彎曲分汊河道典型險段成因分析及治理思路

練 偉 航,李 海 彬,宮 鵬 杰,張 廣 傳,丘 佳 永

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院,廣東 廣州 510635; 2.廣東省水動力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510635; 3.河口水利技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510635)

0 引 言

堤防是廣東省防洪工程體系的重要組成部分,是防御洪水的最后屏障。其中,西江水系堤防數(shù)量約占全省的8.8%[1],險段數(shù)量則約占全省的1/5[2]。

沙口險段位于廣東省佛山市南海區(qū)境內(nèi)的西江干流水道左岸,自沙口水閘起全長約1.2 km(見圖1)。該段堤圍在2005年、2008年及2011年分別出現(xiàn)了較嚴(yán)重的岸坡塌方險情,雖采取水上削坡減載、水下拋石固基等處理手段,但險段出險隱患仍未得到有效緩解,嚴(yán)重影響堤圍防洪安全,險段綜合整治迫在眉睫。

圖1 沙口險段地理位置Fig.1 Location of the Shakou risk reach

針對珠江流域險段破壞機(jī)理及治理技術(shù)的研究,前人已做了大量工作,積累了較為豐富的治理經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐。如黃本勝等提出以丁壩群方案整治蘆苞、洪潭、黃塘險段,以平順護(hù)灘工程措施整治長潭險段[3];賴冠文等提出拆除西南河段新沙洲洲頭分水壩、左汊進(jìn)口錯口丁壩,右汊修筑潛壩,疏挖右汊河槽,以改善兩汊分流比,控制左汊水流動力的增大趨勢,達(dá)到左汊停止下切、河床趨于穩(wěn)定、避免西南險段進(jìn)一步惡化的目的[4-8]。何用等通過河床演變特征與水動力特性分析,研究了平洲水道木盆口險段的形成機(jī)理,提出采用模袋混凝土的岸坡與堤腳防護(hù)措施[9];段民華等結(jié)合險段特點(diǎn)及險段成因分析成果,提出拋石護(hù)坡(底)和丁壩群相結(jié)合的險段整治措施[10-11];梁柏棉研究了退堤還灘、網(wǎng)袋拋石護(hù)腳、填筑潛壩等工程措施在中山市沙塘圍險段治理中的應(yīng)用及成效[12];陳國文等基于險段成因分析和河工模型試驗(yàn),提出利用丁壩群調(diào)整水流結(jié)構(gòu)、改善水流對險段沖刷的工程整治措施[13-14]。

以上研究結(jié)合險段特性和河床演變情況,針對性提出險段治理措施,并在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好效果,但其所研究險段基本上是因河勢復(fù)雜而形成。沙口險段所在西江下游河道,蜿蜒曲折,流量大、流速急,上游江心洲、九江大橋、碼頭等對河道水流均有明顯影響,且險段岸坡的民居、漁船停靠等活動頻繁,其險段形成及影響因素多且復(fù)雜。深入研究險段成因,并針對性提出險段治理思路,是后續(xù)沙口險段綜合整治取得成效的關(guān)鍵。

1 險段歷史險情及治理

1.1 險段歷史險情

沙口險段堤圍受水流沖刷嚴(yán)重,自2005年以來出現(xiàn)3次較大險情。

2005年6月下旬,西江、北江上游普降暴雨,局部大暴雨,洪水來勢猛、漲勢急、流量大,西江、北江干流水位迅速上漲,形成了西北江流域百年一遇的“05·6”特大洪水。7月,九江鎮(zhèn)沙口社區(qū)下街入口處外灘臨水岸坡出現(xiàn)大范圍崩塌,塌坡范圍縱向長度約80 m,崩塌面積約3 150 m2,坡頂距水面約4.8 m。

2008年6月,珠江三角洲發(fā)生50 a一遇的特大洪水[15],洪水過后,沙口社區(qū)段約210 m的西江堤岸及岸上的九江飼料廠飼料倉庫發(fā)生坍塌,塌方段縱向長度約210 m,寬度最窄處5 m,最寬處達(dá)到10 m。塌坡的具體位置在西江外灘地區(qū),距離樵桑聯(lián)圍約150 m(見圖2)。

