对长江中下游崩岸治理设计的几点思考

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司 江河整治公司，湖北 武汉 430010；2.湖北电信工程有限公司，湖北 武汉 430014； 3.鄂州市河道堤防管理处，湖北 鄂州 436000)

对长江中下游崩岸治理设计的几点思考

彭良泉1周波2芦伟宏3

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司江河整治公司，湖北武汉430010；2.湖北电信工程有限公司，湖北武汉430014； 3.鄂州市河道堤防管理处，湖北鄂州436000)

针对长江中下游崩岸治理设计中存在的问题，分别从工程平面布置、方案设计思路以及新材料应用等方面进行了阐述。指出工程布置应该从全局出发，充分考虑河段水沙运动及河床演变趋势，并注意分析工程布置对上下游、左右岸的相互影响；针对坍塌型崩岸和流滑型崩岸，提出了判别准则，并对分析方法、设计原则等方面进行了探讨；针对传统抛石以及护坡材料，提出采用土工合成材料以及格宾进行优化的建议。

崩岸治理；坍塌型崩岸; 流滑型崩岸; 长江中下游

1 崩岸治理设计中存在的问题

众所周知，无论是汛期还是枯水期，长江中下游均发生崩岸险情，严重威胁沿江人民群众生命财产安全。为此，沿江相关省市积极部署实施崩岸治理，使长江中下游崩岸险情得到了一定程度的缓解。然而，崩岸治理设计仍存在严重滞后的现象；从崩岸治理的设计环节来看，普遍存在崩岸预测性不足、主动性不强的现象；从治理时效性上看，治理措施提前量不足，往往在崩岸发生后才进行治理，导致形成了不可逆转的河势格局，造成治理费用成倍增加，且效果差强人意；从设计方案的平面布局来看，往往忽视了来水来沙变化和河床演变趋势等客观规律的研究，缺乏联系上下游、左右岸的全局意识，导致治理效果不好甚至产生周边次生崩岸；从具体设计方案来看，存在对崩岸的产生原因、机理和类型分析不深入导致治理措施不完善的现象，对不同的崩岸类型提出的处理措施针对性不强；从材料应用来看，大多采取传统抛石方法，既破坏生态环境，又进一步造成人为悬河，新材料应用进展缓慢。

针对上述问题，本文试图从崩岸治理工程的平面布局、方案设计思路以及新材料应用等方面对崩岸治理设计进行探讨。

2 工程平面布局

崩岸治理中的工程平面布局是崩岸治理设计中最关键的问题。

2.1 基本原则

(1) 应该用客观的态度论证崩岸治理的必要性和时机性。对于长江中下游来说，由于其河床、岸坡土质多泥沙，流量和水位年内、年际变化频繁，导致崩岸是必然的。基于这样的客观演变规律，崩岸治理应因地制宜。对治理措施投入不大、性价比较高的崩岸可采取措施治理；对局部堤段常年处于崩岸的情况，在有空间的情况下应适当进行退堤，或是在崩岸发生后再采取工程措施，以获得治理工作的主动性。因此，结合河势变化，选择合适的护岸时机及合理的护岸措施十分重要。

(2) 崩岸治理的平面布局必须在深入分析三峡水库蓄水前后河段来水来沙条件变化的基础上，根据河段演变趋势，分析崩岸长度和强度，科学论证崩岸治理范围；同时，必须全面考虑工程布局对左右岸、上下游的不利影响。因为新的治理措施在一定程度上将会改变原有河道河势，使水流顶冲点发生上提或下移，产生新的冲淤变化，崩岸治理范围必须涵盖采用治理措施后可能发生的新的崩岸范围。此外，如果不协调左右岸、上下游相互关系，极有可能导致新的崩岸险情。

(3) 平面布局必须与设计方案紧密联系。合理的平面布局不仅可以优化设计方案，且可大大节约工程投资；否则即使设计方案正确，也可能造成投资成倍增加，甚至产生新的次生崩岸险情。

2.2 关键问题

大量研究表明，长江中下游大多数崩岸均发生在弯道凹岸、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。因此，本文重点讨论弯道崩岸治理的平面布局。对于顺直型河段，平面布局一般采用顺式防护。

