長江中游戴家洲河段崩岸特性及護(hù)岸措施研究

劉萬利 ，李旺生 ，李一兵 ，李華國 ，陸 英

（1.清華大學(xué)水利水電工程系水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點實驗室，北京100084；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津300456；3.長江航道局，武漢 430010）

河道崩岸是沖積性平原河流河床演變中的一種自然現(xiàn)象。由于崩岸影響河勢穩(wěn)定、防洪安全、航道條件等，依賴護(hù)岸工程來保持河岸的穩(wěn)定、抑制河道的橫向變形是治河中的常規(guī)手段［1-4］。在長江中下游航道整治工程中，因穩(wěn)定河勢、穩(wěn)定洲灘的需要，護(hù)岸工程得以較為廣泛應(yīng)用。護(hù)岸工程的實施，一定程度地限制了河岸的橫向變形，從而限制了河寬的增加，但不管條件的見岸就護(hù)、見灘就守，治河工程不可為，航道治理工程同樣不可為，因此結(jié)合河勢的變化，選擇合適的護(hù)岸時機(jī)及合理的護(hù)岸措施十分重要［1］。

1 工程河段基本情況

1.1 河道概況

長江中游戴家洲河段位于漢口下游約99 km，上承沙洲水道，下連黃石水道，全長約34 km。包括巴河和戴家洲兩水道，其中戴家洲洲體將戴家洲水道分為園港、直港兩汊（圖1）。根據(jù)分析，戴家洲洲體右緣不斷崩退，直港曲率半徑進(jìn)一步加大，給直港航道帶來了不利影響［5-6］，因此有必要對戴家洲河段護(hù)岸時機(jī)進(jìn)行分析，對守護(hù)措施進(jìn)行研究，為下一步直港整治乃至本河段總體方案的實施奠定更好的基礎(chǔ)。

本項研究工作是從2009年3月開始啟動，隨后又進(jìn)行了連續(xù)不間斷地跟蹤分析研究，對戴家洲河段崩岸特點、原因及岸坡守護(hù)時機(jī)進(jìn)行了研究，動態(tài)性地提出了護(hù)岸工程措施。

圖1 戴家洲河段河勢圖Fig.1 Sketch of Daijiazhou reach

1.2 崩岸特點

經(jīng)統(tǒng)計，1970～2003年間（三峽蓄水前），戴家洲右緣最大崩退幅度約470 m，年均后退幅度約10 m；三峽工程蓄水以來的2003～2008年，年均后退幅度約30 m；2008～2011年，年均后退幅度約50 m（表1）。可見，戴家洲右緣一直處于崩退中，三峽蓄水以來年均崩退幅度大于往年，近年崩退幅度加快［7］。經(jīng)分析，戴家洲崩岸發(fā)生的主要時期為落水期、枯水期，崩岸類型基本屬條崩［4］。

表1 戴家洲右緣崩退情況統(tǒng)計表Tab.1 Statistics of riverbank collapse of Daijiazhou reach m

1.3 崩岸原因分析

1.3.1 河岸地質(zhì)

（1）土體組成及分布?？碧浇Y(jié)果表明，戴家洲洲體右緣揭露的地層屬于第四系全新統(tǒng)河流沖積相（Q4al）沉積層。表層分布薄層軟塑—可塑狀態(tài)的粉質(zhì)粘土（厚度為3.3～7.3 m），其下均為砂性土，砂性土一般從上至下由松散（厚度為4.0～6.3 m）、稍密（厚度為5.0～10.4 m）到中密狀態(tài)（厚度約為21.5 m）；深度36.5 m以下為白堊紀(jì)東湖群砂巖。岸坡具有明顯的二元或多元結(jié)構(gòu)特征。具有這種土體結(jié)構(gòu)的岸坡，由于上層粉質(zhì)粘土厚度較小，抗沖性差，下層粉砂厚度大，但顆粒較為均勻，最易起動和分散搬運(yùn)，抗沖性能很差，因而坡體特別是坡腳極易被水流侵蝕沖刷，很容易形成穩(wěn)定性差的陡岸高坡。

根據(jù)Torrey對密西西比河下游岸坡穩(wěn)定性與土體二元結(jié)構(gòu)的關(guān)系的研究成果，當(dāng)下臥砂土層厚度Hs與上覆黏土層厚度Hc之比小于0.7時，岸坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，而戴家洲右緣的Hs/Hc值遠(yuǎn)大于0.7。

（2）地下水滲流。戴家洲右緣岸坡土體下層細(xì)砂密實度不高、透水性強(qiáng)，易形成入河方向的連續(xù)大比降滲流。大比降滲流會沖刷坡面和淘刷坡腳，導(dǎo)致岸坡失穩(wěn)崩塌。

