上荊江河段南五洲崩岸整治工程護岸形式選擇

楊夢云，張根喜，朱勇輝

上荊江河段南五洲崩岸整治工程護岸形式選擇

楊夢云1，張根喜2，朱勇輝3

（1.湖北省荊州市長江河道管理局公安分局勘測設計院，湖北公安 434300；2.湖北省荊州市長江河道管理局，湖北荊州 434000；3.長江科學院水利部江湖治理與防洪重點試驗室，武漢 430010）

南五洲險段常年搶護但崩岸仍時有發(fā)生，采用的水下拋石措施，需大量開山采石而對開采區(qū)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的破壞，同時在工程實施區(qū)域需大面積削坡以維持坡面穩(wěn)定，個別堤段還需退垸堤防、侵占農(nóng)田、重建相關水工建筑物和農(nóng)田水利設施等，其經(jīng)濟效益和社會效益都有待綜合評估。為此，根據(jù)南五洲險段崩岸的主要影響因素及近岸地形變化趨勢，針對南五洲險段崩岸整治措施的選擇問題進行了詳細的分析論述。提出了在不改變河勢和對岸灘岸穩(wěn)定、保持防洪態(tài)勢和既有航道條件下，利用水下承臺堆石護腳、阻滑樁結合長充沙管袋護腳，同時水上護坡工程二級護坡采用三維植被網(wǎng)護坡的新思路。

上荊江；崩岸整治；護岸形式；阻滑樁護枕護腳；承臺堆石護腳；生態(tài)護坡

1 工程概況

南五洲位于上荊江公安河段郝穴河彎右側，總面積約76 km2，其中垸內(nèi)面積53 km2，現(xiàn)有居民4 171戶，保護人口3.26萬人，是公安縣糧棉生產(chǎn)主要產(chǎn)區(qū)之一。南五洲堤防全長46 km，其中臨左汊25 km堤段直接抵擋長江洪水，是荊江分洪區(qū)荊南長江干堤楊家廠—黃水套段的防洪屏障。南五洲段堤頂高程42.5～43.0 m（吳淞高程，下同），其中有20 km為無灘堤段，有灘堤段外灘寬僅2～20 m，外灘高程38.0～39.0 m。郝穴河彎左岸的黏性土層厚度比南五洲大，一般超過10 m，且土質(zhì)組成比南五洲好。宜昌—武漢河段洲灘地質(zhì)勘探成果顯示：南五洲荊178孔及天興洲16孔自1975年河床平均高程以下均為細沙層。受對岸磯頭群挑流的影響，主泓逐年南移，南五洲深泓逼近，1993年后更是貼岸而行。自1960年以來，南五洲臨江堤防曾先后發(fā)生崩岸險情43次，19次退堤，退堤長度16 km。此外，南五洲除受到郝穴原有磯頭群的影響外，2006年完建的周天河段航道整治工程布置的潛壩群和護灘帶也對南五洲崩岸帶來一定影響。

南五洲險段崩岸常年搶護卻仍時有發(fā)生，如采用丁壩或磯頭護腳，有違河道整治中左右岸兼顧的原則；平順式水下拋石護腳，塊石易隨著河床的形態(tài)變化而發(fā)生調(diào)整從而逐漸下沉流失；再次退垸又面臨垸內(nèi)日趨減少的農(nóng)田被侵占等問題。因此，本文通過分析，對上荊江河段南五洲崩岸整治中護岸形式的選擇提出了新的方案。

2 南五洲險段崩岸的主要影響因素及近岸地形變化趨勢

南五洲險段崩岸的影響因素主要為地質(zhì)條件、岸坡形態(tài)及地貌、近岸水流條件、地下水滲透壓力和自然生態(tài)的損毀等多種不利因素的綜合影響。其中周天河段航道整治控導工程的潛壩群和護灘帶進一步改變了河床的自然邊界條件，無論是近期還是遠期，對南五洲險段的影響都是不容忽視的。

