长江中游戴家洲河段崩岸特性及护岸措施研究

刘万利 ，李旺生 ，李一兵 ，李华国 ，陆 英

（1.清华大学水利水电工程系水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京100084；2.交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456；3.长江航道局，武汉 430010）

河道崩岸是冲积性平原河流河床演变中的一种自然现象。由于崩岸影响河势稳定、防洪安全、航道条件等，依赖护岸工程来保持河岸的稳定、抑制河道的横向变形是治河中的常规手段［1-4］。在长江中下游航道整治工程中，因稳定河势、稳定洲滩的需要，护岸工程得以较为广泛应用。护岸工程的实施，一定程度地限制了河岸的横向变形，从而限制了河宽的增加，但不管条件的见岸就护、见滩就守，治河工程不可为，航道治理工程同样不可为，因此结合河势的变化，选择合适的护岸时机及合理的护岸措施十分重要［1］。

1 工程河段基本情况

1.1 河道概况

长江中游戴家洲河段位于汉口下游约99 km，上承沙洲水道，下连黄石水道，全长约34 km。包括巴河和戴家洲两水道，其中戴家洲洲体将戴家洲水道分为园港、直港两汊（图1）。根据分析，戴家洲洲体右缘不断崩退，直港曲率半径进一步加大，给直港航道带来了不利影响［5-6］，因此有必要对戴家洲河段护岸时机进行分析，对守护措施进行研究，为下一步直港整治乃至本河段总体方案的实施奠定更好的基础。

本项研究工作是从2009年3月开始启动，随后又进行了连续不间断地跟踪分析研究，对戴家洲河段崩岸特点、原因及岸坡守护时机进行了研究，动态性地提出了护岸工程措施。

图1 戴家洲河段河势图Fig.1 Sketch of Daijiazhou reach

1.2 崩岸特点

经统计，1970～2003年间（三峡蓄水前），戴家洲右缘最大崩退幅度约470 m，年均后退幅度约10 m；三峡工程蓄水以来的2003～2008年，年均后退幅度约30 m；2008～2011年，年均后退幅度约50 m（表1）。可见，戴家洲右缘一直处于崩退中，三峡蓄水以来年均崩退幅度大于往年，近年崩退幅度加快［7］。经分析，戴家洲崩岸发生的主要时期为落水期、枯水期，崩岸类型基本属条崩［4］。

表1 戴家洲右缘崩退情况统计表Tab.1 Statistics of riverbank collapse of Daijiazhou reach m

1.3 崩岸原因分析

1.3.1 河岸地质

（1）土体组成及分布。勘探结果表明，戴家洲洲体右缘揭露的地层属于第四系全新统河流冲积相（Q4al）沉积层。表层分布薄层软塑—可塑状态的粉质粘土（厚度为3.3～7.3 m），其下均为砂性土，砂性土一般从上至下由松散（厚度为4.0～6.3 m）、稍密（厚度为5.0～10.4 m）到中密状态（厚度约为21.5 m）；深度36.5 m以下为白垩纪东湖群砂岩。岸坡具有明显的二元或多元结构特征。具有这种土体结构的岸坡，由于上层粉质粘土厚度较小，抗冲性差，下层粉砂厚度大，但颗粒较为均匀，最易起动和分散搬运，抗冲性能很差，因而坡体特别是坡脚极易被水流侵蚀冲刷，很容易形成稳定性差的陡岸高坡。

根据Torrey对密西西比河下游岸坡稳定性与土体二元结构的关系的研究成果，当下卧砂土层厚度Hs与上覆黏土层厚度Hc之比小于0.7时，岸坡处于稳定状态，而戴家洲右缘的Hs/Hc值远大于0.7。