1.3.2 河道地形

（1）河勢形態(tài)。戴家洲右緣處于直港微彎河道的凹岸，且下段處于兩汊匯流區(qū)附近。而根據(jù)研究，彎道凹岸、汊道分流和匯流處，一般主流貼岸形成強(qiáng)烈沖刷，易出現(xiàn)崩岸現(xiàn)象。

（2）岸坡局部地形。經(jīng)過踏勘，戴家洲目前洲體（水面以上）大多坡度較陡，約在60°，局部接近直立臨空面，岸坡土體有可能會產(chǎn)生重力破壞。

1.3.3 水流條件

（1）河道水流動力。當(dāng)直港深泓沿戴家洲右緣坐彎時，主流線左擺，則戴家洲右緣岸坡愈不穩(wěn)定；當(dāng)直港左岸（戴家洲右緣）存在高大邊灘時，該邊灘附近岸坡相對穩(wěn)定，即邊灘對岸坡起到了一定的掩護(hù)作用。

另外，戴家洲右緣坡腳處砂土抗沖臨界流速僅在0.5～0.7 m/s，而此處縱向水流流速一般超過此臨界值［8-9］。

（2）河道水位變化。本河段洪水期岸坡土體因長期浸泡水中而達(dá)到飽和狀態(tài)，其中孔隙水壓力很高，抗剪強(qiáng)度下降。汛后河道水位快速下降，土壓力增大，并可能形成非恒定大比降滲流，對岸坡穩(wěn)定性的不利影響持續(xù)加重。

2 戴家洲右緣崩岸敏感性計算

2.1 崩岸敏感性計算研究思路

右緣崩岸后，直港內(nèi)航道條件具體的變化情況，需要通過崩岸敏感性計算加以說明。為此，開展了崩岸的敏感性數(shù)值模擬計算研究［8］。

應(yīng)用數(shù)學(xué)模型對戴家洲右緣不同崩岸情況下的河床變化分別進(jìn)行了計算（表2），計算結(jié)果表明，不同崩岸程度下的直港河道變化定性上是一致的。計算結(jié)果如下（限于篇幅，本文只列出崩岸100 m的計算結(jié)果）。

計算基于2009年3月實測地形，水文條件為2006年2月～2009年3月代表水文年過程。

2.2 計算結(jié)果

（1）流速場的變化。崩岸后，枯水流量下直港上段主流線位置略向左移，而下段主流線位置雖變化不大，但水流比較分散；各級流量下的直港航槽內(nèi)流速值與崩岸前相比略有減小，減小幅度為3%～5%。

崩岸后左右兩汊匯流區(qū)水流流向向左側(cè)略有偏轉(zhuǎn)，其中中枯水期偏轉(zhuǎn)角度約為2°。這種水流流向的偏轉(zhuǎn)對兩汊出口處的船舶航行是不利的，主要體現(xiàn)在兩個方面：一是水流流向的左偏造成園港出口水流流態(tài)更差，從而會影響園港出口處船舶的航行；二是直港出口處主流更靠近左岸邊的廻風(fēng)磯，直港出口處航道水流條件有所惡化。

（2）汊道分流比的變化。崩岸后，各級流量下的直港分流比略有增加，這主要與戴家洲右緣崩岸后直港阻力減小有較大關(guān)系（表3）。

（3）河床沖淤變化。戴家洲右緣崩岸后，直港進(jìn)一步向?qū)挏\方向發(fā)展，緊臨戴家洲右緣深槽有所淤積，淤積厚度約為0.5 m，同時直港內(nèi)仍存在上、下礙航淺區(qū)，且淺區(qū)水深較崩岸前略有減小，減小幅度為0.2～0.3 m，淺區(qū)水深仍不足4.5 m。

表2 崩岸敏感性計算方案匯總表Tab.2 Sensitivity calculation plans of riverbank collapse m

表3 各級流量下崩岸前后直港分流比變化情況表Tab.3 Discharge ratio variation under various discharges of Zhigang reach before and after collapse %

2.3 計算小結(jié)

崩岸后表現(xiàn)出了對直港既有有利的一面，也有不利的一面，分別為：（1）有利的方面：枯水流量下直港上段主流線位置略向左移，有利于直港上段坐彎；（2）不利的方面：下段主流線位置雖變化不大，但水流比較分散，對直港下段坐彎及下淺區(qū)不利，同時崩岸后左右兩汊匯流區(qū)水流流向向左側(cè)略有偏轉(zhuǎn)，這種水流流向的偏轉(zhuǎn)對兩汊出口處的船舶航行是不利的；各級流量下的直港航槽內(nèi)流速值與崩岸前相比略有減?。恢备巯?qū)挏\方向發(fā)展，緊臨戴家洲右緣深槽及直港上、下淺區(qū)有所淤積。

