河道崩岸評估方法研究進(jìn)展

李 享 鄧彩云 李凌云

(長江科學(xué)院水利部江湖治理與防洪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430010)

1 引 言

崩岸是河床演變過程中水流對堤岸沖刷、侵蝕、發(fā)展積累產(chǎn)生的突發(fā)事件。江河岸坡崩塌不僅引起河道平面形態(tài)的改變,使上下游河勢調(diào)整產(chǎn)生變化,而且對航運(yùn)、防洪、灌溉以及沿江兩岸的生產(chǎn)生活帶來不利影響,嚴(yán)重時(shí)更會危及人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),2003—2021年長江中下游干流河道共發(fā)生崩岸1044處,累計(jì)崩岸總長度超746km[1],且多數(shù)崩岸具有隱蔽性與突發(fā)性,必須引起足夠的重視。若能提前發(fā)現(xiàn)或預(yù)測險(xiǎn)情并進(jìn)行預(yù)防處理,就可以減輕甚至避免崩岸災(zāi)害造成的損失。由此可見開展崩岸評估對于“努力實(shí)現(xiàn)從注重災(zāi)后救助向注重災(zāi)前預(yù)防轉(zhuǎn)變”有著重大作用。為此一些學(xué)者開展了崩岸評估方法的研究,取得了多方面成果,但由于崩岸通常是多種因素耦合作用下的結(jié)果,現(xiàn)有的研究深度尚難以完全準(zhǔn)確地表達(dá)崩岸機(jī)理的內(nèi)在關(guān)系,因此目前還難以建立一套完善的崩岸評估方法。

2 崩岸類型和影響因素

從崩岸機(jī)理的研究角度出發(fā),對崩岸類型進(jìn)行合理劃分是崩岸評估工作的基礎(chǔ)。根據(jù)崩岸的形態(tài)特征,余文疇等[2]將長江中下游河道崩岸形式大致分為窩崩、條崩和洗崩3種類型(見圖1)。張幸農(nóng)等[3-4]認(rèn)為崩岸存在淺層崩塌、平面崩塌、圓弧滑動崩塌及復(fù)合式崩塌等4種岸坡失穩(wěn)破壞模式,并將崩岸歸納為侵蝕型、坍塌型、滑移型和遷移(流滑)型4種類型。

圖1 不同形態(tài)特征的崩岸

對于不同類型的崩岸,如何識別其關(guān)鍵影響因素及其對崩岸的作用直接關(guān)系到崩岸評估結(jié)果的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。鑒于影響崩岸的因素眾多,相互間作用機(jī)理十分復(fù)雜,國內(nèi)外學(xué)者采用多種途徑及方法對崩岸問題進(jìn)行了研究,對崩岸成因所持的觀點(diǎn)和理論也不盡相同?？傮w來說,崩岸的宏觀影響因素主要包括3個(gè)方面(見表1):一是水流動力條件;二是河道邊界條件;三是人為因素[5-6]。

表1 崩岸影響因素

Osman等[7]和Thorne等[8]認(rèn)為水流動力條件是崩岸的主導(dǎo)因素,坡腳沖刷使岸坡變陡、近岸床面下切使河岸高度增加是引起河岸崩塌的主要原因。余文疇等[5]進(jìn)一步分析認(rèn)為崩岸的水流動力條件主要包括近岸水力條件、泥沙運(yùn)動條件以及次生流影響等。金臘華等[9]從河流動力學(xué)角度探討了堤岸天然形態(tài)、水文條件及局部河勢對崩岸的影響。

河道邊界條件既包括近岸河床、河岸物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)的微觀邊界條件,也包括灘槽高差、岸坡坡比等河岸幾何形態(tài)的宏觀邊界條件。不同土體組成的河岸,其物理力學(xué)特性和失穩(wěn)破壞類型與機(jī)理也不同。Millai等[10]在對砂礫石河岸的穩(wěn)定性研究中,認(rèn)為泥沙中值粒徑及休止角等河岸土體參數(shù)對其穩(wěn)定性有一定影響。Julian等[11]對黏性土河岸的水力沖刷進(jìn)行了研究,分析了黏粒及粉砂含量對黏性土起動的影響。楊懷仁等[12]在分析荊江二元結(jié)構(gòu)河岸穩(wěn)定性時(shí),發(fā)現(xiàn)河道的抗沖性將會隨著岸坡上層黏性土淤積深度變厚而增強(qiáng)。Darby等[13-15]考慮的影響河岸穩(wěn)定性的邊界條件因素,包括岸坡坡度、土體組成及其分層情況以及滲流作用等。Simon等[16,19]指出土體內(nèi)孔隙水壓力和基質(zhì)吸力等是影響河岸抵抗水流沖刷的主要因素。張幸農(nóng)等[20]認(rèn)為土體物質(zhì)組成及分布、岸坡局部地形對河道的穩(wěn)定性影響很大,是崩岸發(fā)生的主要內(nèi)在因素。