圖2 沙口險段2008年6月坍塌段現(xiàn)場圖片F(xiàn)ig.2 Bank collapse in the Shakou risk reach in June,2008

2011年10月,在九江飼料廠碼頭附近再次出現(xiàn)岸坡塌方險情。沙口水閘對外120～150 m范圍內(nèi)出現(xiàn)約-49 m(珠江基面高程,下同)深的深潭,并往下游飼料廠塌方段延伸,形成一道深槽,河床高程由-49 m 漸變成-40 m(見圖3)。

圖3 沙口河段三維水下地形Fig.3 3D underwater topographic map of the Shakou reach

1.2 治理情況

對沙口險段于2007年3～10月完成了外坦塌岸修復(fù)加固工程。工程以“上部削坡減載、下部拋石固基”為原則,修復(fù)范圍為沙口水閘至九江飼料廠段。把外凸的岸坡向內(nèi)削緩,使現(xiàn)岸線內(nèi)移2～12 m,目的是使岸線更為平順?？菟诔Ｋ?.5 m以下采用拋石護(hù)腳固基,坡比為1∶2,為保障岸坡整體穩(wěn)定,在-15～-20 m高程間設(shè)反壓平臺,寬10 m。水位變動區(qū)(高程1.5～4.5 m)則采用預(yù)制混凝土六角塊護(hù)面,坡比1∶3。

從工程完工后的2008年、2011年兩次險情來看,修復(fù)工程并未能有效解決險段隱患問題,還需從準(zhǔn)確把握險段成因、險段出險影響因素等方面著手,尋求更有針對性、更為高效的險段治理策略。

2 河床演變分析

2.1 近年河床演變分析

河床演變分析針對的河段長約14 km,沿程選取8個河床演變斷面(見圖4),以1999年、2010年和2016年實(shí)測河道地形資料作為分析基礎(chǔ)資料。

圖4 沙口河段河演斷面分布Fig.4 Distribution of cross-sections for Shakou reach evolution analysis

(1) 河床沖淤變化情況。圖5為套繪的沙口河段各典型橫斷面形態(tài)對比圖,其中,河演斷面8因2010年地形數(shù)據(jù)缺失,未作該年度變化比較。表1統(tǒng)計(jì)了各河演斷面的深泓點(diǎn)高程變化情況。

表1 沙口河段不同河演斷面深泓點(diǎn)高程統(tǒng)計(jì)Tab.1 Elevation statistics of thalweg points of different sections at Shakou reach m

圖5 沙口河段1999～2016年河床變化Fig.5 Riverbed changes at Shakou reach from 1999 to 2016

(2)河道深泓線的縱向變化趨勢。通過沙口河段河道深泓線縱向沿程變化情況分析(見圖6)可知,1999～2010年間整個河段深泓呈下切態(tài)勢,但沿程深泓下切幅度差異明顯,河演斷面1～3之間河段深泓下切幅度較小,平均下切約3～5 m;自河演斷面3起至下游,河段下切幅度最大達(dá)20 m,沿程平均下切達(dá)10 m 左右。2010～2016年間河段深泓沿程略有下切,但整體相對穩(wěn)定。

圖6 沙口河段1999～2016年深泓縱向變化Fig.6 Longitudinal variation of the thalweg at Shakou reach from 1999 to 2016

(3)河道深泓線的平面變化趨勢。從1999～2016年沙口河段深泓線平面變化情況來看(見圖7),1999～2010年河道深泓線沿程出現(xiàn)較明顯擺動,其中河演斷面2～4之間分汊河段深泓整體偏左岸下行,特別是1999年河演斷面3上游1.1 km至下游0.5 km河段,深泓線緊貼左岸堤腳分布,至2010年該河段深泓線向河道中間平均右偏約400 m,不再緊貼左岸分布;另外九江大橋以下河段,2010年深泓線較1999年整體向左平均偏移約160 m,距左岸灘邊最近點(diǎn)僅有80 m左右,深槽逼岸、威脅堤圍安全態(tài)勢進(jìn)一步加劇。2010～2016年的河道深泓線沿程平面基本穩(wěn)定。

圖7 沙口河段1999～2016年深泓平面變化Fig.7 Plane variation of the thalweg at Shakou reach from 1999 to 2006