南五洲崩岸每年多在4—5月份發(fā)生，暴雨的沖蝕和下滲使土體浸泡軟化、濕重度增加，形成較大的地下水滲透壓力［1］。同時在郝穴原有磯頭群及航道整治工程的潛壩和護灘帶的綜合作用下，受其挑流影響，深泓將進一步向右岸南五洲逼近并加劇對右岸近岸河床的縱向沖刷和側向侵蝕，其中覃家淵—草房關受到的影響最大［2］。航道整治工程對限制中、枯水期主流左擺起到了顯著作用，改變了該段主流線（原年際間）左右交替擺動的中、枯水期河勢變化格局，主流基本穩(wěn)定在偏右岸的河床下行，一定程度上加強了南五洲險段樁號27＋800至26＋600近岸河床的沖刷（見圖1）。自2007年以來，該地段近岸河床沖刷幅度較大，水下邊坡的坡比值由0.520（約相當于1∶2.0的坡比）增大到0.617；坡腳內(nèi)坡的坡比值由0.415增大到0.532。在郝穴河段河勢格局基本穩(wěn)定的現(xiàn)實情況下，該段近岸河床將繼續(xù)沖刷，鑒于目前該段水下邊坡和坡腳內(nèi)坡的坡比值接近臨界狀態(tài)，該段近岸河床繼續(xù)沖刷將可能演變?yōu)檩^大規(guī)模的岸線崩塌。

3 南五洲險段崩岸整治措施的選擇

崩岸的整治，對不同的河段應根據(jù)崩岸成因、險段地質(zhì)條件、現(xiàn)場施工條件、堤防運行要求及綜合經(jīng)濟效益等因素綜合考慮，選擇最優(yōu)的治理方案進行綜合整治。整治措施一般以設計枯水位為界分為護坡和固腳2個方面，即設計枯水位以上實施水上護坡工程，設計枯水位以下實施水下護腳工程。從荊江分洪區(qū)和虎西備蓄區(qū)的經(jīng)驗看，對崩岸的整治，一般是以水下護腳為主，水上護坡為輔。特別是發(fā)生在汛前的崩岸應急整險工程，首先進行的是固腳，有條件時同時采用削坡減載、袋土還坡。

3.1 水下護腳工程

水下護腳工程經(jīng)常受水流的沖擊和淘刷，需要適應水下岸坡和河床的變化，所以需根據(jù)近岸河床沖刷情況、河床地質(zhì)邊界條件，選擇合理而有效的水下護腳工程方案。整治崩岸搶險工程中常見的水下護腳方案有丁壩或磯頭、拋石（枕）、各種類型的沉排、石籠護腳等。其中，拋石護腳是平順坡式護岸下部固基的主要方法，也是應急整險工程中優(yōu)先選用的方案。荊江分洪區(qū)各處險段的整治除朱家灣險段于1980年實施過拋枕外，其它險段一般多采用拋石護腳（岸）。

3.1.1 丁壩或磯頭護腳

1852年南五洲對岸修建了郝穴磯頭，從此成為荊江大堤重要的護岸工程。2005年周天河段航道整治控導工程實施時，南五洲對岸修建了潛壩群和護灘帶，以讓河道過郝穴磯頭后主流從九華寺開始過渡到右岸的覃家淵一帶。2011年再次在周公堤主航道北側開挖一條長度近600m，寬度為100m的預備航槽。

無論從防洪還是航運的角度來看，在南五洲采用丁壩或磯頭護腳，以改變近岸水流結構及流態(tài)，從而解決河勢問題，對荊江大堤和周天河段航道均不利；違背了河道整治中左右岸兼顧的原則和協(xié)調(diào)處理好防洪、排澇、航運、灌溉、供水、發(fā)電和環(huán)境保護等方面的要求。故在南五洲采用丁壩或磯頭護腳是不可行的。

圖1 南五洲河段河勢及險段位置圖Fig.1 River regime and location of dangerous segments of the Nanwuzhou River Reach

3.1.2 水下拋石護腳

從地質(zhì)及河床邊界條件看，南五洲險段土質(zhì)組成比郝穴差，南五洲荊178孔及天興洲16孔自1975年河床平均高程以下均為細沙層。水下拋石并不能改變其地質(zhì)條件，由于河床基底的易沖性，只是增加了一層會不斷下沉和流失變薄的緩沖層。

