长江中下游崩岸预测若干问题的探讨

(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)

崩岸治理

长江中下游崩岸预测若干问题的探讨

彭良泉1周波2

(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)

准确预测崩岸是崩岸治理领域迫切需要解决的问题。针对目前崩岸预测现状和存在的问题，以荆江某一河段为例，提出了准确预测崩岸的前提条件：整体把握三峡水库蓄水前后坝下来水来沙变化；深入理解河段河型特点和演变规律；充分应用地形学和地质学，并重视人类活动的影响。在此基础上，提出了崩岸预测的基本思路，为崩岸预测提供了分析准则。

河床演变; 崩岸预测；长江中下游

1 崩岸预测的必要性和重要性

在崩岸治理设计过程中，准确把握崩岸治理范围非常重要。针对这一问题，目前有以下两条主要思路。

(1) 根据历年的崩岸资料进行统计，得到大致的治理范围。这种思路实用性强，且被广泛认可，因此在目前应用较多。但如果不对这种思路得到的崩岸治理范围进行仔细研究，不结合具体实际情况，仍对已经崩塌过的堤岸进行整治，一是可能造成浪费，二是可能产生新的崩塌。对于前者，可能因为崩岸已经发生，危险的势能已经得到释放，堤岸重新达到了某种新的平衡，具有一定安全度，但如果不加以分析，仍对此种情况下的岸坡进行治理，则会造成浪费；对于后者，崩岸发生后，可能达到新的临界状态，如果此时贸然在崩塌堆积体上进行抛石加载，则很有可能造成更大的崩塌。因此，根据这种思路确定的治理范围，应特别注意加以分析，防止浪费或产生新的崩塌。

(2) 通过科学预测，事先确定将会发生崩岸的范围，对其采取合适的工程措施，保证其不会发生崩岸。这种思路目前还没有得到普遍认可，也没有引起足够的重视，但应该是今后努力的方向。因为崩岸一旦发生，将会造成不可挽回的损失，甚至威胁人民群众生命财产安全。所以，应提前对将会产生崩岸的地方进行处理。

以上两条思路，前者被动而消极，往往在崩岸破坏发生后亡羊补牢；后者主动而积极，能够在崩岸发生前采取措施，防微杜渐。

众所周知，由于崩岸发生具有渐进性，有一个量的积累过程，但其破坏却是突发性的，一旦发生就可能会造成重大损失。但目前崩岸治理设计依然滞后于崩岸险情发生，往往是事后才采取措施进行整治，形成目前较为被动的局面。为了尽量避免损失，必须提前对崩岸险情进行预测，在险情发生前就采取措施进行治理，因此，要求对崩岸险情能够见微知著，及时发现险情，即崩岸预测。但鉴于崩岸的产生机理复杂，影响因素多样，是一个非常复杂的多学科、系统性课题，准确预测崩岸险情十分困难。研究崩岸机理，探讨崩岸形成原因和规律，提高崩岸预测预报的准确性，是崩岸治理领域迫切需要解决的现实课题，具有重大的理论和实践意义。

2 崩岸预测研究现状及存在的问题

针对荆江河段存在的崩岸问题，在2006～2009年开展了一系列研究：2006年启动了河势演变监测及研究分析工作[1]，2007年采用传统的“典型断面比较法”，2008年采用“监测导线分析法”，2009年采用综合以上两者的“岸坡稳定性综合评估法”。

2010年监测岸段共提出8处警戒岸段，总长23.40 km，在2011年发现较大崩岸11处，崩岸长度共3.61 km。在2010年预测的警戒岸段中仅有580 m在2011年发生崩岸，其他3.03 km不在预警范围内，准确预报率仅2.48%，警戒岸段长度为实际发生崩岸长度的6.48倍。

2011年监测岸段共提出7处警戒岸段，总长19.06 km。在2012年发现较大崩岸16处，崩岸长度共2.71 km。在2011年预测的警戒岸段中仅有450 m在2012年发生崩岸，其他2.26 km不在预警范围内，准确预报率仅2.36%，警戒岸段长度为实际发生崩岸长度的7.03倍。

2012年监测岸段共提出9处警戒岸段，总长19.085 km。在2013年度发现较大崩岸11处，崩岸长度共4.545 km。在2012年预测的警戒岸段仅有970 m在2013年发生了崩岸，其他3.575 km不在预警范围内，准确预报率仅5.08%，警戒岸段长度为实际发生崩岸长度的4.20倍。

上述资料表明，根据水下监测导线冲淤、水下坡比变化以及冲刷坑变化情况分析得出的预警岸段绝大部分并未发生崩岸，而没有得到预警的岸段却发生了崩岸。一方面预测的崩岸长度远大于实际发生的崩岸长度，达到4.20～7.03倍；另一方面，预测的崩岸部位也与实际发生的崩岸部位大相径庭，准确预报率仅2.36%～5.08%。出现这种现象的主要原因与崩岸发生的机理非常复杂有关，但同时也说明预测预警方法与实际存在较大差异。