（2）地下水渗流。戴家洲右缘岸坡土体下层细砂密实度不高、透水性强，易形成入河方向的连续大比降渗流。大比降渗流会冲刷坡面和淘刷坡脚，导致岸坡失稳崩塌。

1.3.2 河道地形

（1）河势形态。戴家洲右缘处于直港微弯河道的凹岸，且下段处于两汊汇流区附近。而根据研究，弯道凹岸、汊道分流和汇流处，一般主流贴岸形成强烈冲刷，易出现崩岸现象。

（2）岸坡局部地形。经过踏勘，戴家洲目前洲体（水面以上）大多坡度较陡，约在60°，局部接近直立临空面，岸坡土体有可能会产生重力破坏。

1.3.3 水流条件

（1）河道水流动力。当直港深泓沿戴家洲右缘坐弯时，主流线左摆，则戴家洲右缘岸坡愈不稳定；当直港左岸（戴家洲右缘）存在高大边滩时，该边滩附近岸坡相对稳定，即边滩对岸坡起到了一定的掩护作用。

另外，戴家洲右缘坡脚处砂土抗冲临界流速仅在0.5～0.7 m/s，而此处纵向水流流速一般超过此临界值［8-9］。

（2）河道水位变化。本河段洪水期岸坡土体因长期浸泡水中而达到饱和状态，其中孔隙水压力很高，抗剪强度下降。汛后河道水位快速下降，土压力增大，并可能形成非恒定大比降渗流，对岸坡稳定性的不利影响持续加重。

2 戴家洲右缘崩岸敏感性计算

2.1 崩岸敏感性计算研究思路

右缘崩岸后，直港内航道条件具体的变化情况，需要通过崩岸敏感性计算加以说明。为此，开展了崩岸的敏感性数值模拟计算研究［8］。

应用数学模型对戴家洲右缘不同崩岸情况下的河床变化分别进行了计算（表2），计算结果表明，不同崩岸程度下的直港河道变化定性上是一致的。计算结果如下（限于篇幅，本文只列出崩岸100 m的计算结果）。

计算基于2009年3月实测地形，水文条件为2006年2月～2009年3月代表水文年过程。

2.2 计算结果

（1）流速场的变化。崩岸后，枯水流量下直港上段主流线位置略向左移，而下段主流线位置虽变化不大，但水流比较分散；各级流量下的直港航槽内流速值与崩岸前相比略有减小，减小幅度为3%～5%。

崩岸后左右两汊汇流区水流流向向左侧略有偏转，其中中枯水期偏转角度约为2°。这种水流流向的偏转对两汊出口处的船舶航行是不利的，主要体现在两个方面：一是水流流向的左偏造成园港出口水流流态更差，从而会影响园港出口处船舶的航行；二是直港出口处主流更靠近左岸边的廻风矶，直港出口处航道水流条件有所恶化。

（2）汊道分流比的变化。崩岸后，各级流量下的直港分流比略有增加，这主要与戴家洲右缘崩岸后直港阻力减小有较大关系（表3）。

（3）河床冲淤变化。戴家洲右缘崩岸后，直港进一步向宽浅方向发展，紧临戴家洲右缘深槽有所淤积，淤积厚度约为0.5 m，同时直港内仍存在上、下碍航浅区，且浅区水深较崩岸前略有减小，减小幅度为0.2～0.3 m，浅区水深仍不足4.5 m。

表2 崩岸敏感性计算方案汇总表Tab.2 Sensitivity calculation plans of riverbank collapse m

表3 各级流量下崩岸前后直港分流比变化情况表Tab.3 Discharge ratio variation under various discharges of Zhigang reach before and after collapse %

2.3 计算小结

崩岸后表现出了对直港既有有利的一面，也有不利的一面，分别为：（1）有利的方面：枯水流量下直港上段主流线位置略向左移，有利于直港上段坐弯；（2）不利的方面：下段主流线位置虽变化不大，但水流比较分散，对直港下段坐弯及下浅区不利，同时崩岸后左右两汊汇流区水流流向向左侧略有偏转，这种水流流向的偏转对两汊出口处的船舶航行是不利的；各级流量下的直港航槽内流速值与崩岸前相比略有减小；直港向宽浅方向发展，紧临戴家洲右缘深槽及直港上、下浅区有所淤积。