2.2.1 合理确定弯道河宽和曲率半径

要从根本上解决崩岸问题，就要使河道河势适应来水来沙的变化，要求河道断面边界条件(主要指河道宽度)能够满足流量和水位年内、年际的频繁变化。在河弯半径较小、曲率较大的河道中，弯道环流对河床冲淤的作用较为显著。研究表明，弯道环流最大强度一般位于河弯的顶点部位和靠近顶点的弯道下部[1]，这就决定了处于发展中的河弯具有向下游蠕动的规律，弯顶附近和偏下游的部位就是崩岸强度最大的部位。

一般来说，当河弯半径越小、曲率越大，横向环流越强烈，崩岸强度也越大。因此，如果从全局上对弯道半径和曲率进行调整，减小横向环流强度，则可以切实减小崩岸范围和强度。最合理的方法是设置合理的弯道河宽，减少水流的横比降。加拿大学者Nanson和Hickin通过研究大量蜿蜒河段的迁移率发现，当曲率半径r与河宽w的比值小于6时,河岸冲刷率会随着r/w的降低而增加，当r/w=2～3时,达到最大值[2]。美国学者Biedenharn等人研究了路易斯安那州雷德河(Red River)上160个弯曲段的r/w与河岸泥沙组成对冲刷率的影响，同样发现最大冲刷率发生在r/w=2～3[3]。国内刘万利等人也发表过相关研究成果，如长江中游戴家洲河段崩岸治理河道合理曲率半径的研究成果[4]。因此，在弯道崩岸治理的平面布局中，首先应考虑的问题是如何设置合理河宽和曲率半径，从而在源头上最大程度地减小崩岸范围和崩岸强度。

2.2.2 合理确定防护范围

胡秀艳等人介绍了长江江都嘶马段崩岸的产生和发展过程[5]：1954年长江嘶马段的顶冲点位置在三江营一带，20世纪60年代在西七坝上游附近，70年代已移至嘶马红旗河口附近，90年代到达新桥港附近。而今，弯道顶冲点在杨湾港附近，这说明嘶马弯道顶冲点呈随时间不断下移的趋势，也从侧面说明了崩岸防护范围需要有提前量，只有合理确定防护范围，才能防止治理措施落后于崩岸的情况发生。

2.2.3 合理进行工程布置

合理的工程布置对崩岸治理相当重要，文献[6]介绍了一个失败的工程平面布置实例，从反面论证了这一观点。1852年上荆江河段南五洲对岸修建了郝穴矶头，从此成为荆江大堤重要的护岸工程；2005年周天河段航道整治控导工程实施时，南五洲对岸修建了潜坝群和护滩带，以让河道过郝穴矶头后主流从九华寺开始过渡到右岸的覃家渊一带；2011年再次在周公堤主航道北侧开挖一条长度近600 m，宽度为100 m的预备航槽。事实表明，无论从防洪还是航运的角度来看，在南五洲采用丁坝或矶头护脚，违背了河道整治中左右岸兼顾的原则，对荆江大堤和周天河段航道造成了不利影响。

3 设计新思路

一是目前崩岸治理方案设计中存在两个突出的问题： 基本不分析拟治理崩岸的类型； 二是将崩岸治理仅作为独立的护岸工程进行设计。前者导致治理措施的针对性不强或者失效，后者导致治理措施抓不住重点或顾此失彼。解决了这两个问题，崩岸治理方案设计才是合理的。因此，目前的崩岸治理方案设计需要新思路。

3.1 崩岸类型的确定

目前对崩岸类型尚无定论。王延贵等将崩岸类型划分为滑崩、挫崩、落崩、窝崩和洗崩5种[7-8]。张幸农等将崩岸类型划分为侵蚀型、坍塌型、滑移型和流滑型4种[9-10]。根据长江中下游河段大量的崩岸实例，张幸农等进一步提出规模较大、出现几率最高的是坍塌型崩岸和流滑型崩岸两种渐进式崩岸，其中坍塌型崩岸为高大陡坡中由渗流引起的土体崩塌破坏，流滑型崩岸则是水流冲刷过程中引起的土体滑落破坏[11]。