近些年來,隨著長江兩岸的經(jīng)濟(jì)發(fā)展,人類活動對河道崩岸的影響日益增大。對河道崩岸有直接影響的人為因素主要包括興建水庫和攔水壩等擋蓄水建筑物、近岸河床采砂、江邊興建碼頭、丁壩等突出涉水建筑物以及在近岸江灘上堆卸貨物等[21]。如河道內(nèi)采砂(見圖2)以及在近岸江灘附加荷載等都容易誘發(fā)和加速崩岸的發(fā)生。

圖2 河道內(nèi)采砂

3 崩岸評估方法研究進(jìn)展

在崩岸影響因素認(rèn)知和崩岸機(jī)理研究的基礎(chǔ)上,許多專家學(xué)者嘗試從不同角度和方法對崩岸評估開展研究,大體可劃分為基于經(jīng)驗(yàn)的評估方法、基于力平衡分析的岸坡穩(wěn)定計(jì)算方法、基于岸坡崩退的數(shù)值模擬評估方法和河岸穩(wěn)定性綜合判斷評估方法這4類評估方法。一些評估方法雖未能達(dá)到應(yīng)用級層面,但對推動崩岸評估方法研究的日臻完善都是有益的嘗試,下文對這4類崩岸評估方法研究成就進(jìn)行介紹。

3.1 基于經(jīng)驗(yàn)的崩岸評估方法

在人工巡查、近岸地形測量的基礎(chǔ)上,采用經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行岸坡穩(wěn)定評估作為最直接的評估方法,廣泛應(yīng)用于沿線河道管理部門的定期巡檢和監(jiān)測任務(wù)中。長江沿線各屬地河道管理機(jī)構(gòu)會定期組織工作人員沿長江巡查岸線現(xiàn)狀,結(jié)合對某些險(xiǎn)工段近岸地形變化的重點(diǎn)監(jiān)測,評估岸坡穩(wěn)定性。例如張家港長江治理工程管理處[22]對其管轄范圍的河岸險(xiǎn)工段進(jìn)行定期巡視、監(jiān)測。長江水利委員會長江科學(xué)院、水文局[23]等也多次組織專家學(xué)者對長江進(jìn)行人工實(shí)地巡查。

通過定期巡查、監(jiān)測可以及時(shí)直觀地了解局部河勢調(diào)整(如主流貼岸程度、頂沖角度及其位置變化等)、岸坡外觀狀態(tài)(如自然岸坡坡度、護(hù)岸工程完好程度等)、近岸河床的沖淤變化情況等,通過自然(成因)歷史分析、條件類比、專家系統(tǒng)決策等方法,依靠評估者多年積累的豐富經(jīng)驗(yàn)判斷崩岸發(fā)生的可能性,并總結(jié)得到經(jīng)驗(yàn)性的河岸穩(wěn)定性判別依據(jù)。如李義天等[24]提出以穩(wěn)定坡比作為判別崩岸的指標(biāo)。唐金武等[25]研究指出長江中下游穩(wěn)定坡比取值范圍為0.23～0.45。

3.2 基于力平衡分析的岸坡穩(wěn)定計(jì)算方法

大量學(xué)者在對河道崩岸成因、發(fā)展過程以及影響因素等崩岸機(jī)理展開分析和試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,從土力學(xué)角度分析岸坡變形過程中驅(qū)動力與抵抗力的平衡關(guān)系,建立了基于力平衡分析的岸坡穩(wěn)定性計(jì)算方法。

據(jù)目前認(rèn)識,剪切破壞、拉伸破壞和繞軸崩塌是河岸變形崩塌中常見的三種力學(xué)破壞機(jī)制[26],不同破壞模式中驅(qū)動力和抵抗力有不同的表現(xiàn)形式。相關(guān)學(xué)者針對不同岸坡土體結(jié)構(gòu)與崩塌模式,分別以臨界抗剪強(qiáng)度、臨界抗拉強(qiáng)度作為河岸穩(wěn)定性分析標(biāo)準(zhǔn),提出了相對河岸高度[7]、臨界掛空長度[26]及臨界崩塌高度[27-28]等河岸穩(wěn)定性判別指標(biāo),并通過引入土力學(xué)中的邊坡安全系數(shù)概念,開展岸坡穩(wěn)定性計(jì)算,構(gòu)建穩(wěn)定性判別模型。經(jīng)典的Osman-Thorne模型(見圖3)提出了河床沖深、河岸侵蝕后退過程中較陡岸坡穩(wěn)定性分析方法[7,13]。對于坡度較緩的河岸,則采用瑞典圓弧滑動法[29]、Bishop法以及Morgenstern-Price法來分析其穩(wěn)定性[30]。Simon對Osman-Thorne模型進(jìn)行了優(yōu)化并逐漸發(fā)展成為BSTEM模型[17,31]。王延貴等[32-33]分析了折線型河岸發(fā)生初次崩塌和二次崩塌的穩(wěn)定性,得到了河岸崩塌高度的計(jì)算公式。