從河流形態(tài)及水流結構與近岸流態(tài)看，在郝穴原有磯頭群及航道整治工程的潛壩群和護灘帶的綜合作用下，受其挑流影響，深泓將進一步向右岸逼近并加劇對右岸近岸河床的縱向下切和側向侵蝕及沿程沖刷。河床演變中的沖淤變化總是在三維空間進行，當河床的橫向沖刷受到人為邊界條件制約時，沖淤變化將轉(zhuǎn)向縱深方向發(fā)展；如果縱、橫二維空間均受到邊界條件制約，河床的沖淤變化就可能在三維空間作沿程轉(zhuǎn)移，即對下游河床地質(zhì)邊界條件薄弱的地方產(chǎn)生沖刷。在這種縱向下切、側向侵蝕和沿程沖刷下，水下拋石的斷面會隨著河床的形態(tài)變化而發(fā)生調(diào)整，拋石將逐漸下沉流失，從而改變了對岸腳的保護程度，達不到預期的效果。這也是經(jīng)常需要補拋的原因。

從航道整治方面看，主航道始終在右岸一側，主泓貼岸而行。若水下拋石量不足，將只能臨時緩解崩岸的發(fā)展，起不到最佳和有效的保護岸腳的作用；若水下拋石量過大，則對枯水期的航運又帶來負面影響。

綜上所述，南五洲險段因其特殊的地理位置和條件，水下拋石護腳并不是一個最佳的方案。這也是南五洲險段崩岸常年搶護卻仍時有發(fā)生的主要原因。

3.1.3 水下沉排或充沙管袋護腳

軟體排作為一種新材料、新工藝，在荊江防洪工程中已有成功的使用先例。軟體排具有整體性和柔性，能適應一定的河床變形，但只適應水下坡度緩于1∶2.0及河床變形不大的河段，而不適應復雜地形和已有塊石拋護段［3］。南五洲險段1960—2010年期間，累計水下拋石36萬m3，水下地形復雜，水下沉排無疑是不適用的。

充沙管袋護腳是筑沙袋壩并順坡面向上升，然后向崩窩內(nèi)吹填泥沙至淤滿，適用于窩崩，不適用于條形崩岸。由于充沙管袋的長寬比過大，流速和流向的微小變化都會導致充沙管袋在床面上分布形態(tài)的變化，充沙管袋空隙之間的泥沙被水流淘刷，會引起其在床面上的重新調(diào)整，最終在守護區(qū)上層仍會出現(xiàn)空擋，在水流的持續(xù)作用下出現(xiàn)破壞現(xiàn)象［4］。此外，在深水施工中長管袋進占的水下定位及鋪設的施工方法還有待進一步探索［5］。筑沙袋壩的實質(zhì)是以沙袋還坡、磯頭護腳，改變了近岸水流結構及流態(tài)，縮窄了航道，而且當充沙管袋損毀破漏時，沙袋壩會塌陷，崩岸將再次發(fā)生。

3.1.4 水下承臺堆石護腳

鑒于南五洲常年搶護而崩岸仍時有發(fā)生的現(xiàn)狀，水下承臺堆石護腳是比較適應該處崩岸整治的一種方案。水下承臺堆石護腳簡單地說，就是先根據(jù)現(xiàn)場的水下地形及岸坡形態(tài)和重點保護范圍，按一定的間距建數(shù)個分隔式的具有一定面積能滿足設計堆石重量的獨立承臺，再在承臺上堆壘能滿足最大流速的塊石或石籠，然后再做水上護坡工程（見圖2）。該方案主要是利用水下混凝土（鋼管）樁基礎及承臺作為堆石的基礎，以改變接坡石及護腳石的基面，通過控制近岸河床的縱向下切達到保持水下護腳斷面的有效性，進而控制水流對岸腳的側向侵蝕，達到保護岸腳的目的，并沒有改變河勢，對荊江大堤和周天河段航道無不利影響。

圖2 水下承臺堆石護腳及生態(tài)護坡示意圖Fig.2 Schematic of ecological slope protection and toe protection by rock fill of the underwater bearing platform

