三峽水庫蓄水后荊江大堤險工段近岸河床演變分析

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(長江水利委員會水文局 荊江水文水資源勘測局，湖北 荊州 434020)

1 荊江大堤護(hù)岸險工段概況

1.1 荊江大堤護(hù)岸險工段分布

荊江大堤位于荊江北岸，上起荊州市荊州區(qū)棗林崗(樁號810+400)，下止監(jiān)利縣城南(樁號628+000)，全長182.4 km，不僅是江漢平原和武漢市的防洪屏障，同時也是長江中下游重要堤防。荊江大堤護(hù)岸工程有著悠久的歷史：早在公元1465年，對沙市鹽卡附近的黃灘堤做了少量護(hù)岸石工；1788年在沙市附近修建了楊林磯、黑窯廠磯和觀音磯；至1852年修建了郝穴磯、渡船磯、鐵牛下磯、鐵牛上磯、龍二淵磯、柴紀(jì)磯、箭堤磯和楊二月磯；1860年修建了靈官廟磯；1913年修建了沖和觀磯和祁家淵磯；1915年修建了黃靈垱磯；1928年在監(jiān)利城南修建了一、二、三磯。險工護(hù)岸段位于荊江大堤迎流頂沖、無外灘或?yàn)捄苷牡潭?，主要有沙市城區(qū)段、鹽(卡)觀(音寺)段，祁(家淵)沖(和觀)段、靈(官廟)黃(林垱)段、郝(穴)龍(二淵)段等，全長約14.3 km。荊江大堤險工段穩(wěn)定與否歷來備受有關(guān)學(xué)者和部門關(guān)注。險工河段河勢見圖1。

1.2 險工河段河道近期演變概況

三峽水庫蓄水以來，沙市河彎總體河勢基本穩(wěn)定，但洲灘汊道演變劇烈。太平口過渡段深泓線基本穩(wěn)定靠右岸下行。2002，2006年三八灘分汊段主泓線走右汊，2008年后走左汊。由于三八灘萎縮，洲頭上部主流擺幅達(dá)500 m。三八灘下游至柳林洲主泓線擺幅較大，柳林洲以下主泓線基本貼左岸，擺幅很小，見圖2(a)。

圖1 險工河段河勢圖

三峽水庫蓄水以來，郝穴河彎河道平面形態(tài)基本穩(wěn)定。主泓線自彎道進(jìn)口從右岸楊廠過渡到左岸沖和觀后至鐵牛磯一直貼左岸，河彎下段自鐵牛磯逐漸過渡至右岸。除彎道進(jìn)口和下段過渡段擺幅較大外，彎頂段主泓線擺幅很小,見圖2(b)。

三峽水庫蓄水后沙市河段、郝穴河灣所在的公安河段枯水河床大幅下切。根據(jù)固定斷面觀測成果計(jì)算，沙市、公安河段2002年10月至2012年10月枯水河槽(宜昌流量5 000 m3/s水面線下河床)沖刷量分別達(dá)0.96億m3和0.91億m3，分別約占平灘河床(宜昌流量30 000 m3/s水面線下河床)沖刷量1.04億m3，0.98億m3的92%和93%，枯水河床平均沖刷深度分別約1.8 m和1.6 m。

圖2 沙市和郝穴河彎主泓線平面變化圖

從典型橫斷面變化看，三峽水庫蓄水后沙市河彎三八灘汊道橫斷面沖淤變化主要表現(xiàn)在三八灘萎縮、左汊大幅沖刷和右汊擺動，主要表現(xiàn)為低水河床沖刷，見圖3(a)。郝穴河彎典型橫斷面沖淤變化主要表現(xiàn)在25 m以下河床(包括深槽和低矮邊灘)整體沖刷，沖刷深度1.5～2.0 m，見圖3(b)。

圖3 險工段典型橫斷面沖淤變化

2 險工段選擇及其代表性

荊江大堤險工段較長，且磯頭較多。考慮險工所處河段河型和磯頭型式等差異，選擇荊江大堤沙市段觀音磯、鹽觀段楊二月磯、郝穴段龍二淵磯等為典型磯頭，開展險工段近岸河床演變分析。

