長江江都嘶馬段岸崩災害的形成機理與防治對策

胡秀艷， 姚炳魁， 朱常坤

(1.揚州市江都區(qū)國土資源局，江蘇江都225200； 2.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇南京210018)

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長江江都嘶馬段岸崩災害的形成機理與防治對策

胡秀艷1， 姚炳魁2， 朱常坤2

(1.揚州市江都區(qū)國土資源局，江蘇江都225200； 2.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇南京210018)

摘要：江岸穩(wěn)定性取決于最大崩塌臨界機制的驅(qū)動力和抵抗力的平衡，二者的平衡又受控于岸邊坡形態(tài)、巖土組成、水流浪涌特征、植被覆蓋等。崩岸是長江嘶馬彎道床演變的一個重要方面。通過對嘶馬彎道遙感解譯圖像資料進行對比分析，查清研究區(qū)江岸岸線特征及其變遷歷程。為了揭示北岸崩塌產(chǎn)生的原因，通過野外踏勘、測量與鉆探等技術(shù)方法查明該區(qū)地質(zhì)基礎(chǔ)條件，并基于實時動態(tài)定位技術(shù)(Real Time Kinematic，RTK)的水下測量數(shù)據(jù)建立典型剖面，分析凸岸和凹岸的水流運動特征及其對邊岸的影響。從地質(zhì)基礎(chǔ)和水動力條件2個方面揭示嘶馬段江岸坍塌形成機理，即具有上細下粗二元結(jié)構(gòu)的邊岸地層是岸崩形成的基礎(chǔ)，丁壩回流和彎道螺旋流的掏蝕作用是岸崩形成的重要條件。并基于江岸穩(wěn)定性現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢，提出相應的江岸整治措施。

關(guān)鍵詞：長江嘶馬彎道；江岸穩(wěn)定性；遙感；RTK技術(shù)；岸崩機制；江蘇江都

0引言

天然江河岸坡或洪漫灘地的崩塌破壞(簡稱崩岸)是一種危害性較大的自然災害現(xiàn)象，在全世界各大江河普遍存在(Hagertyetal., 1981；Abam，1993)，而我國長江中下游崩岸現(xiàn)象尤為嚴重(王延貴等，2014)。

影響邊岸穩(wěn)定性的因素眾多，相互作用復雜，許多學者對邊岸坍塌問題進行了深入的探討。馬榮華等(2004)以岸線穩(wěn)定性、岸前水深、岸前水域?qū)挾群桶毒€陸域?qū)挾茸鳛樵u價因子，使用GIS疊加分析與格網(wǎng)分析技術(shù)對江蘇長江段岸線進行了穩(wěn)定性評價。張偉(2006)根據(jù)彎道內(nèi)非均勻沙起動的臨界條件，采用分層進行的河床沖刷粗化計算方法，計算了嘶馬彎道的沖刷深度。美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究局(USDA-ARS)提出的BankStabilityandToeErosionModel(BSTEM)是一個用于預測河岸穩(wěn)定性與坡腳侵蝕速率的模型(冉冉等，2011；Midgleyetal.，2012)。王博等(2014)利用BSTEM模型計算了長江中游荊江出口典型斷面在不同岸坡形態(tài)、水位條件、坡腳橫向沖刷距離等條件下的河岸穩(wěn)定安全系數(shù)。劉艷鋒等(2010)研究發(fā)現(xiàn)，當水體沉積物負荷過高時，BSTEM模型計算的侵蝕量數(shù)值偏低，該模型與河岸崩塌機理不能完全匹配。姚志雄等(2015)認為滲流潛蝕是岸坡崩坍的一個重要成因，并基于實際岸坡的潛蝕破壞過程，使用解析方法對堤岸剪切與傾覆2種破壞模式的失穩(wěn)機理進行分析。張文春等(2010)則指出：由于庫岸穩(wěn)定性問題具有高度的非線性和不確定性，應用非線性理論方法進行穩(wěn)定性評價才能得到與岸坡實際情況相符的結(jié)果。徐佩華等(2007)采用BackPropagationNeuralNetworks(BPNN)對三峽水庫的上游庫岸進行了穩(wěn)定性等級判斷，并使用經(jīng)驗公式法對計算結(jié)果進行了驗證，但BPNN的結(jié)構(gòu)設(shè)定具有主觀性，其訓練得出的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)缺少物理含義。綜合以上研究成果可以發(fā)現(xiàn)，影響崩岸的因素很多，對于具體的崩岸岸段，應在研究崩岸共性的基礎(chǔ)上，具體研究河岸土質(zhì)、結(jié)構(gòu)、水流條件及人類工程活動等各方面的因素，才能揭示具體的崩岸段成因機制和提出正確的防治對策。