從崩岸敏感性計算結(jié)果可以看出，崩岸后出現(xiàn)了許多對直港不利的一面，同時考慮到右緣不斷崩退的實際情況，更傾向于先對戴家洲右緣下段進(jìn)行守護(hù)［5］。

3 戴家洲右緣守護(hù)時機(jī)分析

戴家洲右緣不斷崩退，從崩岸敏感性計算成果來看，崩退后給直港航道帶來一些不利的因素，如直港曲率半徑更大，而使直港平面形態(tài)繼續(xù)朝不利方向發(fā)展，從而影響一期工程效果和總體工程全面實施的條件。考慮到直港已初步形成貼岸深槽（2009年3月），且右岸邊灘有所淤積，此現(xiàn)象對直港航道來說是有利的，因此應(yīng)抓住時機(jī)，在戴家洲右緣必要部位先期實施守護(hù)工程。

3.1 戴家洲右緣護(hù)岸時機(jī)分析的思路

根據(jù)前述崩岸敏感性計算結(jié)果，更傾向于先對戴家洲右緣下段進(jìn)行守護(hù)，但從尋求最佳工程方案不排除任何一種可能性的科學(xué)研究精神出發(fā)，確立戴家洲右緣守護(hù)的兩種思路：一是戴家洲右緣全線守護(hù)一次性實施；二是戴家洲右緣下段守護(hù)，而戴家洲右緣上段待時機(jī)成熟后再行守護(hù)。

3.2 護(hù)岸時機(jī)分析

（1）根據(jù)直港合理曲率半徑來分析護(hù)岸位置。

參照直港航道條件較好時期的曲率半徑來看（表4），其滿足枯水期航道通航條件的曲率半徑一般在10～12 km的范圍內(nèi)，如1998年3月的曲率半徑約為12 km。從2009年3月地形來看（圖2），直港的曲率半徑約15 km，與直港歷史上行航道條件較好時期河道曲率半徑相比，明顯過大，致使直港彎道水流特性較弱，航道條件較差。戴家洲右緣下段的進(jìn)一步崩退，將增大直港的曲率半徑及下段河寬，影響直港河道平面形態(tài)過直問題的解決，而使直港平面形態(tài)朝過直方向發(fā)展，航道條件向不利方向變化。

根據(jù)統(tǒng)計分析，直港枯水期航道條件與河道曲率半徑密切相關(guān)，當(dāng)其曲率半徑在10～12 km時，灘槽形勢有利，航道條件較好，因此可以將這一范圍的曲率半徑作為直港較為理想的曲率半徑，并將這一曲率半徑在直港凹岸側(cè)對應(yīng)的邊界線作為直港的規(guī)劃整治線，在此曲率半徑取近期河段航道條件較好時（如1998年3月）的曲率半徑，即12 km（圖2）。從圖2可以看出，2009年3月，戴家洲右緣上、中段岸線距規(guī)劃整治岸線尚有崩退的余地，而下段洲緣已接近或略超過規(guī)劃的整治岸線，應(yīng)抓緊對其進(jìn)行守護(hù)，否則直港曲率半徑會繼續(xù)增大，增加后續(xù)工程實施難度。

表4 直港曲率半徑與航道情況對應(yīng)表Tab.4 Relationship between radius of curvature and channel condition of Zhigang reach

（2）根據(jù)方案試驗結(jié)果來分析護(hù)岸位置。

動床模型開展了關(guān)于戴家洲右緣守護(hù)的多組方案的試驗研究，包括全守護(hù)、下段守護(hù)。從試驗結(jié)果來看，一方面，戴家洲右緣下段守護(hù)方案和已建的戴家洲洲頭魚骨壩工程（一期工程）限制了直港河道的進(jìn)口、出口主導(dǎo)河岸的后退，基于目前直港曲率半徑偏大，考慮到河道中段主流貼左岸，右緣中段岸線適當(dāng)后退后，則戴家洲直港曲率半徑有所減小，直港凸岸邊灘隨曲率半徑減小、彎道環(huán)流增強(qiáng)、河寬增大而有所淤積，因此戴家洲右緣下段守護(hù)工程更有利于直港枯水水流坐彎，且各級流量下的直港分流比與工程前相比均略有增加，對改善直港的航道條件是有利的；另一方面，戴家洲右緣下段守護(hù)工程一定程度地規(guī)避了戴家洲直港出口航道左移和廻風(fēng)磯航路、下游橋梁航路銜接不順問題的嚴(yán)重化。