該方案的缺點是造價較高，從南五洲在長江兩岸河道整治的主從關系和地理位置看，該方案可行，但經(jīng)濟上尚需考慮，應結合退垸堤防后侵占農(nóng)田、拆遷房屋、重建相關水工建筑物和農(nóng)田水利設施等經(jīng)濟效益和社會效益綜合評估。對地理位置十分重要的堤岸，或地理位置雖屬于次要，但自身在國民經(jīng)濟中具有特別重要地位并有迫切整治需要的堤岸險段，水下承臺堆石護腳倒不失為一種可以考慮的方案。

3.1.5 阻滑樁結合長充沙管袋護腳

在既不可能采用丁壩或磯頭護腳改變近岸水流結構，水下拋石又難以達到預期的效果，復雜的水下地形、常年的拋護及近岸的航道使得水下沉排或充沙管袋護腳也難以實施，水下承臺堆石護腳造價又高的情況下，采取阻滑樁結合長充沙管袋護腳的方案，有助于改變南五洲常年搶護但崩岸仍時有發(fā)生這一現(xiàn)狀。

所謂阻滑樁結合長充沙管袋護腳，就是根據(jù)現(xiàn)場的水下地形及岸坡形態(tài)和重點保護范圍，按一定的間距打數(shù)根維護陡岸穩(wěn)定的阻滑樁。水下阻滑樁內(nèi)、外側拋（填）長充沙管袋護腳，實施水下阻滑樁內(nèi)側以充沙管袋護腳，以樁護充沙管袋，外側輔助以充沙管袋或者模袋混凝土、塊石護樁、護底、裹頭和鎮(zhèn)腳。通過控制近岸河床的縱向下切和水流對岸腳的側向侵蝕，達到不改變河勢，不影響對岸堤防的灘岸穩(wěn)定與防洪態(tài)勢和既有航道的通航與控導，長久保護崩岸段岸腳穩(wěn)定的目的（見圖3）。

圖3 阻滑樁結合長充沙管袋護腳及生態(tài)護坡示意圖Fig.3 Schematic of ecological slope protection and toe protection by anti-slide pile w ith sand filled bag

當樁基內(nèi)側護腳的長充沙管袋損毀、流失、破漏、塌陷時，在每年的枯水期，可予以補充，維護極為方便。樁基外側護樁、護底、裹頭和鎮(zhèn)腳的長充沙管袋或者模袋混凝土、塊石可視每年的水下監(jiān)測結果確定是否需要補充、加固。

就南五洲的地質(zhì)條件而言，阻滑樁結合長充沙管袋護腳比較適應。但在該處險段，考慮到對荊江大堤和周天河段航道的影響，不宜打多排阻滑樁，阻滑樁宜沿水跡線與岸線平行布置。

3.2 水上護坡工程

水上護坡工程與水下護腳工程一起構成完整的河道護岸工程。水上護坡工程的形式很多，主要有干砌塊石護坡、漿砌塊石護坡、混凝土六方塊護坡、模袋混凝土護坡、水泥土護坡、生態(tài)護坡等多類。

南五洲歷次崩岸均發(fā)生在4—5月份，僅就水上部分而言，如何保持這個季節(jié)岸坡的穩(wěn)定，就成為在保持水下岸腳穩(wěn)定前提下的一個重要問題。傳統(tǒng)的護坡方法大多為剛性結構的淺層護坡，南五洲水上護坡工程歷年均采用塊石護坡，汛前的應急整險一般采用削坡減載、袋土還坡。剛性結構護坡因其濾料受波浪、雨水的影響易流失，當岸坡發(fā)生微小的變形時，剛性結構的坡面將因此而松動或塌陷。柔性結構的生態(tài)護坡目前在河道護岸中已有應用，岸坡上的植物能有效地削減波浪高度，減少風浪、暴雨及地下水滲流形成的侵蝕，防止土體崩塌或滑坡。發(fā)達根系固土植物在水土保持方面有很好的效果，從固坡的角度考慮，深根型的植物，如豆科草種、灌木或半灌木，這類植物為主根和側根類型，一般根深可達5 m以上，植物根部起到了“加筋”作用。據(jù)周躍等人的研究［6］，在有側根作用的土體中，其抗張拉力提高38.7%，這些植物的根系可增強坡面的穩(wěn)定性，提高坡面的抗剪能力，有效防止滑坡坍塌，植物的枝葉還能減輕暴雨對坡面的侵蝕并緩解風浪對坡面的淘蝕［7］。從南五洲歷次崩岸均發(fā)生在4—5月份這個時間段來看，南五洲險段水上護坡工程二級護坡采用三維植被網(wǎng)護坡或其他形式的植物護坡比單純用塊石或混凝土六方塊護坡更能起到固土護坡的作用。