圖3 Osman-Thorne模型河岸崩塌臨界力平衡分析

在實(shí)際應(yīng)用中,尹國康[34]通過理論分析,采用土坡失穩(wěn)計(jì)算理論,對河岸變形規(guī)律及河岸崩塌進(jìn)行研究。宗全利等[35]對上荊江典型斷面的崩岸土體進(jìn)行現(xiàn)場取樣并進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)分析,研究崩岸土體組成及其力學(xué)特性,計(jì)算得出了不同水位和不同地質(zhì)條件下的河岸穩(wěn)定安全系數(shù)。王延貴等[36]采用模型試驗(yàn)結(jié)合理論分析的方法對沖積河流的崩退模式和崩退速率展開研究,提出了多種崩退模式,并根據(jù)崩塌臨界狀態(tài)推導(dǎo)了不同崩退模式下的崩退速率計(jì)算公式。段金曦等[37]對不同河型河道崩岸的特點(diǎn)以及崩岸機(jī)理進(jìn)行分析,提出了考慮河岸動水壓力對崩岸作用的抗滑穩(wěn)定性計(jì)算公式,并利用河道深泓離岸距離和水深來判定河道岸坡穩(wěn)定性。

3.3 基于岸坡崩退的數(shù)值模擬評估方法

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,結(jié)合斷面尺度的崩岸模型和河道尺度沖淤演變模型的數(shù)值模擬評估方法逐漸應(yīng)用于崩岸模擬評估中。

夏軍強(qiáng)等[38-39,41]和王英珍等[40]以O(shè)sman與Thorne(1988)[7]提出的河岸穩(wěn)定性分析方法為基礎(chǔ),運(yùn)用多尺度模擬方法將河流動力學(xué)與土力學(xué)結(jié)合,提出了荊江河段河岸土體物理特性與抗剪、抗沖及抗拉強(qiáng)度三大力學(xué)特性的量化指標(biāo),建立了上、下荊江二元結(jié)構(gòu)河岸穩(wěn)定性的計(jì)算方法,揭示了坡腳沖刷、潛水位變化等因素對岸坡穩(wěn)定性的影響;提出了河岸崩退過程的多尺度模擬方法(河岸崩退數(shù)學(xué)模型計(jì)算流程見圖4),將崩岸力學(xué)模型與水沙數(shù)學(xué)模型耦合,不僅能模擬河道內(nèi)水沙輸移及床面沖淤過程,而且還能模擬不同二元結(jié)構(gòu)河岸的崩退過程。假冬冬等[42]基于水動力-凍脹/凍融耦合作用下的岸坡崩塌三維受力模式,考慮縱向相鄰?fù)馏w和凍脹對土體開裂等作用開展三維數(shù)值模擬分析,對季節(jié)性冰凍區(qū)河床沖淤和岸坡崩塌過程有較好的模擬效果。

圖4 河岸崩退數(shù)學(xué)模型計(jì)算流程

3.4 河岸穩(wěn)定性綜合判斷評估方法

近年來,鑒于河道岸坡穩(wěn)定性與水沙動力、邊界條件、水文氣象、人類活動等多方面的影響因素存在復(fù)雜的非線性關(guān)系,而現(xiàn)階段崩岸機(jī)理尚難以全面揭示和表達(dá)不同影響因素之間的物理作用機(jī)制,一些研究者提出了對不同類型崩岸關(guān)鍵影響因子進(jìn)行組合賦權(quán)值作為河岸穩(wěn)定性判數(shù)的綜合評估方法。