根据上述学者的研究，从崩岸对岸坡破坏程度来看，可以形象地归纳为以下3种：①只是划破点皮，不伤筋不动骨型，如洗崩或侵蚀型崩岸；②伤筋不动骨型，如坍塌型崩岸(包括条崩、挫崩、落崩)，重在“崩”；③既伤筋又动骨型，如流滑型崩岸(包括滑崩、窝崩)，重在“滑”。第一种崩岸的典型特征是仅岸坡表层土受到侵蚀并出现剥落，这个作用普遍且长期存在，是所有崩岸现象的最初模式，其他两种破坏型式均来源于此，且为第一种崩岸类型的最终表现形式；第二种崩岸的典型特征是崩塌土体垂直位移远大于水平推移，崩塌面粗糙且为平面，破坏进深远小于破坏长度，呈条状；第三种崩岸的典型特征是崩塌土体水平位移大于垂直位移，滑动面光滑且为曲面，破坏进深远大于破坏长度，呈圈椅状。从崩岸产生的严重程度和破坏表现特征来看，将长江中下游崩岸归纳为坍塌型崩岸和流滑型崩岸是合理的。

值得指出的是，上述两种崩岸类型是基于崩岸发生后的表现特征来区分的。对于具体工程岸坡来说，如何在岸坡发生崩岸前对崩岸类型进行预判更为关键，因为正确预测坍塌型崩岸和流滑型崩岸是准确确定规划设计治理措施的前提，需要综合考虑渗流力学、土力学、河流动力学等相关学科，并结合理论研究、室内模型试验、数值分析、现场监测等多种技术手段进行。

预测崩岸产生的类型，从组成岸坡的岩土结构来看，大致有以下判别准则：①一般来说，对于单一黏性土层较厚的河岸，因其抗冲性较强，崩岸发生前其坡度可能较陡，崩塌滑动面较深，容易发生深层滑动，且土体与土体之间存在台阶形的交错面，横断面形态呈台阶状，平面形态呈圈椅形，容易产生尺度不一的窝崩，即产生流滑型崩岸；如果河床以上岸坡岩性均为砂性土，亦产生流滑。②由于长江中下游岸坡岩性为典型的二元结构，下部为砂性土，上部覆盖层为黏性土。如果上部黏性土比下部砂性土厚，易产生窝崩，即流滑型崩岸；如果下部砂性土顶板较高，上部覆盖黏性土较薄，由于砂性土抗冲性弱，当岸坡下部易受水流冲刷而使上层土体失去支撑而发生坍落或倒入水中，崩坍体呈条形，崩塌的宽度窄，产生条崩，即发生坍塌型崩岸。

3.2 崩岸分析方法

王延贵等指出，流滑型崩岸一般发生于土质均匀和松散的岸滩，其崩塌过程较长，崩塌破坏面一般为曲面，可采用土力学中的条分法进行分析[12]；坍塌型崩岸主要发生在具有纵向裂隙的黏性岸滩，其崩塌过程较简单而短暂，崩塌破坏面为平面，可采用崩体力学平衡分析法；在黏性岸滩的岸脚遭受水流淘刷，上部块体处于临空状态下发生落崩，崩塌破坏面为平面，其崩塌过程简单而短暂，分为剪切、旋转(倒崩)和拉伸3种落崩模式，仍可按崩体力学平衡法进行分析；对于特定的河岸边界条件，当受到水流的剧烈淘刷或土体失去承载能力时，河岸可能发生窝崩，其崩塌过程连续复杂，可分为淘刷窝崩和液化窝崩，可按崩体力学平衡法进行分析。根据上述分析，对于坍塌型崩岸，可采用崩体力学平衡法进行分析；对于流滑型崩岸，可采用土力学中的条分法进行分析。

需要指出的是，长江中下游河岸大部分由疏松沉积物组成，具有二元结构，上层为河漫滩相的粘土，下层为河床相的中细沙。两者起动流速差别很大，在水深10 m时，中细沙起动流速约为0.55 m/s，粘土约为5.6 m/s，在水流作用下，上层粘土很难起动，而下层砂土容易达到起动状态并随水流发生输移，这也从另一方面证明了河岸崩塌主要由下部砂土层冲刷所致，在进行崩岸分析时应予以重视。

3.3 两类崩岸治理的原则措施

对于两种类型的崩岸，从力学行为来看，坍塌型崩岸属于牵引式、被动式崩岸；而流滑型崩岸属于推移式、主动式崩岸。前者主要因为岸坡底部被淘空，基础不牢导致，因此其防护重点是坡脚；后者尽管也有基础不牢的原因，但主要是由于厚度较大的黏性土内部在高水位时土体浸泡饱和，在外江水位迅速下降过程中，由于黏性土渗透系数小，水来不及从土体内部及时排出，造成土体自重增加；加之水位下降，原来高水位时能够对岸坡施加的外水压力消失，造成岸坡发生不排水剪切破坏，产生崩岸，因此其治理措施的重点与坍塌型不同，侧重点在于排水[13]。