總體來說,1999～2010年沙口河段河床變化較為明顯,在2010年以后則整體趨于穩(wěn)定。

2.2 河床演變趨勢分析

選取西“05·6”洪水,以2016年實(shí)測地形為初始地形,通過局部河道平面二維水動力數(shù)學(xué)模型進(jìn)行非恒定流水沙沖淤計(jì)算,分析險段河段沖淤演變趨勢。考慮到沙口河段推移質(zhì)輸沙率不及總輸沙率的8.7%,以模擬懸移質(zhì)泥沙輸移過程為主。

數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明,沙口河段河床將發(fā)生沖刷,沖刷幅度約0.3～0.5 m(見圖8)。沙口險段崩岸多發(fā)生在汛期,暴雨的沖蝕和下滲使土體浸泡軟化、濕重度增加,形成較大的地下水滲透壓力。同時在險段上游擔(dān)擔(dān)沙洲導(dǎo)流的綜合作用下,深泓進(jìn)一步向左岸逼近,并加劇對左岸近岸河床的縱向沖刷和側(cè)向侵蝕,主流基本穩(wěn)定在偏左岸的河床下行,一定程度上加強(qiáng)了險段近岸河床的沖刷。鑒于險段水下邊坡和坡腳內(nèi)坡的坡比值接近臨界狀態(tài),其近岸河床可能繼續(xù)沖刷并演變?yōu)檩^大規(guī)模的岸坡崩塌。

3 河道水流特性分析

建立大范圍一維水動力數(shù)學(xué)模型和局部河道平面二維水動力數(shù)學(xué)模型,經(jīng)2016年6月同步水文測驗(yàn)資料進(jìn)行模型率定后,開展典型頻率洪水工況計(jì)算,結(jié)合35個流速采樣點(diǎn),對沙口河段的水流特性進(jìn)行分析(見圖9和表2)。

表2 沙口河段采樣點(diǎn)水位、流速統(tǒng)計(jì)(P=1%)Tab.2 Water levels and velocities at sampling points for Shakou reach (P=1%)

圖9 沙口險段數(shù)值模擬計(jì)算范圍及采樣點(diǎn)布置Fig.9 Numerical simulation region and the layout of sampling points at Shakou risk reach

2016年6月實(shí)測水文資料統(tǒng)計(jì)表明,在海壽島(海心沙)河段,主流走左汊,左汊分流比約為45.66%;在擔(dān)擔(dān)沙河段,左汊分流比達(dá)76.96%(見表3)。

表3 沙口河段分流比實(shí)測值統(tǒng)計(jì)(2016年)Tab.3 Flow diversion ratio at Shakou reach in 2016 %

數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果顯示,研究河段彎道水流及汊道水流特征較為明顯。西江100 a一遇(P=1%)洪水條件下,水流進(jìn)入海壽島(海心沙)河段后,主流偏于左岸下泄(見圖10),流經(jīng)九江大橋進(jìn)入險段范圍,受河道寬度變窄、擔(dān)擔(dān)沙洲進(jìn)一步擠壓過流寬度的影響,左、右兩汊流速明顯增大,且險段所在的左汊河道為主要泄洪通道,險段近岸(采樣點(diǎn)28～30)流速約為1.5～2.1 m/s。數(shù)值模擬計(jì)算成果與實(shí)測水文測驗(yàn)結(jié)果基本一致,即在洪水期和中水期,沙口險段均為主流通過區(qū)域,流量越大,近岸流速相應(yīng)也越大,近岸河床持續(xù)沖刷易導(dǎo)致險段發(fā)生較大規(guī)模的岸線崩塌。

圖10 沙口河段數(shù)值模擬計(jì)算流場分布(P=1%)Fig.10 Velocity field distribution by numerical simulation for Shakou reach(P=1%)

4 險段成因分析

綜合實(shí)測水文數(shù)據(jù)分析、河床演變分析、數(shù)值模擬計(jì)算成果及現(xiàn)場調(diào)查情況,沙口河段河床下切嚴(yán)重,深槽逼岸,威脅堤圍安全態(tài)勢明顯,存在著自然和人類活動因素影響。