根据上述资料，准确预测崩岸相当困难。要想提高预测的准确率，准确把握崩岸发生的范围，需要充分掌握准确预测崩岸的前提条件。

3 准确预测崩岸的前提条件

3.1 整体把握三峡水库蓄水前后水沙变化规律

根据有关资料，三峡水库蓄水后，一方面大部分粗颗粒泥沙被拦截在库内，2003～2008年，宜昌站悬沙中值粒径为0.005 mm，与蓄水前的0.009 mm相比，出库泥沙粒颗明显偏细。另一方面，坝下游水流含沙量大幅减小，河床沿程冲刷，宜昌以下各站悬沙颗粒明显变粗，其中尤以监利站最为明显，由蓄水前的0.009 mm粗化为2003～2008年的0.045 mm。宜昌-监利段粒径大于0.125 mm的粗颗粒泥沙含量沿程增大，由7.5%增大至34.8%；监利以下河段悬沙颗粒沿程变细，大于0.125 mm的泥沙含量也沿程减少。

基于上述资料，取得以下两点共识：三峡水库运行以来，①由于筑坝拦水，清水下泄，上游来水来沙减小，中下游特别是中游砂质河床普遍冲刷。②由于水库调度运行，调洪错峰，中水时段普遍加长导致岸坡较建坝前承受更长时间的冲刷。

3.2 深入理解河段河型特点与演变规律

长江中下游河道流经广阔的冲积平原，沿程各河段河型不同，有顺直型、弯曲型、分汊型和游荡型4大类，各种河型河道演变特点各异。不同的河型具有不同的平面变化特点，即崩岸表现形式不同。

(1) 顺直型河段。顺直型河段发生崩岸的现象一般较少，仅在没有边滩掩护且深泓近岸的情况下发生冲刷，导致河宽增大，使河床可能呈现出周期性展宽的特性。

(2) 弯曲型河段。弯曲型河段平面具有弯曲外形，深槽紧靠凹岸，边滩构成凸岸，凹岸冲蚀，凸岸淤长。当河弯发展到某种程度时，在一定水流泥沙和河床边界条件下，可能发生裁弯、切滩或撇弯，引起剧烈的崩岸。

(3) 分汊型河段。当支汊为顺直型时，分汊型河段崩岸与顺直单一河道的平面变化造成的崩岸特点类同。当支汊为微弯或曲率适度的弯道时，遵循一般弯道凹岸崩坍、凸岸淤积的规律。当支汊为鹅头型时，则与弯曲型弯道的平面变形造成的崩岸特点类似。

(4) 游荡型河段。游荡型河段是指弯道曲率和过渡段长度比较适度，且平面形态基本呈正弦曲线的河段。其平面变形的特点是：凹岸崩坍，凸岸淤积，其中弯道顶点下段崩岸比上段强，整个弯道也呈向下游缓慢蠕动的趋势。其平面变形主要受纵向水流泥沙运动规律支配，横向环流强度较弱。

3.3 充分应用地形学和地质学

根据中国科学院地理研究所(1978年)资料[2]：城陵矶至河口段右岸(南岸)崩岸长度174.87 km，占江岸总长12.78%。左岸(北岸)崩岸长度414.55 km，占江岸总长28.78%，大大超过右岸的百分比。资料表明，河道崩岸一般发生在主流靠岸、河岸土质抗冲能力较弱的河岸，主流顶冲的弯道凹岸(部分分汊河道江心洲的洲头)崩岸最为严重。

从河岸土质组成上看，全河段崩岸总长589.42 km，占江岸总长21.0%。其中：粘土质21.92 km，占崩岸总长3.7%；亚粘土质167.57 km，占崩岸总长28.4%；亚砂土质85.45 km，占崩岸总长14.5%；粉、细砂质314.47 km，占崩岸总长53.4%。土体黏粒含量越高，岸坡稳定性越好。

从河岸岸坡构成上看，陡坡崩岸长409.11 km，占崩岸总长69.5%；中等坡度崩岸长167.46 km，占崩岸总长28.3%；缓坡崩岸长12.85 km，占崩岸总长2.2%。

从水流作用条件上看，弯道环流作用崩岸段长295.13 km，占崩岸总长50.0%；沙洲段长82.34 km，占崩岸总长13.9%；水流汇合段长35.35 km，占崩岸总长6.1%；风浪冲刷段长166.10 km，占崩岸总长28.2%；地下水冲刷段长10.50 km，占崩岸总长1.8%。

从崩岸分布部位上看，分汊河段长449.92 km，占崩岸总长76.3%；单一河段长139.50 km，占崩岸总长23.7%。

3.4 重视人类活动的影响

(1) 人为工程。在冲积河流上，清水通过拦河建筑物下泄后会对坝下河床产生冲刷，使岸坡坡脚淘刷更严重，从而导致崩岸事件的发生。这种情况在国内外许多河流上都发生过。岸坡上丁坝、桥梁墩台等工程布置不当，也可能引起局部岸坡强烈冲刷，导致崩岸事件的发生。

