長江中下游崩岸預測若干問題的探討

(1.長江勘測規劃設計研究有限責任公司 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

長江中下游崩岸預測若干問題的探討

彭良泉1周波2

(1.長江勘測規劃設計研究有限責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)

準確預測崩岸是崩岸治理領域迫切需要解決的問題。針對目前崩岸預測現狀和存在的問題，以荊江某一河段為例，提出了準確預測崩岸的前提條件：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和演變規律；充分應用地形學和地質學，并重視人類活動的影響。在此基礎上，提出了崩岸預測的基本思路，為崩岸預測提供了分析準則。

河床演變; 崩岸預測；長江中下游

1 崩岸預測的必要性和重要性

在崩岸治理設計過程中，準確把握崩岸治理范圍非常重要。針對這一問題，目前有以下兩條主要思路。

(1) 根據歷年的崩岸資料進行統計，得到大致的治理范圍。這種思路實用性強，且被廣泛認可，因此在目前應用較多。但如果不對這種思路得到的崩岸治理范圍進行仔細研究，不結合具體實際情況，仍對已經崩塌過的堤岸進行整治，一是可能造成浪費，二是可能產生新的崩塌。對于前者，可能因為崩岸已經發生，危險的勢能已經得到釋放，堤岸重新達到了某種新的平衡，具有一定安全度，但如果不加以分析，仍對此種情況下的岸坡進行治理，則會造成浪費；對于后者，崩岸發生后，可能達到新的臨界狀態，如果此時貿然在崩塌堆積體上進行拋石加載，則很有可能造成更大的崩塌。因此，根據這種思路確定的治理范圍，應特別注意加以分析，防止浪費或產生新的崩塌。

(2) 通過科學預測，事先確定將會發生崩岸的范圍，對其采取合適的工程措施，保證其不會發生崩岸。這種思路目前還沒有得到普遍認可，也沒有引起足夠的重視，但應該是今后努力的方向。因為崩岸一旦發生，將會造成不可挽回的損失，甚至威脅人民群眾生命財產安全。所以，應提前對將會產生崩岸的地方進行處理。

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

眾所周知，由于崩岸發生具有漸進性，有一個量的積累過程，但其破壞卻是突發性的，一旦發生就可能會造成重大損失。但目前崩岸治理設計依然滯后于崩岸險情發生，往往是事后才采取措施進行整治，形成目前較為被動的局面。為了盡量避免損失，必須提前對崩岸險情進行預測，在險情發生前就采取措施進行治理，因此，要求對崩岸險情能夠見微知著，及時發現險情，即崩岸預測。但鑒于崩岸的產生機理復雜，影響因素多樣，是一個非常復雜的多學科、系統性課題，準確預測崩岸險情十分困難。研究崩岸機理，探討崩岸形成原因和規律，提高崩岸預測預報的準確性，是崩岸治理領域迫切需要解決的現實課題，具有重大的理論和實踐意義。

2 崩岸預測研究現狀及存在的問題

針對荊江河段存在的崩岸問題，在2006～2009年開展了一系列研究：2006年啟動了河勢演變監測及研究分析工作[1]，2007年采用傳統的“典型斷面比較法”，2008年采用“監測導線分析法”，2009年采用綜合以上兩者的“岸坡穩定性綜合評估法”。

2010年監測岸段共提出8處警戒岸段，總長23.40 km，在2011年發現較大崩岸11處，崩岸長度共3.61 km。在2010年預測的警戒岸段中僅有580 m在2011年發生崩岸，其他3.03 km不在預警范圍內，準確預報率僅2.48%，警戒岸段長度為實際發生崩岸長度的6.48倍。

2011年監測岸段共提出7處警戒岸段，總長19.06 km。在2012年發現較大崩岸16處，崩岸長度共2.71 km。在2011年預測的警戒岸段中僅有450 m在2012年發生崩岸，其他2.26 km不在預警范圍內，準確預報率僅2.36%，警戒岸段長度為實際發生崩岸長度的7.03倍。