長江江都段嘶馬彎道是長江中下游著名坍段，歷史上曾多次發(fā)生江岸坍塌(于俊杰等， 2013)。2015年5月25日至6月初，長江將都嘶馬彎道東一壩及下游，連續(xù)發(fā)生3次坍江險情，東一壩壩尖坍失、壩根坍損，下游岸線東西坍長35m，南北坍寬20m。1984年7月21日，此處紅旗河口兩側(cè)曾發(fā)生特大崩坍，63h內(nèi)坍去土地11.5hm2，造成嚴重的土地和財產(chǎn)損失。針對嘶馬彎道岸崩災害頻發(fā)的現(xiàn)狀，結(jié)合國內(nèi)外研究成果，在傳統(tǒng)的野外調(diào)查和鉆探勘查的基礎(chǔ)上，利用遙感解譯(黃家柱，1999)和RealTimeKinematic(RTK)(Kelleretal.，2001)水下測量資料，從岸線變遷、地質(zhì)條件、水流特征和防治對策等方面對嘶馬彎道岸崩現(xiàn)象進行論述，著重分析地質(zhì)條件和水流特征對岸崩災害的影響，對該地的江岸崩塌治理有一定的理論和現(xiàn)實意義。

1江岸變遷歷史

長江江都嘶馬彎道位于長江下游揚中河段上游段，該彎道上起丹徒縣五峰山，下至泰州市高港，全長25km，曲率半徑5～6km，彎頂處小于4km，為一向北凸起的分汊型陡彎河道。本次研究區(qū)范圍江北岸西起淮河入江三江營河口，東至南關(guān)河口，全長15km；江南岸西起揚中夾江、東至二墩港，全長16.5km。行政區(qū)劃上江北岸隸屬于江都區(qū)大橋鎮(zhèn)和嘶馬鎮(zhèn)，東南側(cè)位于泰州市高港區(qū)境內(nèi)，江南岸則屬于揚中市新壩鎮(zhèn)與豐裕鎮(zhèn)管轄范圍(圖1)。

圖1　研究區(qū)范圍Fig.1　Map showing the range of the study area

通過對比分析4份不同時期的岸線遙感數(shù)據(jù)圖像及其計算機合成處理結(jié)果，得到嘶馬彎道半個世紀以來的岸線變化特征(圖2)。嘶馬彎道北岸岸線年年北移，從西至東規(guī)模不同。三江營—杜家汪一線江岸：1954—1964年間平均崩退450m，1964—1984年間岸線后退300m，1984—2001年間后退150m，崩退速率逐漸降低；杜家汪—東二壩之間江岸：1954—1964年間平均崩退500m，1964—1984年間岸線后退400m，1984—2001年間由于護岸工程的修筑，岸線后退不明顯；東二壩—江泰交界處：1954—1964年間平均崩退550m，1964—1984年間上段岸線后退較大可達600m，下段相對較小為200m，1984—2001年間岸線崩退評價達到400m；江泰交界處—南官河口：1954—1984年江岸稍有崩退，近幾年趨于穩(wěn)定。在北岸發(fā)生大規(guī)模崩退的同時，南岸也略有后退，但幅度較?。?954年以來，南岸線東西段變化不大，中斷即鄂家港—鐵皮港一帶，江岸迅速淤長，岸線以每年25m的速率北移。

圖2　長江江都嘶馬段江岸變遷遙感解譯圖Fig.2　Remote sensing interpretation ofriverbank transformation inthe Sima bend of Jiangdu, Yangtze River

