河道堤防沖刷隱患評價體系研究以寧波市奉化江河段為例

郭巨海，張舒羽，2，程文龍，唐子文

（1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.浙江同濟科技職業學院，浙江 杭州 311231）

1 問題的提出

沿江堤防工程是城市防洪工程體系的重要組成部分，然而部分堤防由于河段地質條件較差、河流動力較強，在季節性洪水過程作用下，容易出現堤腳淘刷、堤身失穩等堤防安全問題。張翼等[1]和王延貴等[2]對彎曲河道河岸淘刷、崩退機理進行探討，指出彎道進口處的凸岸、彎道及其出口處的凹岸都屬于高剪切力區，河岸淘刷嚴重，其中凹岸岸腳處的剪切力最大、淘刷最嚴重。張芳枝等[3]分析河流沖刷作用對堤岸滲流和變形的影響，提出滲透流速的最大值出現在堤腳，沖刷作用使堤岸的滲透流速有所提高，并使堤岸坡腳沿外江方向的水平位移明顯增加，越靠近坡腳，外江方向水平位移增加的幅度越大。

近年來隨著城鎮化進程的快速推進，城市防洪堤建設標準不斷提高、建設長度不斷增加，由于堤防工程沿程不同河段河勢特征、地質條件、人類活動等影響因素存在差異，開展沿江堤防安全綜合評價意義重大。國內已有不少專家學者對河道堤防安全評估開展相關研究，汪自力等[4]從堤防工程安全評價的含義、影響堤防工程安全的主要因素等方面對堤防工程安全評估方法進行系統的探討，李青云等[5-6]結合長江中下游堤防的特點和破壞機理，初步建立長江中下游堤防安全評價的理論框架，提出堤防安全評價的流程與方法。介玉新等[7]將層次分析法應用于堤防的安全評價中，較為全面地考慮影響堤防安全的主要因素，反映堤防的綜合安全狀況。康業淵等[8]應用層次分析法、遺傳算法以及集值統計法，構建堤防安全綜合評價模型。雷鵬等[9]針對堤防不同的破壞模式應用模糊理論對堤防安全進行綜合評價。蔡新等[10]利用灰色理論構建堤防安全風險評價指標體系。現階段堤防安全評價能較為準確全面地評價堤身安全，其參數多基于堤身結構、堤基特性等，影響因子較多，因此對基礎數據的要求相對比較高。這些方法在影響因子數據不易獲取或堤防較長而導致參數調查工作量大時，應用受到一定的限制。

本文從河流動力學角度篩選容易獲取數據的隱患評價因子，并應用層次分析法，構建堤防沖刷隱患點評價指標體系，結合二維水流數學模型，對堤防進行沖刷隱患位置初步排查，為汛前重點河段排查、布防提供科學決策的參考依據。本文以寧波市奉化江為例，分析評價2016年奉化江江道沖刷隱患點分布，排查結果與實地踏勘結果吻合良好。研究成果可作為潮汐河口堤防隱患初步排查的輔助手段，從一定程度上減少人工隱患巡查的時間成本和經濟成本，為管理部門篩查堤防沖刷隱患提供技術支撐。

2 奉化江概況

寧波市奉化江自方橋三江口以下至甬江三江口全長約26.4 km，多年平均徑流量為16.4億m3，河道上寬下窄，最寬處220 m，最窄處僅93 m[11]。河段內河道比降小，河勢蜿蜒曲折，河灣分布密集（見圖1）。2016年前僅寧波市區及周邊段內建設有防洪堤防，上游河段內多為自然岸線，洪水期河道漫灘，局部邊坡失穩時有發生。近2 a來，奉化江干流兩岸逐步建成20 ～ 100 a一遇標準的防洪堤，其中寧波三江口至鄞州大橋為100 a一遇，鄞州大橋至繞城高速為50 a一遇，繞城高速至方橋三江口為20 a一遇，到2017年干流防洪堤全線封閉。洪水期水流歸槽，沿線防洪能力顯著提升。然而由于該河段26.4 km范圍內分布有近20處河灣，部分彎道曲率半徑較小，洪水期沖刷風險較高。

圖1 奉化江（方橋三江口—甬江三江口）河段示意圖

3 河道沖刷隱患評價體系

本文采用層次分析法（AHP）構建河道沖刷隱患評價體系，基本思路:首先篩選能夠反映隱患點特征的評價指標，其次由于篩選不同指標量綱、單位存在一定差異，需要對指標數據進行標準化處理，便于后期綜合分析評價，標準化之后依照專家意見確定各指標在綜合指標中所占權重，最后結合綜合評價公式對各斷面進行隱患點排查。

考慮到江道堤防沖刷隱患評價涉及影響因素較多[12]，本文從河流動力角度出發，選取河道深泓線距堤防距離、河道斷面最深點高程、近岸流速、彎道水面橫比降、近岸沖刷幅度作為指標參數，并給出不同指標標準化過程。

河道深泓線距堤防距離:若深泓線離堤防越近，沖淤對堤防的影響越大，增大堤腳沖刷的風險；反之，若深泓線離堤防越遠，沖淤對堤防影響相對較小。結合三江河道深泓線特點，以深泓線離堤防距離占斷面河寬百分比作為評價指標，評價指標評分見表1。其中標準化評分越高表明該位置深泓線離岸越近，越有可能存在隱患，評分最大值為1.0，最小值為0.0。