2012年監測岸段共提出9處警戒岸段，總長19.085 km。在2013年度發現較大崩岸11處，崩岸長度共4.545 km。在2012年預測的警戒岸段僅有970 m在2013年發生了崩岸，其他3.575 km不在預警范圍內，準確預報率僅5.08%，警戒岸段長度為實際發生崩岸長度的4.20倍。

上述資料表明，根據水下監測導線沖淤、水下坡比變化以及沖刷坑變化情況分析得出的預警岸段絕大部分并未發生崩岸，而沒有得到預警的岸段卻發生了崩岸。一方面預測的崩岸長度遠大于實際發生的崩岸長度，達到4.20～7.03倍；另一方面，預測的崩岸部位也與實際發生的崩岸部位大相徑庭，準確預報率僅2.36%～5.08%。出現這種現象的主要原因與崩岸發生的機理非常復雜有關，但同時也說明預測預警方法與實際存在較大差異。

根據上述資料，準確預測崩岸相當困難。要想提高預測的準確率，準確把握崩岸發生的范圍，需要充分掌握準確預測崩岸的前提條件。

3 準確預測崩岸的前提條件

3.1 整體把握三峽水庫蓄水前后水沙變化規律

根據有關資料，三峽水庫蓄水后，一方面大部分粗顆粒泥沙被攔截在庫內，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。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%；監利以下河段懸沙顆粒沿程變細，大于0.125 mm的泥沙含量也沿程減少。

基于上述資料，取得以下兩點共識：三峽水庫運行以來，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河床普遍沖刷。②由于水庫調度運行，調洪錯峰，中水時段普遍加長導致岸坡較建壩前承受更長時間的沖刷。

3.2 深入理解河段河型特點與演變規律

長江中下游河道流經廣闊的沖積平原，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各異。不同的河型具有不同的平面變化特點，即崩岸表現形式不同。

(1) 順直型河段。順直型河段發生崩岸的現象一般較少，僅在沒有邊灘掩護且深泓近岸的情況下發生沖刷，導致河寬增大，使河床可能呈現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，邊灘構成凸岸，凹岸沖蝕，凸岸淤長。當河彎發展到某種程度時，在一定水流泥沙和河床邊界條件下，可能發生裁彎、切灘或撇彎，引起劇烈的崩岸。

(3) 分汊型河段。當支汊為順直型時，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類同。當支汊為微彎或曲率適度的彎道時，遵循一般彎道凹岸崩坍、凸岸淤積的規律。當支汊為鵝頭型時，則與彎曲型彎道的平面變形造成的崩岸特點類似。

(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，且平面形態基本呈正弦曲線的河段。其平面變形的特點是：凹岸崩坍，凸岸淤積，其中彎道頂點下段崩岸比上段強，整個彎道也呈向下游緩慢蠕動的趨勢。其平面變形主要受縱向水流泥沙運動規律支配，橫向環流強度較弱。

3.3 充分應用地形學和地質學

根據中國科學院地理研究所(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，河道崩岸一般發生在主流靠岸、河岸土質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)崩岸最為嚴重。

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

從河岸岸坡構成上看，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對壩下河床產生沖刷，使岸坡坡腳淘刷更嚴重，從而導致崩岸事件的發生。這種情況在國內外許多河流上都發生過。岸坡上丁壩、橋梁墩臺等工程布置不當，也可能引起局部岸坡強烈沖刷，導致崩岸事件的發生。

(2) 人工挖沙及人為荷載。近岸附近的人工挖沙會產生與水流沖刷岸坡類似的效果，使坡度變陡，增加岸坡失穩破壞的可能性。即使局部人工挖沙，若挖除坡腳，也可能會導致重大崩岸事件的發生，而且挖沙機械振動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對岸坡產生強烈拍擊和沖刷，顯著增加岸坡表面沖刷；螺旋槳激蕩會增大局部流速，對底部岸坡產生嚴重沖刷。英國有關河流的觀測資料表明[3]，船舶航行引起的岸坡側蝕率可達0.35 m/a。我國也有多條河流出現過嚴重的船舶航行沖刷塌岸事件。