因此確定對戴家洲右緣下段先進(jìn)行守護(hù)，而戴家洲右緣上段待時機(jī)成熟后再行守護(hù)。

圖2 戴家洲河段理想曲率半徑示意圖Fig.2 Sketch of ideal curvature radius of Daijiazhou reach

3.3 戴家洲右緣守護(hù)的思路及先期護(hù)岸位置的確定

關(guān)于對戴家洲右緣下段進(jìn)行先期守護(hù)的思路確定以后，進(jìn)而需要確定守護(hù)具體位置。為此，動床模型開展了多組方案認(rèn)識性試驗，守護(hù)位置涵蓋了從戴家洲右緣彎頂以上至洲尾、從彎頂處至洲尾及從彎頂以下至洲尾等（表5）。試驗中重點觀察戴家洲右緣側(cè)水流平順情況及流速分布情況。

表5 護(hù)岸位置認(rèn)識性試驗情況表Tab.5 Sensitivity tests of revetment position

從試驗結(jié)果來看：當(dāng)守護(hù)起點位置位于戴家洲右緣彎頂以上時，下段守護(hù)岸線與上段崩岸后的岸線銜接不平順，水流不歸順；當(dāng)守護(hù)起點位置位于彎頂處時，由于該處局部流速較大，且彎道環(huán)流強(qiáng)度較強(qiáng)，可能導(dǎo)致守與不守銜接處局部地形嚴(yán)重淘刷（表6）；當(dāng)守護(hù)起點位置位于彎頂以下時，水流平順，且銜接處流速相對較弱。

經(jīng)綜合對比分析，確定戴家洲右緣先期守護(hù)位置為從戴家洲右緣彎頂以下至洲尾段，守護(hù)長度約為3 800 m。

戴家洲右緣下段守護(hù)工程已于2010年底開始實施。根據(jù)研究，待時機(jī)成熟后，即戴家洲右緣中上段崩岸后直港曲率半徑達(dá)到或接近理想值時，再實施戴家洲右緣中上段守護(hù)工程。從2011年12月地形來看，戴家洲右緣下段守護(hù)工程實施后，隨著戴家洲右緣中上段的崩退，直港彎曲半徑為11.5 km，且岸線較平順，即戴家洲右緣岸線已呈十分理想彎曲線型，同時直港灘槽格局及航道條件趨好，整個戴家洲右緣實施守護(hù)工程的條件已具備。

表6 戴家洲右緣近岸流速沿程分布情況表Tab.6 Nearshore velocity distribution along the river of Daijiazhou reach m/s

4 護(hù)岸措施

考慮到戴家洲洲體右緣岸坡較長，周邊水流、地形、地質(zhì)等條件復(fù)雜，有必要對護(hù)岸措施進(jìn)行深入研究，保障工程既能達(dá)到工程效果同時結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

4.1 護(hù)岸型式的選擇

護(hù)岸結(jié)構(gòu)有直立式、斜坡式、混合式三種。直立式護(hù)岸一般應(yīng)用于水深較深、地基較好、岸線縱深較小和用地緊張的地段，多用于城區(qū)水域或中小河流；斜坡式護(hù)岸的優(yōu)點是順應(yīng)河岸形態(tài)護(hù)岸，整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，施工便利，維護(hù)方便，對水流的干擾較小。

從本工程鉆探地層結(jié)構(gòu)可知，上層地質(zhì)結(jié)構(gòu)以粉質(zhì)粘土為主，并夾雜淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和粉土層，下部為粉細(xì)沙層，且土層含水量高；往下主要為粉細(xì)沙。整個護(hù)岸區(qū)域土體耐沖刷性均較差，在江水的沖刷、淘蝕下，易形成崩塌或滑坡，且這種破壞會隨著外層岸坡不斷崩塌沖蝕逐漸向內(nèi)發(fā)展。

因此，從護(hù)岸的穩(wěn)定性出發(fā)，本護(hù)岸工程采用斜坡式平順護(hù)岸型式。護(hù)岸主要由陸上護(hù)坡、枯水平臺、水下護(hù)底、鎮(zhèn)腳組成。下面重點對陸上護(hù)坡結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行分析研究。

4.2 陸上護(hù)坡結(jié)構(gòu)型式的選擇

護(hù)坡結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)工程部位的地形地貌、河岸土質(zhì)、近岸水流、風(fēng)浪、破壞變形、環(huán)境要求、施工強(qiáng)度以及材料來源等因素綜合分析比選。目前護(hù)岸常用的護(hù)坡結(jié)構(gòu)型式主要有干砌塊石、漿砌塊石、干砌預(yù)制砼塊、漿砌預(yù)制砼塊、鋼絲網(wǎng)格及模袋混凝土等。