4.1 自然因素

(1) 險段岸坡地質(zhì)條件不良,岸坡下部主要為淤泥質(zhì)土、粉砂夾淤泥質(zhì)土和粉砂層,滲透穩(wěn)定性及抗沖刷能力均較差,在水流長期沖刷下,堤身結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,形成陡峭岸坡,是險段失穩(wěn)隱患之一。

(2) 水位上漲時,滲透壓力對崩岸的發(fā)生起到抑制作用;水位降落時,坡內(nèi)產(chǎn)生向坡面方向的滲流,土體抗滑力較小,在河道坡面與水面處土顆粒首先起動破壞,上移至逸出面,最后呈現(xiàn)塊狀坍落,臨水面崩落,形成崩岸?！?·6”特大洪水使險段岸坡遭受長時間的河水浸泡,地基土處于飽和狀態(tài),在洪水退潮以后,岸坡穩(wěn)定性降低最終引發(fā)重力崩塌。

(3) 險段上游擔(dān)擔(dān)沙洲的長期導(dǎo)水影響。根據(jù)實(shí)測資料及模型計(jì)算成果,擔(dān)擔(dān)沙左汊分流比達(dá)70%。在西江100 a一遇洪水條件下,險段范圍近岸流速約為1.5～2.1 m/s。

(4) 近年西江來沙大幅減少,且粒徑細(xì)化現(xiàn)象明顯,根據(jù)該河段水文測驗(yàn)成果,洪水期平均含沙量在0.43 kg/m3以下,平均輸沙率也僅為9 400 kg/s,基本不具備懸沙落淤的前置條件。

4.2 人類活動因素

(1) 險段上游約500 m有九江大橋,橋墩阻水并縮窄河床,改變了河道的水流結(jié)構(gòu),加大了附近河段水流流速進(jìn)而沖刷河床。

(2) 險段上游一些碼頭,外凸岸線較多,導(dǎo)致水流流態(tài)發(fā)生變化,可能產(chǎn)生漩渦和回流進(jìn)而沖刷下游的河岸。

(3) 險段岸坡的民居、漁船停靠等活動不斷,荷載過重超出岸坡的承受能力,給岸坡失穩(wěn)埋下隱患。

(4) 可能發(fā)生過非法濫采砂現(xiàn)象,人為挖深了河床,加速了險段附近深潭的形成,而深潭的復(fù)雜水流條件又導(dǎo)致深槽的形成及對河岸沖刷的加劇。

5 險段治理思路

崩岸型險段的治理主要措施有丁壩導(dǎo)流、退堤還灘、拋石護(hù)腳和其他平順防護(hù)措施(模袋混凝土、軟體排等)。基于沙口險段河勢、水沙特性,提出調(diào)整型措施與守護(hù)型措施相結(jié)合的險段治理思路。

5.1 調(diào)整型措施

(1) 沿九江大橋上游300 m左岸順堤布置丁壩。通過新建丁壩與原有航道整治丁壩的共同作用,進(jìn)一步調(diào)整險段范圍的主流位置,使得近岸流速進(jìn)一步減小,削弱水流對險段堤岸的沖刷力。

(2) 擔(dān)擔(dān)沙洲左側(cè)區(qū)域局部削灘。削灘可擴(kuò)大擔(dān)擔(dān)沙洲左汊過水?dāng)嗝?進(jìn)一步調(diào)整主流偏離險段,減小由沙洲導(dǎo)流加劇險段沖刷的不利影響。

5.2 守護(hù)型措施

水下護(hù)腳工程與水上護(hù)坡(岸)工程一起構(gòu)成守護(hù)型治理措施。

5.2.1水下護(hù)腳工程

沙口險段因其特殊的地理位置和河床條件,之前應(yīng)急整治工程采用的水下拋石護(hù)腳并未取得明顯效果,險段崩岸常年搶護(hù)仍時有發(fā)生?？筛鶕?jù)水下地形、岸坡形態(tài)及重點(diǎn)保護(hù)范圍,考慮水下承臺堆石護(hù)腳或阻滑樁結(jié)合長充沙管袋護(hù)腳措施。

