段長295.13 km，占崩岸總長50.0%；沙洲段長82.34 km，占崩岸總長13.9%；水流匯合段長35.35 km，占崩岸總長6.1%；風(fēng)浪沖刷段長166.10 km，占崩岸總長28.2%；地下水沖刷段長10.50 km，占崩岸總長1.8%。

從崩岸分布部位上看，分汊河段長449.92 km，占崩岸總長76.3%；單一河段長139.50 km，占崩岸總長23.7%。

3.4 重視人類活動(dòng)的影響

(1) 人為工程。在沖積河流上，清水通過攔河建筑物下泄后會(huì)對(duì)壩下河床產(chǎn)生沖刷，使岸坡坡腳淘刷更嚴(yán)重，從而導(dǎo)致崩岸事件的發(fā)生。這種情況在國內(nèi)外許多河流上都發(fā)生過。岸坡上丁壩、橋梁墩臺(tái)等工程布置不當(dāng)，也可能引起局部岸坡強(qiáng)烈沖刷，導(dǎo)致崩岸事件的發(fā)生。

(2) 人工挖沙及人為荷載。近岸附近的人工挖沙會(huì)產(chǎn)生與水流沖刷岸坡類似的效果，使坡度變陡，增加岸坡失穩(wěn)破壞的可能性。即使局部人工挖沙，若挖除坡腳，也可能會(huì)導(dǎo)致重大崩岸事件的發(fā)生，而且挖沙機(jī)械振動(dòng)還可能造成砂土流滑。

(3) 船舶航行。船舶航行引起的船行波會(huì)對(duì)岸坡產(chǎn)生強(qiáng)烈拍擊和沖刷，顯著增加岸坡表面沖刷；螺旋槳激蕩會(huì)增大局部流速，對(duì)底部岸坡產(chǎn)生嚴(yán)重沖刷。英國有關(guān)河流的觀測(cè)資料表明[3]，船舶航行引起的岸坡側(cè)蝕率可達(dá)0.35 m/a。我國也有多條河流出現(xiàn)過嚴(yán)重的船舶航行沖刷塌岸事件。

4 崩岸預(yù)測(cè)分析

4.1 河床及深泓變化

三峽水庫蓄水后，來水較蓄水前稍有減小，但來沙較蓄水前顯著減小，清水下泄已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。但同時(shí)，由于三峽水庫的調(diào)度，壩下河道枯季流量又較蓄水前有較大增加，中水時(shí)段加長，結(jié)果導(dǎo)致在清水下泄作用下，因中水時(shí)段加長造成沖刷時(shí)間加長，再加之下泄水流挾沙飽和度顯著下降，需沿程補(bǔ)充，造成沿程河道沖刷，且沖刷顆粒粒徑呈增大趨勢(shì)，河床被沖深。

研究表明[4]，粘土、亞粘土與細(xì)沙土夾層河岸的穩(wěn)定坡度均緩于1∶ 3.0；岸坡的陡緩與深泓靠岸的距離有關(guān)，各崩岸段深泓離岸距離與平均河寬之比一般為0.07～0.3，也就是說，崩岸段絕大部分都是位于深泓靠岸一邊。一些強(qiáng)烈的崩岸段，深泓離岸距離與河寬之比都要小于0.1。如果岸坡的邊坡坡度陡于1∶ 3.0，且深泓又迫近河岸，該處河岸又存在夾沙互層，抗沖性差，則該處河岸應(yīng)該視為重點(diǎn)關(guān)注的崩岸地段。

4.2 岸坡地質(zhì)條件

V.H.Torrey[5]研究了密西西比河下游岸坡穩(wěn)定性與土體二元結(jié)構(gòu)的關(guān)系，指出當(dāng)下臥砂土層厚度Hs與上覆黏土層厚度Hc之比小于0.7時(shí)，岸坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，說明上覆粘土層必須提供足夠的壓力(足夠的厚度)才能保證坡體的穩(wěn)定。實(shí)測(cè)地質(zhì)資料表明[6]，長江下游彭澤馬湖堤崩岸段和九江市城區(qū)防洪堤潰口處的Hs/Hc比值分別為1.49～1.0和1.67～0.77，說明這兩段岸坡處于非穩(wěn)定狀態(tài)，這與V.H.Torrey的結(jié)論相吻合。這說明，對(duì)于下臥砂土層厚度Hs與上覆黏土層厚度Hc之比大于0.7的岸坡應(yīng)該納入監(jiān)測(cè)范圍。