何廣水等[43]、鄧彩云等[44]分析河岸現(xiàn)狀、地質(zhì)和護(hù)岸邊界條件、河勢變化、近岸河床沖淤和岸坡坡比變化等因素,構(gòu)建了河岸穩(wěn)定性監(jiān)測分析與評估方法。該評估方法將河岸穩(wěn)定性評估指標(biāo)體系分為目標(biāo)層、屬性層和指標(biāo)層3個(gè)層次(見圖5),綜合考慮了岸線現(xiàn)狀、以河勢變化為主的動力條件和以岸坡地質(zhì)與護(hù)岸完備性條件為主的邊界條件等岸坡穩(wěn)定性影響因素。以近岸河床沖刷程度和坡度變化情況為主的岸坡穩(wěn)定性變化過程等因子,結(jié)合大量實(shí)測資料對各指標(biāo)的量化分值進(jìn)行探討和加權(quán)賦分。參考河道行洪安全管理慣例和氣象預(yù)報(bào)提示慣例,根據(jù)綜合評估結(jié)果構(gòu)建了藍(lán)色、橙色和紅色預(yù)警的三級崩岸風(fēng)險(xiǎn)劃分方法(見表2),目前該方法已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用于荊江河段岸坡穩(wěn)定性評估,也取得了較好的應(yīng)用效果。

表2 崩岸風(fēng)險(xiǎn)等級劃分

圖5 河岸穩(wěn)定性評估指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)

孫啟航等[45]、徐芳等[46]用實(shí)測斷面及水文資料,采用層次分析法,建立層次結(jié)構(gòu)模型,構(gòu)建判斷矩陣,由兩兩比較判斷矩陣得到崩岸影響因素的一組權(quán)重值,繼而得出哪種因素起主導(dǎo)作用,并得出各崩岸影響因素主導(dǎo)崩岸時(shí)的影響權(quán)重值。

曹雙等[47]從引發(fā)崩岸的主要因素出發(fā),建立綜合評估法,詳細(xì)介紹了各因子的評估技術(shù)手段、要求等,并以揚(yáng)中河段為例,計(jì)算了高流量期、平灘流量造床期、水位快速消落期及枯水期三級崩岸預(yù)警區(qū)的分布情況。

劉東風(fēng)[48]總結(jié)了安徽省長江崩岸預(yù)警方法,基本流程包括摸清河岸基本情況、分析河勢變化趨勢與近岸變化程度、計(jì)算岸坡穩(wěn)定性系數(shù)、分析崩岸發(fā)生可能性與崩岸造成的危害程度、擬定崩岸預(yù)警區(qū),劃分崩岸預(yù)警分級標(biāo)準(zhǔn)。

舒星等[49]在層次分析法的基礎(chǔ)上結(jié)合熵權(quán)法對臨江岸坡穩(wěn)定性展開研究?；谂R江岸坡水位監(jiān)測信息,分析影響臨江岸坡安全的主要影響因素,構(gòu)建臨江岸坡安全性模糊綜合評價(jià)模型和安全評判多層結(jié)構(gòu)體系,對不同評價(jià)因素的指標(biāo)集劃分評判等級。

4 崩岸評估方法綜合評述與分析

4.1 不同類型崩岸評估方法具體評述

上述從不同的角度和方法開展的崩岸評估研究對崩岸評估工作的日趨完善起到了推動作用,現(xiàn)對其進(jìn)行評述分析。

基于經(jīng)驗(yàn)性的崩岸評估方法對崩岸的預(yù)測效果依賴于大量實(shí)測資料的統(tǒng)計(jì)分析和長期工程實(shí)踐中積累的經(jīng)驗(yàn),受限于評估者的經(jīng)驗(yàn)和學(xué)識,不同評估者得出的結(jié)論可能存在較大差異。然而,經(jīng)驗(yàn)性方法具有能較快得出評估結(jié)果的優(yōu)點(diǎn),尤其是河道水流和邊界條件處于無時(shí)無刻的發(fā)展變化過程中,開展岸線巡查和重點(diǎn)河段監(jiān)測仍然十分必要,根據(jù)巡查和監(jiān)測結(jié)果可迅速判斷河岸的穩(wěn)定性并及時(shí)預(yù)警突發(fā)性崩岸,對控制崩岸危害程度至關(guān)重要。

岸坡穩(wěn)定性計(jì)算法具有物理機(jī)理清晰的優(yōu)點(diǎn),但同時(shí)對計(jì)算條件均進(jìn)行了或多或少的簡化,存有多種假設(shè)條件,往往成為制約計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況一致性的關(guān)鍵。穩(wěn)定計(jì)算過程中需要用到大量諸如裂縫深度、內(nèi)摩擦角、水下休止角、滲壓等相關(guān)參數(shù),而這些參數(shù)往往需要采用經(jīng)驗(yàn)法和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)資料進(jìn)行參數(shù)率定獲取,且所獲參數(shù)與現(xiàn)實(shí)情況通常存在一定出入,導(dǎo)致應(yīng)用于實(shí)際河道崩岸預(yù)測時(shí)可能與實(shí)際情況存在一定差異。