頂沖點的變化：1954年長江嘶馬段的頂沖點位置在三江營一帶，20世紀60年代在西七壩上游附近，70年代已移至嘶馬紅旗河口附近，90年代到達新橋港附近，而今彎道頂沖點在楊灣港附近。說明嘶馬彎道頂沖點具有隨時間不斷下移的趨勢。

深泓的變化：嘶馬彎道自20世紀50年代至今，

深泓線大部分時間處于左擺趨勢，尤其是90年代初期嘶馬河口左擺速率一度達到96.6m/a；深泓右擺主要發(fā)生在1985—1991年，期間在杜家汪和臨江一線，右擺速率為30.0m/a。

2岸崩災害形成機理

2.1地質(zhì)條件

研究區(qū)為第四系覆蓋區(qū)，厚度80～280m，產(chǎn)狀平緩，巖性上細下粗，具有現(xiàn)代河流沉積物組成的二元結(jié)構(gòu)特征(夏軍強等，2013)：上部為第四系全新統(tǒng)如東組(Qhr)，巖性主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和粉砂，屬于河流沖積相沉積；下部為第四系上更新統(tǒng)(Qp3)，巖性主要為含礫細砂和中粗砂，屬于河床相沉積。彎道北側(cè)下伏白堊系上統(tǒng)赤山組(K2c)粉砂巖、含礫砂巖；彎道南側(cè)下伏白堊系上統(tǒng)浦口組(K2p)含礫粉砂巖、砂巖、角礫巖等。

根據(jù)原狀土樣工程性質(zhì)測試結(jié)果，可將研究區(qū)內(nèi)70m以淺土層分成3層，其中第1和第2層屬于第四系全新統(tǒng)如東組(Qhr)，第3層為第四系上更新統(tǒng)(Qp3)。另外，根據(jù)巖性組合與力學指標(標準貫入擊數(shù))，進一步將第1、第2層分別細分為4個、2個亞層，各層土的抗沖和抗剪性質(zhì)指標測試結(jié)果如表1所示。其中，起動流速Uc由沙莫夫公式計算獲得(童思陳等，2008)。

表1　各土層抗沖、抗剪指標

選擇窩崩災害嚴重的紅旗河口，建立工程地質(zhì)剖面(圖3)。

結(jié)果顯示，組成江岸的土層以淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和粉砂為主，抗沖性能較好的粉質(zhì)黏土分布于其頂部，厚度1～2m，埋深20m處皆有1-2和1-3亞層組成，起動流速Uc均小于1.0m/s。紅旗河口以西地表6.7m以下為厚層粉砂，河口以東淺部主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。紅旗河口東西兩側(cè)的巖性不同，這是岸崩主要發(fā)生在河口西部的一個重要內(nèi)在原因。

圖3　紅旗河口工程地質(zhì)剖面Fig.3　Engineering geological profile of the Hongqi estuary

2.2水文地質(zhì)條件

據(jù)統(tǒng)計，長江崩岸多發(fā)生在退水期和枯水期，說明水文地質(zhì)條件對堤岸自身穩(wěn)定性有較大影響。當汛期長江水位高于堤岸地下水位時，江水滲透入堤岸土體，產(chǎn)生向內(nèi)的滲透力，對江岸穩(wěn)定性產(chǎn)生積極作用；而當枯水期長江水位偏低時，地下水向長江排泄，產(chǎn)生向外的滲透力，地下水位比江水位越高，滲透力越大，對岸坡的穩(wěn)定越不利。

在嘶馬彎道，為了控制河勢、保護岸灘、束水攻沙及奎高水位，20世紀70年代以來，陸續(xù)修筑了約10km的丁壩、沉排和拋石等堤防工程，這些建筑在嘶馬彎道沖積層上的水利設(shè)施，上部為粉質(zhì)黏土，下部為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和粉砂，上、下層之間存在滲透系數(shù)差異，具備承壓滲流的雙層基礎(chǔ)。汛期堤腳飽和變軟、堤內(nèi)地面沼澤化，枯水期堤內(nèi)腳承受剪切滲流應力作用，影響岸坡的穩(wěn)定。