一般来说，整治措施以设计枯水位为界分为护坡和固脚两个方面，即设计枯水位以上实施水上护坡工程，设计枯水位以下实施水下护脚工程。对崩岸整治，一般以水下护脚为主，水上护坡为辅。特别是发生在汛前的崩岸应急除险工程，首先进行的是固脚。

要保证河岸的稳定(或者对崩岸进行治理)，从土工方面来说(河势问题在此暂不讨论)，需要注意以下3点：①岸坡本身是稳定的，即首先要站得住，边坡要稳得住。有些河岸太陡，本身不稳定(如崩岸发生后，岸坡已处于极限平衡状态，这时若不管崩岸情况盲目在上抛石，可能会促使其进一步崩塌)；或呈临界状态，易发生崩塌。②要防止崩岸，应当保证岸坡坡脚的土不被淘走，否则，再强的护坡也不可能达到岸坡稳定的目的，因此基础要扎实，坡脚要抗淘。③要用能抵抗水流直接冲击的材料和防护结构来保护岸坡，这种护岸材料和结构应有一定的重量和体积，能起镇压作用；有一定柔性，能适应变形等。

4 新材料应用

4.1 土工合成材料

目前在护岸工程的设计中，抛石护岸有一定作用，但并非适用于所有情况。在粉细砂河床中，由于抛石之间空隙较大，水流易把起动流速较小的细砂或粉砂带走，从而使块石沉入到砂土中，不能起到保护岸坡或河底的作用。如果在块石下先填一层大面积土工合成材料软体排或大型土工包，再在上面抛石，效果可能更好，因为这样能较好地保护下卧的河底砂层。软体沉排作为一种实用、有效的护脚措施，随着土工合成材料新产品的不断涌现，质量不断提高，价格逐步下降，具有很好的适用性。沉排护脚有两类：①有压载的，如软体排抛石压重，需先完成铺排再在排上进行定位定量抛石；②无压载的，如充砂模袋软体排、模袋混凝土排或模袋固化砂浆排等。

长江崩岸治理是否要长期依赖于抛石，是否能够采用更加先进合理的技术来代替传统抛石，从措施的有效性、生态环境保护以及避免进一步抬高河床造成悬河等角度来看，是值得持续研究的重大课题之一。

4.2 防冲格宾(石笼)

对于水流作用下的岸坡土体冲刷问题，防冲格宾(石笼)被广泛应用。由于钢丝网石笼较之早年已经应用的铁丝笼更大、更柔、更适合河床底部形态, 更易相互咬合成一整体, 因而具有较高的抗冲性，适合用在河势变化较大且水流顶冲强烈的岸段。根据装石量及河床冲刷变形特点，钢丝网笼应满足以下要求: ①有足够的抗拉强度，能自由起吊，沉放；②网孔不能松动，以防块石滑出；③网笼应有全方位的柔性，以适应河床变形及网笼间的相互咬合；④网笼应具有良好的抗腐蚀性等。

5 结 语

本文针对崩岸治理设计提出5条原则：①见微知著，发现险情应及时；②防微杜渐，处理措施应提前；③上下左右，平面布局要统筹；④创新思维，整治方案应有效；⑤持之以恒，事后监测常态化。

[1] 张植堂.下荆江河弯水流分析研究[J].人民长江,1964 (2):1-4.

[2] GERALD C.NANSON,EDWARD.J.HICKIN. A statistical analysis of bank erosion and channel migration in Western Canada[J]. Bulletin Geological Society of America,1986, 97 (8).

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[11]张幸农，陈长英，应强，等.渐进式崩岸基本特征及其形成原因[J].泥沙研究,2012(3): 46-50.

[12]王延贵，匡尚富.河岸崩塌类型与崩塌模式的研究[J].泥沙研究，2014(1):13-20.

[13]段江勇， 陈大玄， 曹赤林.洞庭湖区水位抬高影响因素分析[J].水利水电快报，2016，37(7)：34-39.

(编辑：唐湘茜)

2017-09-15

彭良泉，男，长江勘测规划设计研究有限责任公司江河整治公司，高级工程师.

1006-0081(2017)11-0056-04

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