表1 河道深泓線距堤防距離標準化評分表

河道斷面最深點高程:若河道最深點高程越低，則越不利于堤防穩定；若河道最深點高程較高，則對堤防穩定性影響越小。結合三江河道最深點高程特點，以斷面最深點高程作為評價指標，評價指標評分見表2。其中標準化評分越高表明該位置最深點高程越低，越有可能存在隱患，評分最大值為1.0，最小值為0.0。

表2 河道斷面最深點高程標準化評分表

近岸流速:若河道內近岸流速較大，則越易發生堤腳沖刷，產生堤防失穩破壞；相反，若近岸流速越小，堤腳沖刷相對較小，結構亦較安全。本研究中采用現狀堤線1%頻率洪峰流量下最大近岸（0 ～ 40 m范圍內）流速作為評價指標，計算時分別取各河段內最大、最小流速作為極值，各斷面近岸流速通過公式（1）計算得到標準值。其中標準化評分越高表明該位置流速越大，越有可能存在隱患，評分最大值為1.0，最小值為0.0。

式中:A為指標標準值；U為各斷面近岸流速（m3/s）；Umax、Umin分別為各河段內近岸流速最大值、最小值（m3/s）。

彎道水面橫比降。在河道彎道處由于水流過彎時的離心作用，凹岸側水流往往會有一定程度的抬升，在大流量洪水過程中，由于流速增加顯著，水面抬升也相對較大。河道內水位抬高越大，彎道環流作用越強，水流對堤岸的淘刷也越明顯。本文中采用現狀堤線1%頻率洪峰流量下彎道水面橫比降作為評價指標，計算時分別取河段內最大、最小水面橫比降作為極值，各斷面橫比降通過公式（1）的計算得到標準值。其中標準化評分越高表明該位置彎道水面橫比降越大，越有可能存在隱患，評分最大值為1.0，最小值為0.0。

近岸沖刷幅度。洪水期堤防近岸沖刷幅度能夠較直接地反映堤防受洪水影響程度，本研究通過二維數學模型計算近岸水流流速以及水深，再依據GB 50286 — 2013《堤防工程設計規范》計算沖刷深度，如公式（2）～（3）所示作為評價指標，公式（2）為護岸沖刷深度公式，公式（3）為張瑞瑾公式。結合三江河道特點，評價指標評分見表3。其中標準化評分越高表明該位置近岸沖刷幅度越大，越有可能存在隱患，評分最大值為1.0，最小值為0.0。

式中:hs為沖刷深度（m）；H0為沖刷處水深（m）；Ucp為近岸垂線平均流速（m/s）；n為與防護岸坡在平面上的形狀有關的系數，n = 0.16 ～ 0.25；Uc為泥沙起動流速（m/s）；d50為床沙中值粒徑（m）；γs、γ為泥沙與水的容重（kN/m3）。

表3 河道近岸沖刷深度標準化評分表

在計算綜合系數時，各因素對隱患點評價的貢獻不同，因此需要確定相關指標所占的權重值。因素權重確定采用主觀賦權法，主要依據專家對研究對象的經驗，確定奉化江河段各指標權重值（見表4）。

表4 河道隱患點評價系數權重表

河道隱患點評價系數綜合評價模型為:

式中:f(S)為河道隱患點評價系數；ωi為隸屬于評價系數的第i個指標的綜合權重值，0.0≤ωi≤1.0，且Σωi= 1.0；Xi為隸屬于評價系數的第i個指標的經過標準化過程的指標值。

將綜合評價分值＞0.5的作為重點排查河段，綜合評價分值越高，沖刷隱患風險越大。

4 奉化江河段河道隱患評價

基于上述評價方式，本文結合實測水文、水下地形資料及二維數學模型計算結果對2016年奉化江河道沖刷隱患進行綜合評價，部分特征斷面綜合評分見表5。基于上述綜合評價系數計算結果，可以得出彎道河道凹岸位置普遍評分較高，存在洪水期沖刷隱患，奉化江河段高隱患區域分布見圖2。通過分析可知，奉化江自方橋三江口至甬江三江口河段內多數隱患點集中于上游急彎段凹岸位置，如36# ～ 38# 彎道斷面、33# ～ 34# 彎道斷面、17# ～ 18# 彎道斷面，以上幾處斷面位置深泓離凹岸較近，洪水期彎道流速較大，綜合評分相對較高，存在沖刷隱患。銅盆閘以下段隱患點位于3#、8#彎道凹岸位置。此外，甬江三江口附近由于河道較窄，洪水期流速較大，易產生堤腳沖刷，綜合評分相對較高，亦存在沖刷隱患，奉化江河段隱患段總長度約11.8 km。

結合實地踏勘，評分較高處河道堤防確有存在一定堤腳淘刷及護岸損壞等險情，表明應用河道隱患綜合評價能夠較好的對河道險工險段進行初步排查，為堤防管理部門提供一定技術支持與決策依據。

圖2 奉化江段（方橋三江口—甬江三江口）沖刷隱患分布示意圖

5 結 語

本文基于層次分析法，從河流動力學角度，構建河道沖刷隱患評價體系，選取河道深泓線距堤防距離、河道斷面最深點高程、近岸流速、彎道水面橫比降、近岸沖刷幅度作為指標參數，并給出不同指標標準化過程，進而提出河道沖刷隱患綜合評價方法。以奉化江（方橋三江口 — 甬江三江口）河段為例，利用河道沖刷隱患評價體系進行綜合評價，分析表明該河段隱患點主要集中于上游橫漲、銅盆閘等急彎段凹岸及甬江三江口附近河道較窄處，評價結果與實地踏勘結果吻合良好。