觀音磯位于沙市河彎中部、三八灘左汊左岸，為直立條石干砌形式，磯高約10 m，磯身直立伸入江中約150 m，系代表受汊道周期性演變影響而發(fā)生近岸河床沖淤變化的典型磯頭。楊二月磯位于鹽觀段上段、金城洲汊道進(jìn)口左岸，為條石磯頭形式，磯高約6 m，突出江中約80 m，代表平順段磯頭近岸河床沖淤的特性。龍二淵磯位于郝穴河彎彎頂，由4個相距80～100 m低于大堤頂約8 m、突出江中約40 m的塊石潛壩群組成，代表受彎道水流頂沖部位磯頭近岸河床沖淤情況。

3 險工段近岸河床演變

3.1 險工段深泓線平面變化

3.1.1 沙市險工段

沙市城區(qū)險工段位于三八灘汊道左岸，堤外無灘，主流迎流頂沖，深泓貼岸，建有觀音磯、二郎磯和劉大巷磯。該段深泓線平面變化主要受三八灘消長變化影響。三峽水庫蓄水后，觀音磯附近和劉大巷磯以下深泓線走向穩(wěn)定，年際擺幅在30 m以內(nèi)；觀音磯下游1 km范圍受三八灘右移影響擺幅較大，但沒有趨勢性變化。如圖2(a)所示。

3.1.2 鹽觀險工段

鹽觀險工段位于沙市河彎尾端，金城洲汊道左岸，建有楊二月磯和箭堤磯。三峽水庫蓄水后，金城洲逐漸與右岸并岸，右汊僅高水過流。該段岸線相對順直，堤外無灘，深泓線貼岸而行，走向穩(wěn)定。三峽水庫蓄水后，深泓線擺幅有限，在50 m以內(nèi)。如圖2(a)所示。

3.1.3 郝龍險工段

郝龍險工段位于郝穴河彎彎頂，建有龍二淵磯和鐵牛磯。該段為上荊江河道最窄河段，枯季河寬700 m左右，右岸發(fā)育南五洲邊灘，北岸荊江大堤堤外無灘，水流常年貼岸。三峽水庫蓄水后，該段深泓線走向穩(wěn)定，僅下段深泓線擺幅在150 m左右。如圖2(b)所示。

圖4 不同近岸斷面年際沖淤變化

3.2 近岸斷面年際沖淤變化

沙市險工段近岸河床變化長期受三八灘汊道沖淤影響，汊道左汊發(fā)育、三八灘灘體沖刷右移，則該段近岸沖刷，否則淤積。年際沖淤變化見圖4。

三峽水庫蓄水后，觀音磯下腮半江近岸斷面總體呈現(xiàn)沖刷態(tài)勢，10 a來斷面最低點(diǎn)降低約10 m，水下岸坡變陡，見圖4(a)。

表1 典型磯頭不同年份近岸邊坡統(tǒng)計(jì)

鹽觀險工段近岸河床變化多年來受金城洲汊道沖淤影響，但長期以來汊道左汊為主汊。三峽水庫蓄水后，雖然金城洲左緣沖刷，但該段楊二月磯下腮半江斷面岸坡小幅沖刷，總體呈穩(wěn)定狀態(tài)，10 a來斷面最低點(diǎn)基本沒有降低，水下岸坡有所變陡，見圖4(b)。

郝龍險工段位于郝穴彎道彎頂，該段堤外基本無灘，水流頂沖岸坡。三峽水庫蓄水后，龍二淵磯下腮近岸斷面岸坡小幅沖刷，水下岸坡有所變陡，但斷面最低點(diǎn)逐漸淤高，其原因與1998年大水后的2000年磯頭枯水岸坡加固密切相關(guān)，見圖4(c)。

圖5 不同斷面年內(nèi)沖淤變化(2009—2011年)