从崩岸敏感性计算结果可以看出，崩岸后出现了许多对直港不利的一面，同时考虑到右缘不断崩退的实际情况，更倾向于先对戴家洲右缘下段进行守护［5］。

3 戴家洲右缘守护时机分析

戴家洲右缘不断崩退，从崩岸敏感性计算成果来看，崩退后给直港航道带来一些不利的因素，如直港曲率半径更大，而使直港平面形态继续朝不利方向发展，从而影响一期工程效果和总体工程全面实施的条件。考虑到直港已初步形成贴岸深槽（2009年3月），且右岸边滩有所淤积，此现象对直港航道来说是有利的，因此应抓住时机，在戴家洲右缘必要部位先期实施守护工程。

3.1 戴家洲右缘护岸时机分析的思路

根据前述崩岸敏感性计算结果，更倾向于先对戴家洲右缘下段进行守护，但从寻求最佳工程方案不排除任何一种可能性的科学研究精神出发，确立戴家洲右缘守护的两种思路：一是戴家洲右缘全线守护一次性实施；二是戴家洲右缘下段守护，而戴家洲右缘上段待时机成熟后再行守护。

3.2 护岸时机分析

（1）根据直港合理曲率半径来分析护岸位置。

参照直港航道条件较好时期的曲率半径来看（表4），其满足枯水期航道通航条件的曲率半径一般在10～12 km的范围内，如1998年3月的曲率半径约为12 km。从2009年3月地形来看（图2），直港的曲率半径约15 km，与直港历史上行航道条件较好时期河道曲率半径相比，明显过大，致使直港弯道水流特性较弱，航道条件较差。戴家洲右缘下段的进一步崩退，将增大直港的曲率半径及下段河宽，影响直港河道平面形态过直问题的解决，而使直港平面形态朝过直方向发展，航道条件向不利方向变化。

根据统计分析，直港枯水期航道条件与河道曲率半径密切相关，当其曲率半径在10～12 km时，滩槽形势有利，航道条件较好，因此可以将这一范围的曲率半径作为直港较为理想的曲率半径，并将这一曲率半径在直港凹岸侧对应的边界线作为直港的规划整治线，在此曲率半径取近期河段航道条件较好时（如1998年3月）的曲率半径，即12 km（图2）。从图2可以看出，2009年3月，戴家洲右缘上、中段岸线距规划整治岸线尚有崩退的余地，而下段洲缘已接近或略超过规划的整治岸线，应抓紧对其进行守护，否则直港曲率半径会继续增大，增加后续工程实施难度。

表4 直港曲率半径与航道情况对应表Tab.4 Relationship between radius of curvature and channel condition of Zhigang reach

（2）根据方案试验结果来分析护岸位置。

动床模型开展了关于戴家洲右缘守护的多组方案的试验研究，包括全守护、下段守护。从试验结果来看，一方面，戴家洲右缘下段守护方案和已建的戴家洲洲头鱼骨坝工程（一期工程）限制了直港河道的进口、出口主导河岸的后退，基于目前直港曲率半径偏大，考虑到河道中段主流贴左岸，右缘中段岸线适当后退后，则戴家洲直港曲率半径有所减小，直港凸岸边滩随曲率半径减小、弯道环流增强、河宽增大而有所淤积，因此戴家洲右缘下段守护工程更有利于直港枯水水流坐弯，且各级流量下的直港分流比与工程前相比均略有增加，对改善直港的航道条件是有利的；另一方面，戴家洲右缘下段守护工程一定程度地规避了戴家洲直港出口航道左移和廻风矶航路、下游桥梁航路衔接不顺问题的严重化。