水下承臺堆石護(hù)腳,即間隔構(gòu)筑具有一定面積能滿足設(shè)計(jì)堆石重量的獨(dú)立承臺,承臺上堆壘能滿足最大流速的塊石或石籠,然后再施工水上護(hù)坡工程。該措施主要是利用水下混凝土樁基礎(chǔ)及承臺作為堆石的基礎(chǔ),以改變接坡石及護(hù)腳石的基面。

阻滑樁結(jié)合長充沙管袋護(hù)腳,則是間隔設(shè)置阻滑樁,水下阻滑樁內(nèi)側(cè)以充沙管袋護(hù)腳,外側(cè)輔助以充沙管袋或者模袋混凝土、塊石護(hù)樁、護(hù)底、裹頭和鎮(zhèn)腳。

水下護(hù)腳工程通過控制近岸河床的縱向下切來保持水下護(hù)腳斷面的有效性,進(jìn)而控制水流對岸腳的側(cè)向侵蝕,達(dá)到不改變河勢,不影響對岸堤防穩(wěn)定,不影響河道防洪態(tài)勢及現(xiàn)有航道的通航與控導(dǎo),而長久保護(hù)崩岸段堤防岸腳穩(wěn)定的目的。

5.2.2水上護(hù)坡工程

水上護(hù)坡工程的形式很多,主要有干砌塊石護(hù)坡、漿砌塊石護(hù)坡、混凝土六方塊護(hù)坡、模袋混凝土護(hù)坡、水泥土護(hù)坡、生態(tài)護(hù)坡等。沙口險段歷次崩岸均發(fā)生在汛期,保持汛期岸坡穩(wěn)定是除了保持水下岸腳穩(wěn)定外的另一個重要措施。

傳統(tǒng)的護(hù)坡方法大多為剛性結(jié)構(gòu)的淺層護(hù)坡,但剛性結(jié)構(gòu)護(hù)坡因其濾料受波浪、雨水的影響易流失,常會因岸坡微小變形而使坡面松動或塌陷。柔性結(jié)構(gòu)的生態(tài)護(hù)坡技術(shù)目前已較為成熟,岸上植物能有效削減波浪沖擊力,減少風(fēng)浪、暴雨及地下水滲流形成的侵蝕,防止土體崩塌或滑坡。根系發(fā)達(dá)植物如豆科草種、灌木或半灌木等,一般根深可達(dá)5 m以上,起到了“加筋”作用,固土能力強(qiáng)。據(jù)相關(guān)研究,在有側(cè)根作用的土體中,其抗張拉力提高38.7%,這類植物的根系可增強(qiáng)坡面的穩(wěn)定性,提高坡面的抗剪能力,有效防止滑坡坍塌,植物的枝葉還能減輕暴雨對坡面的侵蝕并緩解風(fēng)浪對坡面的淘蝕。從沙口險段歷次崩岸險情來看,其水上護(hù)坡工程二級護(hù)坡采用三維植被網(wǎng)護(hù)坡或其他形式的植物護(hù)坡,比單純用塊石或混凝土六方塊護(hù)坡更能起到固土護(hù)坡的作用。

5.2.3護(hù)岸措施

結(jié)合環(huán)境整治,水位變動區(qū)4.5 m高程以上與岸坡直墻之間設(shè)植草綠化平臺與親水觀光平臺,以改善景觀。

6 結(jié) 語

沙口險段屬較為典型的崩岸型險段,經(jīng)初步研究,其險段成因及發(fā)展受河勢、上游涉水建筑物、堤圍堤基地質(zhì)條件、周邊人類活動等的綜合影響,其中土體自重和坡內(nèi)滲流是主要因素,水流沖刷則有助推效應(yīng),傳統(tǒng)的護(hù)腳、護(hù)岸(坡)措施已難以解決這類河床持續(xù)沖刷、險段深槽迫岸態(tài)勢的問題。本文提出了河勢調(diào)整和岸坡防護(hù)相結(jié)合的治理思路,對險段河道整體河勢改變不大,工程措施具有較強(qiáng)操作性和針對性,在險段綜合治理開展時,建議通過數(shù)學(xué)模型、河工模型等手段開展深入研究,細(xì)化、優(yōu)化治理工程布置,以進(jìn)一步提升工程治理的實(shí)效性和穩(wěn)定性。