得益于電子信息技術(shù)計(jì)算能力的提高,數(shù)值模擬評估方法具有低成本、速度快、大尺度等諸多優(yōu)點(diǎn),還能突破時(shí)間和空間的限制開展評估研究?；诎镀卤劳说臄?shù)值模擬評估方法能夠預(yù)測不同水沙組合條件下較長河段內(nèi)的床面沖淤及河岸崩退過程,還能給出河岸崩退的沿程分布情況及崩退強(qiáng)度。但對實(shí)施有護(hù)岸工程的岸坡和人類活動誘發(fā)的崩岸,需進(jìn)一步優(yōu)化嵌套在河床沖淤模型中的斷面尺度崩岸模型。

河岸穩(wěn)定性綜合判斷評估方法可較為全面地考慮不同類型崩岸的關(guān)鍵影響因素,同時(shí)將各影響因素間的相互作用作為“黑箱”進(jìn)行封裝,是對岸坡穩(wěn)定性評估研究的有益嘗試,該方法具有較強(qiáng)的可操作性,部分評估方法已經(jīng)運(yùn)用到工程實(shí)踐中,取得了較好的應(yīng)用效果[50]。但在進(jìn)行綜合評判時(shí),未能科學(xué)確定各因子的權(quán)重,仍需經(jīng)驗(yàn)評估和判斷。

4.2 崩岸評估方法存在的系統(tǒng)性問題

不同類型的崩岸評估方法均有一定的研究和應(yīng)用價(jià)值,但各類評估方法仍存在以下幾個(gè)系統(tǒng)性的問題:

a.崩岸機(jī)理研究不夠深入,崩岸影響因素之間的耦合作用難以確定。崩岸的發(fā)生屬于內(nèi)因與外因相互耦合作用下的產(chǎn)物。而現(xiàn)有崩岸機(jī)理研究工作大多是基于河流已發(fā)生崩岸現(xiàn)象的影響因素分析或經(jīng)驗(yàn)性總結(jié)。雖然也有基于概化物理模型的試驗(yàn)研究,但考慮的因素不夠全面,概化的合理性也存在疑問,研究深度尚不能從崩岸機(jī)理的層面上來量化各崩岸影響因子之間的相互作用,以及定量分析各因子對岸坡穩(wěn)定性影響程度。

b.崩岸主導(dǎo)因素的權(quán)重?zé)o法確定。在評估過程中存在著崩岸主導(dǎo)因素難以量化的難題,且在量化過程中也會帶有主觀色彩,從而影響量化的準(zhǔn)確度。

c.計(jì)算過程存在大量簡化。由于天然河道河岸組成較為復(fù)雜,無論是進(jìn)行岸坡穩(wěn)定計(jì)算還是進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算都需要對計(jì)算過程的方法進(jìn)行一定的簡化,與實(shí)際情況有所出入,計(jì)算結(jié)果的精確性也無法完全保證。

5 結(jié)論與建議

歷經(jīng)數(shù)十年發(fā)展,崩岸評估方法形成了基于經(jīng)驗(yàn)評估、穩(wěn)定計(jì)算、數(shù)值模擬、綜合判斷等多角度的研究體系,其中既有定性分析也有定量計(jì)算,在實(shí)際運(yùn)用中均取得了豐碩的成果。基于前文所述,對今后的崩岸評估研究工作提出以下建議:

a.加強(qiáng)崩岸機(jī)理的理論研究。目前對于崩岸機(jī)理的理論研究還不夠透徹,各崩岸因素之間的耦合作用難以厘清。崩岸評估的研究工作建立在崩岸機(jī)理的研究基礎(chǔ)之上,加強(qiáng)崩岸機(jī)理的理論研究對崩岸評估工作至關(guān)重要。

b.重視河道實(shí)測資料的收集與分析。對河道實(shí)測資料提供的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理,掌握河道崩岸的時(shí)空分布規(guī)律,同時(shí)也能根據(jù)相關(guān)資料數(shù)據(jù)對河道崩岸評估的成果進(jìn)行對比,以此來驗(yàn)證評估方法是否準(zhǔn)確合理。

c.開展多學(xué)科交叉研究。影響崩岸的因素眾多,涉及水力學(xué)、土力學(xué)、河流動力學(xué)、河床演變學(xué)等多個(gè)學(xué)科的研究內(nèi)容,亟須融合多學(xué)科方法與技術(shù)開展崩岸評估研究工作。