因此确定对戴家洲右缘下段先进行守护，而戴家洲右缘上段待时机成熟后再行守护。

图2 戴家洲河段理想曲率半径示意图Fig.2 Sketch of ideal curvature radius of Daijiazhou reach

3.3 戴家洲右缘守护的思路及先期护岸位置的确定

关于对戴家洲右缘下段进行先期守护的思路确定以后，进而需要确定守护具体位置。为此，动床模型开展了多组方案认识性试验，守护位置涵盖了从戴家洲右缘弯顶以上至洲尾、从弯顶处至洲尾及从弯顶以下至洲尾等（表5）。试验中重点观察戴家洲右缘侧水流平顺情况及流速分布情况。

表5 护岸位置认识性试验情况表Tab.5 Sensitivity tests of revetment position

从试验结果来看：当守护起点位置位于戴家洲右缘弯顶以上时，下段守护岸线与上段崩岸后的岸线衔接不平顺，水流不归顺；当守护起点位置位于弯顶处时，由于该处局部流速较大，且弯道环流强度较强，可能导致守与不守衔接处局部地形严重淘刷（表6）；当守护起点位置位于弯顶以下时，水流平顺，且衔接处流速相对较弱。

经综合对比分析，确定戴家洲右缘先期守护位置为从戴家洲右缘弯顶以下至洲尾段，守护长度约为3 800 m。

戴家洲右缘下段守护工程已于2010年底开始实施。根据研究，待时机成熟后，即戴家洲右缘中上段崩岸后直港曲率半径达到或接近理想值时，再实施戴家洲右缘中上段守护工程。从2011年12月地形来看，戴家洲右缘下段守护工程实施后，随着戴家洲右缘中上段的崩退，直港弯曲半径为11.5 km，且岸线较平顺，即戴家洲右缘岸线已呈十分理想弯曲线型，同时直港滩槽格局及航道条件趋好，整个戴家洲右缘实施守护工程的条件已具备。

表6 戴家洲右缘近岸流速沿程分布情况表Tab.6 Nearshore velocity distribution along the river of Daijiazhou reach m/s

4 护岸措施

考虑到戴家洲洲体右缘岸坡较长，周边水流、地形、地质等条件复杂，有必要对护岸措施进行深入研究，保障工程既能达到工程效果同时结构稳定。

4.1 护岸型式的选择

护岸结构有直立式、斜坡式、混合式三种。直立式护岸一般应用于水深较深、地基较好、岸线纵深较小和用地紧张的地段，多用于城区水域或中小河流；斜坡式护岸的优点是顺应河岸形态护岸，整体结构稳定可靠，施工便利，维护方便，对水流的干扰较小。

从本工程钻探地层结构可知，上层地质结构以粉质粘土为主，并夹杂淤泥质粉质粘土和粉土层，下部为粉细沙层，且土层含水量高；往下主要为粉细沙。整个护岸区域土体耐冲刷性均较差，在江水的冲刷、淘蚀下，易形成崩塌或滑坡，且这种破坏会随着外层岸坡不断崩塌冲蚀逐渐向内发展。

因此，从护岸的稳定性出发，本护岸工程采用斜坡式平顺护岸型式。护岸主要由陆上护坡、枯水平台、水下护底、镇脚组成。下面重点对陆上护坡结构型式进行分析研究。

4.2 陆上护坡结构型式的选择

护坡结构应根据工程部位的地形地貌、河岸土质、近岸水流、风浪、破坏变形、环境要求、施工强度以及材料来源等因素综合分析比选。目前护岸常用的护坡结构型式主要有干砌块石、浆砌块石、干砌预制砼块、浆砌预制砼块、钢丝网格及模袋混凝土等。

干砌预制砼块护坡具有取材容易、可工厂化生产、施工简单、施工速度快、适合大规模应用这些显著优点，砼块缝隙间可以生长草木，有一定的生态效应，其透水性较差缺点可以通过在砼块中间设置透水孔来提高其透水性。考虑到戴家洲右缘上段约2 000 m范围内及下段约4 000 m范围内为非迎流顶冲段，近岸流速较小（表6），且坡脚处冲淤幅度较小，该段岸坡相对较稳定，因此该段护坡宜选用干砌预制砼块作为护坡面层结构。