4 崩岸預測分析

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，清水下泄已經成為現實。但同時，由于三峽水庫的調度，壩下河道枯季流量又較蓄水前有較大增加，中水時段加長，結果導致在清水下泄作用下，因中水時段加長造成沖刷時間加長，再加之下泄水流挾沙飽和度顯著下降，需沿程補充，造成沿程河道沖刷，且沖刷顆粒粒徑呈增大趨勢，河床被沖深。

研究表明[4]，粘土、亞粘土與細沙土夾層河岸的穩定坡度均緩于1∶ 3.0；岸坡的陡緩與深泓靠岸的距離有關，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，則該處河岸應該視為重點關注的崩岸地段。

4.2 岸坡地質條件

V.H.Torrey[5]研究了密西西比河下游岸坡穩定性與土體二元結構的關系，指出當下臥砂土層厚度Hs與上覆黏土層厚度Hc之比小于0.7時，岸坡處于穩定狀態，說明上覆粘土層必須提供足夠的壓力(足夠的厚度)才能保證坡體的穩定。實測地質資料表明[6]，長江下游彭澤馬湖堤崩岸段和九江市城區防洪堤潰口處的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定狀態，這與V.H.Torrey的結論相吻合。這說明，對于下臥砂土層厚度Hs與上覆黏土層厚度Hc之比大于0.7的岸坡應該納入監測范圍。

4.3 岸坡地形條件

河岸邊坡形態可以分為5種(圖1)，不同類型的河岸形態穩定性存在差異。基于土質邊坡穩定原理，同等條件下，上凸下凹型(d)河岸的穩定性最差，外凸型(b)岸坡次之，直線型(a)岸坡居中，內凹型(c)岸坡較穩定，而上凹下凸型(e)岸坡穩定性最好。根據岸坡形態，可以初步判斷其穩定性，確定其是否應該納入監測范疇。

圖1 邊坡形態類型示意

岸灘穩定坡度遠小于相應土質的崩塌坡度。人們所觀測到的河岸坡度一般為穩定邊坡坡度，小于崩塌邊坡坡度。如果以(a)為臨界岸坡，則(b)和(d)為不穩定岸坡，崩岸發生后，對于崩塌型崩岸，會形成(c)型邊坡，重新獲得穩定；對于崩滑型崩岸，會形成(e)型邊坡，也重新獲得穩定。一般來說，崩滑型崩岸產生后重新獲得的穩定性比崩塌型要高。

4.4 人類活動影響

在上述分析的基礎上，還應重視偶發事件，如河道近岸采砂形成人為深坑，影響岸坡穩定。另外，不合理的水工建筑物布置，會造成局部水流紊亂，形成強回流區等。對于此類活動，在崩岸預測時需予以考慮。

5 結 語

由于崩岸問題具有復雜性、多學科交叉性及隨機性等特點，準確預測崩岸非常困難，但鑒于崩岸產生的危險性，對崩岸進行預測又具有非常重要的實際意義和緊迫性。本文對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測的基本思路進行了探討，目的是希望引起更多專家學者的關注，將長江崩岸預測的研究做得更好，共同推進長江治理事業。

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

[2] 中國科學院地理研究所.長江九江至河口段河床邊界條件及其與崩岸的關系[C]//長江中下游護岸工程經驗選編.北京:科學出版社，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.河岸崩塌與穩定分析[J].武漢大學學報(工學版)，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，蔣傳豐，陳長英,等.江河崩岸的影響因素分析[J].河海大學學報(自然科學版)，2009，37(1)：36-39.

(編輯：朱曉紅)

2017-09-15

彭良泉,長江勘測規劃設計研究有限責任公司江河整治公司,高級工程師.

1006-0081(2017)11-0087-04

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