干砌預(yù)制砼塊護(hù)坡具有取材容易、可工廠化生產(chǎn)、施工簡單、施工速度快、適合大規(guī)模應(yīng)用這些顯著優(yōu)點，砼塊縫隙間可以生長草木，有一定的生態(tài)效應(yīng)，其透水性較差缺點可以通過在砼塊中間設(shè)置透水孔來提高其透水性?？紤]到戴家洲右緣上段約2 000 m范圍內(nèi)及下段約4 000 m范圍內(nèi)為非迎流頂沖段，近岸流速較小（表6），且坡腳處沖淤幅度較小，該段岸坡相對較穩(wěn)定，因此該段護(hù)坡宜選用干砌預(yù)制砼塊作為護(hù)坡面層結(jié)構(gòu)。

鋼絲網(wǎng)格整體性和透水性好、可適應(yīng)變形、耐久、防水流沖刷、生態(tài)環(huán)保等優(yōu)點。雖然鋼絲網(wǎng)格工程造價要稍高，但用于護(hù)坡有其明顯的優(yōu)越性。而對于本護(hù)岸工程中段約4 000 m范圍內(nèi)，岸坡坡比較陡，為迎流頂沖彎頂段，近岸流速較大，坡腳處沖刷幅度較大，岸坡穩(wěn)定性要差于上段及下段，因此該段護(hù)坡宜選用鋼絲網(wǎng)格。

綜上，護(hù)岸上段及下段一定范圍陸上護(hù)坡結(jié)構(gòu)采用干砌預(yù)制砼塊結(jié)構(gòu)，護(hù)岸中段陸上護(hù)坡結(jié)構(gòu)采用鋼絲網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)天然實測資料，并通過戴家洲右緣崩岸敏感性計算，分析了戴家洲右緣崩退與直港航道條件的關(guān)系，表明崩岸后直港上段主流線有坐彎的趨勢，但崩岸后出現(xiàn)了許多對直港不利的一面，如直港曲率半徑加大，航道條件惡化，直港出口航道左移與廻風(fēng)磯航路、下游橋梁航路銜接不順。由此更傾向于先對戴家洲右緣下段進(jìn)行守護(hù)。

（2）根據(jù)直港合理曲率半徑以及崩岸敏感性計算結(jié)果分析了護(hù)岸時機(jī)，確定對戴家洲右緣下段先進(jìn)行守護(hù)，而戴家洲右緣上段待時機(jī)成熟后再行守護(hù)。并最終確定了戴家洲右緣先期守護(hù)位置為從戴家洲右緣彎頂以下至洲尾段，守護(hù)長度約為3 800 m。隨后又進(jìn)行了連續(xù)不間斷地跟蹤分析研究，動態(tài)性地提出了護(hù)岸工程措施。

（3）對長江中下游已有護(hù)岸措施及其適應(yīng)性進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上，提出了戴家洲右緣護(hù)岸工程措施。其中，護(hù)岸上段及下段一定范圍陸上護(hù)坡結(jié)構(gòu)采用干砌預(yù)制砼塊結(jié)構(gòu)，護(hù)岸中段陸上護(hù)坡結(jié)構(gòu)采用鋼絲網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。

［1］劉萬利，李旺生.長江中游戴家洲河段戴家洲右緣崩岸特性及護(hù)岸措施專題研究報告［R］.天津：交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2010.

［2］余文疇，盧金友.長江河道崩岸與護(hù)岸［M］.北京：水利水電出版社，2008.

［3］張幸農(nóng)，蔣傳豐，應(yīng)強(qiáng)，等.江河崩岸問題研究綜述［J］.水利水電科技進(jìn)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］張幸農(nóng)，蔣傳豐，陳長英，等.江河崩岸的類型與特征［J］.水利水電科技進(jìn)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］劉萬利,李旺生,朱玉德,等.長江中游戴家洲河段航道整治思路探討［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］劉萬利,李旺生,朱玉德,等.長江中游戴家洲河段河床演變分析及趨勢預(yù)測［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，閆軍.長江中游戴家洲河段戴家洲右緣下段守護(hù)工程工程可行性研究報告［R］.武漢：長江航道規(guī)劃設(shè)計研究院，2009.

［8］張明進(jìn)，王建軍.長江中游戴家洲河段戴家洲右緣守護(hù)工程工可階段數(shù)學(xué)模型研究報告［R］.天津：交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2009.