钢丝网格整体性和透水性好、可适应变形、耐久、防水流冲刷、生态环保等优点。虽然钢丝网格工程造价要稍高，但用于护坡有其明显的优越性。而对于本护岸工程中段约4 000 m范围内，岸坡坡比较陡，为迎流顶冲弯顶段，近岸流速较大，坡脚处冲刷幅度较大，岸坡稳定性要差于上段及下段，因此该段护坡宜选用钢丝网格。

综上，护岸上段及下段一定范围陆上护坡结构采用干砌预制砼块结构，护岸中段陆上护坡结构采用钢丝网格结构。

5 结论

（1）根据天然实测资料，并通过戴家洲右缘崩岸敏感性计算，分析了戴家洲右缘崩退与直港航道条件的关系，表明崩岸后直港上段主流线有坐弯的趋势，但崩岸后出现了许多对直港不利的一面，如直港曲率半径加大，航道条件恶化，直港出口航道左移与廻风矶航路、下游桥梁航路衔接不顺。由此更倾向于先对戴家洲右缘下段进行守护。

（2）根据直港合理曲率半径以及崩岸敏感性计算结果分析了护岸时机，确定对戴家洲右缘下段先进行守护，而戴家洲右缘上段待时机成熟后再行守护。并最终确定了戴家洲右缘先期守护位置为从戴家洲右缘弯顶以下至洲尾段，守护长度约为3 800 m。随后又进行了连续不间断地跟踪分析研究，动态性地提出了护岸工程措施。

（3）对长江中下游已有护岸措施及其适应性进行了分析，在此基础上，提出了戴家洲右缘护岸工程措施。其中，护岸上段及下段一定范围陆上护坡结构采用干砌预制砼块结构，护岸中段陆上护坡结构采用钢丝网格结构。

［1］刘万利，李旺生.长江中游戴家洲河段戴家洲右缘崩岸特性及护岸措施专题研究报告［R］.天津：交通部天津水运工程科学研究所，2010.

［2］余文畴，卢金友.长江河道崩岸与护岸［M］.北京：水利水电出版社，2008.

［3］张幸农，蒋传丰，应强，等.江河崩岸问题研究综述［J］.水利水电科技进展，2008，28（3）：80-83.ZHANG X N,JIANG C F,YING Q,et al.Review of research on bank collapse in natural river［J］.Advances in Science and Technology of Water Resources，2008，28（3）：80-83.

［4］张幸农，蒋传丰，陈长英，等.江河崩岸的类型与特征［J］.水利水电科技进展，2008，28（5）：66-70.ZHANG X N,JIANG C F,CHEN C Y,et al.Types and features of riverbank collapse［J］.Advances in Science and Technology of Water Resources，2008，28（5）：66-70.

［5］刘万利,李旺生,朱玉德,等.长江中游戴家洲河段航道整治思路探讨［J］.水道港口，2009，30（1）：31-36.LIU W L，LI W S，ZHU Y D，et al.Study on Channel Regulation of Daijiazhou Reach in Middle Yangtze River［J］.Journal of Waterway and Harbor，2009，30（1）：31-36.

［6］刘万利,李旺生,朱玉德,等.长江中游戴家洲河段河床演变分析及趋势预测［J］.水道港口，2011，32（4）：259-263.LIU W L，LI W S，ZHU Y D，et al.Alluvial process analysis and trend prediction of Daijiazhou reach in middle Yangtze River［J］.Journal of Waterway and Harbor，2011，32（4）：259-263.

［7］蔡大富，闫军.长江中游戴家洲河段戴家洲右缘下段守护工程工程可行性研究报告［R］.武汉：长江航道规划设计研究院，2009.

［8］张明进，王建军.长江中游戴家洲河段戴家洲右缘守护工程工可阶段数学模型研究报告［R］.天津：交通部天津水运工程科学研究所，2009.