4.3 岸坡地形條件

河岸邊坡形態(tài)可以分為5種(圖1)，不同類型的河岸形態(tài)穩(wěn)定性存在差異。基于土質(zhì)邊坡穩(wěn)定原理，同等條件下，上凸下凹型(d)河岸的穩(wěn)定性最差，外凸型(b)岸坡次之，直線型(a)岸坡居中，內(nèi)凹型(c)岸坡較穩(wěn)定，而上凹下凸型(e)岸坡穩(wěn)定性最好。根據(jù)岸坡形態(tài)，可以初步判斷其穩(wěn)定性，確定其是否應(yīng)該納入監(jiān)測(cè)范疇。

圖1 邊坡形態(tài)類型示意

岸灘穩(wěn)定坡度遠(yuǎn)小于相應(yīng)土質(zhì)的崩塌坡度。人們所觀測(cè)到的河岸坡度一般為穩(wěn)定邊坡坡度，小于崩塌邊坡坡度。如果以(a)為臨界岸坡，則(b)和(d)為不穩(wěn)定岸坡，崩岸發(fā)生后，對(duì)于崩塌型崩岸，會(huì)形成(c)型邊坡，重新獲得穩(wěn)定；對(duì)于崩滑型崩岸，會(huì)形成(e)型邊坡，也重新獲得穩(wěn)定。一般來說，崩滑型崩岸產(chǎn)生后重新獲得的穩(wěn)定性比崩塌型要高。

4.4 人類活動(dòng)影響

在上述分析的基礎(chǔ)上，還應(yīng)重視偶發(fā)事件，如河道近岸采砂形成人為深坑，影響岸坡穩(wěn)定。另外，不合理的水工建筑物布置，會(huì)造成局部水流紊亂，形成強(qiáng)回流區(qū)等。對(duì)于此類活動(dòng)，在崩岸預(yù)測(cè)時(shí)需予以考慮。

5 結(jié) 語

由于崩岸問題具有復(fù)雜性、多學(xué)科交叉性及隨機(jī)性等特點(diǎn)，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)崩岸非常困難，但鑒于崩岸產(chǎn)生的危險(xiǎn)性，對(duì)崩岸進(jìn)行預(yù)測(cè)又具有非常重要的實(shí)際意義和緊迫性。本文對(duì)崩岸研究中存在的問題、崩岸研究需要具備的前提條件以及崩岸預(yù)測(cè)的基本思路進(jìn)行了探討，目的是希望引起更多專家學(xué)者的關(guān)注，將長江崩岸預(yù)測(cè)的研究做得更好，共同推進(jìn)長江治理事業(yè)。

[1] 陳飛，楊維明.荊江河段崩岸預(yù)測(cè)[J].中國防汛抗旱，2014，24(6)：29-32.

[2] 中國科學(xué)院地理研究所.長江九江至河口段河床邊界條件及其與崩岸的關(guān)系[C]//長江中下游護(hù)岸工程經(jīng)驗(yàn)選編.北京:科學(xué)出版社，1978.

[3] HEMPHILL R W，BRAMLEY M E. Protection of River and Canal Banks[M].London: Butterworth，1989：10-30.

[4] 段金曦，段文忠，朱矩蓉.河岸崩塌與穩(wěn)定分析[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2004，37(6):17-21.

[5] TORREY V H. Retrogressive failures in sand deposits of the Mississippi River , report 2, empirical evidence in support of the hypothesized failure mechanism and development of the levee safety , flow slide monitoring system[R] .Vicksburg , Mississippi , USA :Department of The Army Waterway Experiment Station , Corps of Engineers 1988.

[6] 張幸農(nóng)，蔣傳豐，陳長英,等.江河崩岸的影響因素分析[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，37(1)：36-39.

(編輯：朱曉紅)

2017-09-15

彭良泉,長江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司江河整治公司,高級(jí)工程師.

1006-0081(2017)11-0087-04

TV147.5

A