4 結 語

由于崩岸的機理比較復雜，對不同的河段，應根據(jù)河道整治原則、崩岸成因、險段地質(zhì)條件、現(xiàn)場施工條件、堤防運行要求及綜合經(jīng)濟效益等因素綜合考慮。鑒于南五洲險段崩岸常年搶護卻仍時有發(fā)生的現(xiàn)狀，在采取水下拋石難以達到預期效果的情況下，采取阻滑樁結合柴枕或者長充沙管袋護腳，同時水上護坡工程的二級護坡采用三維植被網(wǎng)護坡的方案是有助于改變這一現(xiàn)狀的。

對特別重要并迫切需要整治的險段，水下承臺堆石護腳可以在無法改變河床基底的情況下，改變堆（拋）石的基面，從而達到有效護腳的目的。水下承臺堆石護腳只是在南五洲崩岸整治中關于方案選擇的一個設想，因資料有限，未能與其他護岸形式作經(jīng)濟性比較的定量分析，還有待于在理論和實踐中進一步完善。

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［7］ 王 超，王沛芳.城市水生態(tài)系統(tǒng)建設與管理［M］.北京：科學出版社，2004.（WANG Chao，WANG Peifang.The Construction and Management of Ecological System in Cities［M］.Beijing：Science Press，2004.（in Chinese） ）

（編輯：周曉雁）

Selection of RevetmentW orks for Bank Collapse Treatment at Nanwuzhou in the Upper Jingjiang Reach

YANG Meng-yun1，ZHANG Gen-xi2，ZHU Yong-hui3
（1.Survey and Design Institute of Gong’an Branch of Jingzhou Yangtze River Management Bureau，Gong’an 434300，China；2.Jingzhou Yangtze River Management Bureau，Jingzhou 434000，China；3.Key Laboratory of River Regulation and Flood Control of MWR，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Although protection have been carried out over the years，bank collapse still occurs frequently at Nanwuzhou river reach.Underwater riprap needs tremendous stone extraction，causing irreversible damage to the ecological environment.Meanwhile，slope cut in large areas is needed in the project region tomaintain the slope stability.At some segments，dike retreatment，farmland occupation，hydraulic structure rebuilding，irrigation and drainage facilities rebuilding are required，hence the economic and social benefits need to be comprehensively assessed.In view of this，main influencing factors affecting the bank collapse，and offshore topographic change are analyzed.New measures to solve these problems are proposed as follows：toe protection by rockfill of the underwater bearing platform，toe protection by anti-slide pile with sand filled bag，together with three-dimensional vegetation slope protection as the second level slope protection work above water.Taking these new measureswill not change the river regime，the stability of the opposite bank，nor the flood protection situations or the existing navigation channel.

the Upper Jingjiang Reach；bank collapse treatment；revetment pattern；toe protection by anti-slide pile；toe protection by rockfill of bearing platform；ecological slope protection

TV861

A

1001－5485（2012）12－0010－05

10.3969／j.issn.1001－5485.2012.12.003 2012，29（12）：10－14

2012－06－05

楊夢云（1963－），男，湖北公安人，工程師，主要從事防洪減災與河道整治工作，（電話）0716－5155822（電子信箱）mengyunyang1963＠yahoo.com.cn。

朱勇輝（1975－），男，湖南道縣人，高級工程師，博士，主要從事防洪減災、水流泥沙運動基本規(guī)律、江湖演變與治理等方面的研究，（電話）027－82820475（電子信箱）yhzhu75＠yahoo.com。