(2) 人工挖沙及人为荷载。近岸附近的人工挖沙会产生与水流冲刷岸坡类似的效果，使坡度变陡，增加岸坡失稳破坏的可能性。即使局部人工挖沙，若挖除坡脚，也可能会导致重大崩岸事件的发生，而且挖沙机械振动还可能造成砂土流滑。

(3) 船舶航行。船舶航行引起的船行波会对岸坡产生强烈拍击和冲刷，显著增加岸坡表面冲刷；螺旋桨激荡会增大局部流速，对底部岸坡产生严重冲刷。英国有关河流的观测资料表明[3]，船舶航行引起的岸坡侧蚀率可达0.35 m/a。我国也有多条河流出现过严重的船舶航行冲刷塌岸事件。

4 崩岸预测分析

4.1 河床及深泓变化

三峡水库蓄水后，来水较蓄水前稍有减小，但来沙较蓄水前显著减小，清水下泄已经成为现实。但同时，由于三峡水库的调度，坝下河道枯季流量又较蓄水前有较大增加，中水时段加长，结果导致在清水下泄作用下，因中水时段加长造成冲刷时间加长，再加之下泄水流挟沙饱和度显著下降，需沿程补充，造成沿程河道冲刷，且冲刷颗粒粒径呈增大趋势，河床被冲深。

研究表明[4]，粘土、亚粘土与细沙土夹层河岸的稳定坡度均缓于1∶ 3.0；岸坡的陡缓与深泓靠岸的距离有关，各崩岸段深泓离岸距离与平均河宽之比一般为0.07～0.3，也就是说，崩岸段绝大部分都是位于深泓靠岸一边。一些强烈的崩岸段，深泓离岸距离与河宽之比都要小于0.1。如果岸坡的边坡坡度陡于1∶ 3.0，且深泓又迫近河岸，该处河岸又存在夹沙互层，抗冲性差，则该处河岸应该视为重点关注的崩岸地段。

4.2 岸坡地质条件

V.H.Torrey[5]研究了密西西比河下游岸坡稳定性与土体二元结构的关系，指出当下卧砂土层厚度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，说明上覆粘土层必须提供足够的压力(足够的厚度)才能保证坡体的稳定。实测地质资料表明[6]，长江下游彭泽马湖堤崩岸段和九江市城区防洪堤溃口处的Hs/Hc比值分别为1.49～1.0和1.67～0.77，说明这两段岸坡处于非稳定状态，这与V.H.Torrey的结论相吻合。这说明，对于下卧砂土层厚度Hs与上覆黏土层厚度Hc之比大于0.7的岸坡应该纳入监测范围。

4.3 岸坡地形条件

河岸边坡形态可以分为5种(图1)，不同类型的河岸形态稳定性存在差异。基于土质边坡稳定原理，同等条件下，上凸下凹型(d)河岸的稳定性最差，外凸型(b)岸坡次之，直线型(a)岸坡居中，内凹型(c)岸坡较稳定，而上凹下凸型(e)岸坡稳定性最好。根据岸坡形态，可以初步判断其稳定性，确定其是否应该纳入监测范畴。

图1 边坡形态类型示意

岸滩稳定坡度远小于相应土质的崩塌坡度。人们所观测到的河岸坡度一般为稳定边坡坡度，小于崩塌边坡坡度。如果以(a)为临界岸坡，则(b)和(d)为不稳定岸坡，崩岸发生后，对于崩塌型崩岸，会形成(c)型边坡，重新获得稳定；对于崩滑型崩岸，会形成(e)型边坡，也重新获得稳定。一般来说，崩滑型崩岸产生后重新获得的稳定性比崩塌型要高。

4.4 人类活动影响

在上述分析的基础上，还应重视偶发事件，如河道近岸采砂形成人为深坑，影响岸坡稳定。另外，不合理的水工建筑物布置，会造成局部水流紊乱，形成强回流区等。对于此类活动，在崩岸预测时需予以考虑。

5 结 语

由于崩岸问题具有复杂性、多学科交叉性及随机性等特点，准确预测崩岸非常困难，但鉴于崩岸产生的危险性，对崩岸进行预测又具有非常重要的实际意义和紧迫性。本文对崩岸研究中存在的问题、崩岸研究需要具备的前提条件以及崩岸预测的基本思路进行了探讨，目的是希望引起更多专家学者的关注，将长江崩岸预测的研究做得更好，共同推进长江治理事业。

[1] 陈飞，杨维明.荆江河段崩岸预测[J].中国防汛抗旱，2014，24(6)：29-32.

[2] 中国科学院地理研究所.长江九江至河口段河床边界条件及其与崩岸的关系[C]//长江中下游护岸工程经验选编.北京:科学出版社，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.河岸崩塌与稳定分析[J].武汉大学学报(工学版)，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] 张幸农，蒋传丰，陈长英,等.江河崩岸的影响因素分析[J].河海大学学报(自然科学版)，2009，37(1)：36-39.

(编辑：朱晓红)

2017-09-15

彭良泉,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.

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