3.3 近岸斷面年內(nèi)周期性沖淤變化

險工段近岸河床年內(nèi)周期性沖淤變化選取代表性斷面中水年2009年和枯水年2011年汛前、汛期和汛末施測半江斷面進(jìn)行分析。實(shí)測資料表明:沙市城區(qū)險工段和鹽觀險工段近岸河床年內(nèi)周期性變化均表現(xiàn)為漲沖落淤規(guī)律，沙市城區(qū)段中水年2009年的特征比枯水年2011年更明顯，幅度相對較大，見圖5(a)和圖5(b);郝龍險工段中水年份如2009年，表現(xiàn)為漲淤落沖，與該河段江面較窄有關(guān)，而枯水年份表現(xiàn)不明顯，見圖5(c)。

3.4 險工段近岸岸坡坡比變化

荊江大堤護(hù)岸工程歷史悠久，經(jīng)歷次加固，水下拋石量較多。由于水下拋石均按延緩坡比進(jìn)行加固，經(jīng)過不斷調(diào)整，至2002年磯頭附近水下岸坡已相對穩(wěn)定[1-2]。三峽水庫蓄水后，沙市段觀音磯、鹽觀段楊二月磯、箭堤磯和郝龍段龍二淵磯、鐵牛磯下腮水下岸坡明顯變陡，其中楊二月磯和龍二淵磯下腮水下岸坡坡比小于1∶2.5，龍二淵磯甚至小于1∶2，處于極陡狀態(tài)；劉大巷磯下腮水下岸坡變化不大。說明三峽水庫蓄水后，枯水河床沖刷對部分險工段近岸岸坡穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響，見表1。

3.5 險工段沖刷坑變化特征

3.5.1 沖刷坑面積及最深點(diǎn)高程變化特征

沖刷坑的沖刷深度和面積是沖刷坑形態(tài)重要特征之一，代表河床受局部水流結(jié)構(gòu)沖刷變形的程度。沖刷坑面積、深度和距離岸坡距離大小是關(guān)系到岸坡穩(wěn)定與否的重要指標(biāo)。表2為典型沖刷坑汛期面積及最低點(diǎn)高程統(tǒng)計(jì)。由表2可知：三峽水庫蓄水后，沙市城區(qū)險工段觀音磯沖刷坑(10 m等高線)表現(xiàn)為蓄水期前3 a面積增大、高程降低，其后基本保持穩(wěn)定；鹽觀段楊二月磯沖刷坑(5 m等高線)和最深點(diǎn)高程沒有明顯趨勢性變化；郝龍段龍二淵磯沖刷坑(0 m等高線)則表現(xiàn)為面積急劇縮小，最深點(diǎn)高程增大。

表2 典型沖刷坑汛期面積及最低點(diǎn)高程統(tǒng)計(jì)

3.5.2 沖刷坑橫向擺動特征

表3為典型磯頭不同年份沖刷坑標(biāo)準(zhǔn)岸距統(tǒng)計(jì)。該統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，三峽水庫蓄水后，從年際變化看，觀音磯沖刷坑有離岸趨勢，10 a約外移35 m；楊二月磯和龍二淵磯沖刷坑在較小范圍內(nèi)擺動，沒有明顯趨勢性變化。從年內(nèi)變化看，觀音磯沖刷坑由于受磯頭挑流作用明顯，多數(shù)年份表現(xiàn)為汛期外移，枯季內(nèi)靠；由于鹽觀段河道相對較順直，且磯頭規(guī)模較小，挑流作用較弱，楊二月磯沖刷坑年內(nèi)擺動幅度很?。缓慢埗锡埗Y磯處于彎道頂端，沖刷坑橫向擺動幅度較大，多數(shù)年份汛后外移，至汛前內(nèi)靠。

3.5.3 沖刷坑面積與最深點(diǎn)關(guān)系

險工段磯頭規(guī)模、挑流作用強(qiáng)弱和所處局部河段河型不同，沖刷坑的面積差異很大。沙市段觀音磯突出彎頂約150 m，汛期挑流作用明顯，沖刷坑面積及變化幅度遠(yuǎn)大于楊二月磯和龍二淵磯沖刷坑。三峽水庫蓄水后，觀音磯沖刷坑(10 m等高線)面積與最深點(diǎn)高程之間有較好的相關(guān)關(guān)系，而楊二月磯沖刷坑(5 m等高線)和龍二淵磯沖刷坑(0 m等高線)面積與最深點(diǎn)變化幅度較小，二者間沒有良好的相關(guān)關(guān)系，見圖6。