2.3水流條件

彎曲河道以彎道中心線為界，其水流的流速在凹岸和凸岸有著不同的運動規(guī)律?；赗TK水下測量數(shù)據(jù)可以在彎道任意位置建立橫斷面，分別選取西七壩、五圩碼頭和楊灣港3個典型剖面(圖4)，參照王平義等(1994)的研究成果，分區(qū)域計算彎道縱向平均流速。結(jié)果顯示，流量最小時，嘶馬岸坡凹岸附近的流速在0.31～0.95m/s之間，流量最大時，流速最高可達1.56m/s，彎道內(nèi)最大縱向垂線平均流速出現(xiàn)在凹岸附近最大水深處，與實測資料吻合，且?guī)滋幤拭娼源嬖诿黠@的彎道螺旋流現(xiàn)象。螺旋流是縱向水流在彎道轉(zhuǎn)向過程中引起橫向水位發(fā)生變化、在重力作用下產(chǎn)生的一種次生流速(李愛香等，2009)。另外，水流在丁壩上游受到壓縮，壩下斷面突然放大，水流因分離形成了狹長的回流區(qū)。回流區(qū)內(nèi)彎道螺旋流使表層水流橫向分流至凹岸，底層水流流向凸岸(圖5)。該彎道流對凹岸具有較強的掏蝕作用。特別是在長江汛期，降水流量大，挾沙能力強，螺旋流對江岸進行掏蝕后使岸坡變陡、懸空，進而出現(xiàn)崩塌，環(huán)流進一步逼近岸邊，循環(huán)往復，使岸線不斷后退。與此同時，凸岸則處于淤長狀態(tài)，使長江河道江底地形呈現(xiàn)不對稱的“U”形。

圖4　長江江都嘶馬彎道長江橫斷面圖Fig.4　Cross section of Yangtze River in the Simabend of Jiangdu, Yangtze River

圖5　彎道螺旋流示意圖Fig.5　Sketch showing spiral flow at bend(a) spiral flow plan; (b) cross-section

3穩(wěn)定性與防治對策

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查、工程鉆探與測試、遙感解譯、水下地形測量資料及室內(nèi)分析計算結(jié)果，長江江都嘶馬段北側(cè)江岸的穩(wěn)定性狀況有3種，自西向東分為4段(圖6)：(1)三江營—杜家汪一線，長2km，岸線曲折，護岸工程斷續(xù)分布，橫向變遷仍在繼續(xù)，但幅度較小，存在微型坍塌；(2)杜家汪—東二壩一線為基本穩(wěn)定岸段，長5km，該段江岸大部分為丁壩群護岸所在位置，丁壩群護岸初期窩崩現(xiàn)象發(fā)育，在河勢的自然調(diào)節(jié)作用下趨于穩(wěn)定狀態(tài)，但該段西七壩附近由于深泓近岸，水流紊亂，存在發(fā)生大規(guī)模崩塌的可能性；(3)東二壩—江泰交界段，長4km，為暫時穩(wěn)定地段，該段在護岸之前崩塌時常發(fā)生，在護岸工程之后則處于穩(wěn)定狀態(tài)，且有少量邊灘發(fā)育，但隨著南岸的不斷淤長，過江斷面減小，流速增大，深泓左移，仍存在崩塌的可能；(4)江泰交界—南官河口段，長4km，為基本穩(wěn)定岸段，該段護岸較好，岸線與河勢基本穩(wěn)定。

圖6　江岸穩(wěn)定性現(xiàn)狀圖Fig.6　Map showing current situation ofthe riverbank stability

針對嘶馬彎道江岸穩(wěn)定性現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，—先要加強雷公咀洲頭的防護，避免其繼續(xù)下移，加固長江和夾江交匯處的三江營頂點，避免彎道螺旋流對其產(chǎn)生掏蝕作用，控制河勢演變；二要從根本上消除坍江隱患，需采用灌注樁法、壓密注漿法等必要的地質(zhì)工程措施加固江岸，特別是在東二壩—江泰交界處，雖進行了平順拋石，但隨著南岸繼續(xù)大面積淤積，過江斷面減小，且處于頂沖點位置，一旦遇到上游較大來水且匯流點左移時，存在失穩(wěn)隱患。三要對可能發(fā)生較大地質(zhì)災害的地區(qū)，如西七壩附近、前臨江一帶加強監(jiān)測，及時掌握地面動態(tài)，對北岸水情、水下地形進行定期跟蹤監(jiān)測，以便進行資料對比，掌握其變化規(guī)律。