圖6 3個典型磯頭沖刷坑面積與最深點(diǎn)高程關(guān)系

3.6 險工段近岸河床演變影響因素

荊江大堤險工段近岸河床演變與水沙條件變化、河勢變化、河型和磯頭型式等均有密切關(guān)系。

(1) 雖然蓄水前各險工段不斷進(jìn)行加固，經(jīng)過不斷調(diào)整，至蓄水前水下岸坡已相對穩(wěn)定[1]，但三峽水庫蓄水后，壩下游水流含沙量大幅減少，枯水河床強(qiáng)烈沖刷，沙市、公安河段枯水河床分別平均下切約1.8 m和1.6 m，而荊江大堤險工段均處于迎流頂沖段，深泓貼岸，故險工段近岸河床普遍表現(xiàn)為近岸岸坡沖刷，水下岸坡變陡，最低點(diǎn)高程降低等特征。

(2) 險工護(hù)岸段近岸河床演變還受所處河段河勢變化[3-4]和河型影響。如沙市城區(qū)險工段處于三八灘左汊左岸，其中段主流線擺動較大，且沖刷坑的沖淤變化明顯受到三八灘左右汊變化的影響；鹽觀險工段所處河段相對平順，主泓線走向穩(wěn)定，三峽水庫蓄水后變化相對較?。惶幱诤卵ê訌澋暮慢堧U段磯雖長期受到彎道水流作用，迎流頂沖較強(qiáng)，但河寬較窄，其演變表現(xiàn)出與其他2段不同的特征。

(3) 各險工護(hù)岸段近岸河床演變還因磯頭型式和規(guī)模不同表現(xiàn)為不同的演變特征。沙市觀音磯高大且突出河床150 m，挑流左右強(qiáng)烈，沖刷坑面積及最低點(diǎn)高程變化幅度遠(yuǎn)大于其他磯頭。龍二淵磯雖然為磯頭群，但因其規(guī)模較小、突出江中距離不大，其近岸河床演變較小。

(4) 從水文條件看，不同的水文年表現(xiàn)出不同的規(guī)律。三峽水庫蓄水后，水庫調(diào)峰作用明顯，枯季流量加大，中水持續(xù)時間延長，期間除2006年和2011年荊江出現(xiàn)特枯水，其他年份均為中大水年份。在中大水年，近岸河床變化幅度大，小水年則較小。

4 結(jié) 論

(1) 三峽水庫蓄水后，雖然荊江總體河勢穩(wěn)定，但由于壩下游枯水河床強(qiáng)烈沖刷，荊江大堤險工段近岸河床普遍表現(xiàn)為近岸岸坡沖刷、水下岸坡變陡、最低點(diǎn)高程降低等特征，對險工護(hù)岸穩(wěn)定帶來一定挑戰(zhàn)。

(2) 由于各險工段所處河段河勢、磯頭型式和規(guī)模等不同，各險工段近岸河床演變規(guī)律不同，主要表現(xiàn)在沙市段受三八灘汊道演變劇烈和觀音磯挑流作用強(qiáng)，近岸河床年際、年內(nèi)變化較大，而鹽觀段和郝龍段則相對較小。

(3) 隨著三峽水庫蓄水時間延長，荊江河段將處于長時段沖刷，枯水河槽將繼續(xù)大幅沖深，可能使險工段近岸岸坡繼續(xù)大幅沖刷，灘槽高差加大，岸坡逐漸失穩(wěn)，可能引發(fā)崩岸險情。建議加強(qiáng)護(hù)岸工程巡查和動態(tài)監(jiān)測，及時開展護(hù)岸工程出險原因的調(diào)查分析及對策研究。

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