4結(jié)論

(1) 通過分析遙感解譯資料，可以得出嘶馬彎道半個世紀以來岸線、頂沖點和深泓等變化規(guī)律。通過野外勘查、鉆探與測試結(jié)果，將研究區(qū)內(nèi)70m以淺土層分成3層7個亞層，建立了該區(qū)標準地層剖面，查清了江岸土體結(jié)構(gòu)與工程地質(zhì)特征及北岸土層空間分布情況。為該地區(qū)進行江岸整治、開發(fā)利用提供了基礎(chǔ)。使用RTK水下測量數(shù)據(jù)，建立3個典型橫斷面，分別計算彎道處縱向流速。揭示了江岸坍塌與軟弱易沖刷的江岸土體結(jié)構(gòu)及彎道水動力條件相關(guān)，即窩塘內(nèi)的反向環(huán)流對抗沖性較差的紅旗河口西江岸進行掏蝕，致使岸坡失穩(wěn)而引起水下連鎖滑坡，進而引起江岸坍塌。

(2) 根據(jù)室外調(diào)查與室內(nèi)分析計算結(jié)果，將嘶馬彎道北側(cè)江岸劃分成4段，分別進行穩(wěn)定狀況評估。結(jié)果顯示，杜家汪—東二壩及江泰交界處—南官河口為基本穩(wěn)定岸段；三江營—杜家汪為稍有崩塌岸段；東二壩—江泰交界處為暫時穩(wěn)定岸段?；趯暮π纬稍虻姆治?，并結(jié)合穩(wěn)定性現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，提出要控制河勢演變，具體措施主要包括防止雷公咀洲頭的繼續(xù)下移，降低彎道螺旋流對三江營頂點的掏蝕作用，在東二壩—江泰交界處開展必要的護岸工程，加強西七壩與前臨江一帶的監(jiān)測工作。

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Formation mechanism and prevention strategies of bank collapsing at Sima Bend of Jiangdu in the Yangtze River

HU Xiuyan1, YAO Bingkui2, ZHU Changkun2

(1.LandResourceBureauofJiangduDistrictinYangzhouCity,Yangzhou225009,Jiangsu,China; 2.GeologicalSurveyofJiangsuProvince,Nanjing210018,Jiangsu,China)

Abstract：Bank stability depends on the balance of driving force and resistance of the largest collapse critical mechanism, and this balance is controlled by the shape of shore slope, rock composition, water surge characteristics and vegetation cover. Bank collapse is important for the evolution of the Sima bed in Yangtze River. Based on the interpretation of remote sensing images of the Sima bend, we determined the characteristics of the riverbank shoreline and the transformation of the Sima bend in Jiangdu of Yangtze River. In order to reveal the causes of the bank collapse of the north shore, field reconnaissance, measurement and drilling techniques were used to illuminate the geologic conditions of the study area. In addition, we established typical profiles based on Real Time Kinematic (RTK) underwater measurement data to analyze flow features of concave and convex banks and their impact on the edge of the shore. The formation mechanism of the riverbank collapse in Sima bend was revealed from the aspects of geological and hydrodynamic conditions. Shore side formation with an upper fine and lower coarse dual structure is the basis for the formation of bank collapse, and the undercutting role of groin recirculation and spiral flow is important for its formation. Based on the current situation and development trend of riverbank stability, we proposed appropriate riverbank remediation measures.

Keywords：Sima Bend of the Yangtze River; riverbank stability; remote sensing; Real Time Kinematic technique; mechanism of bank collapse; Jiangdu in Jiangsu Province

doi:10.3969/issn.1674-3636.2016.02.357

收稿日期：2015-12-20；編輯：蔣艷

基金項目：江蘇省地質(zhì)勘查基金項目“揚州市江都區(qū)地質(zhì)環(huán)境綜合調(diào)查評價”(蘇財建[2014]278號)、“江蘇省江都市嘶馬彎道江岸穩(wěn)定性地質(zhì)調(diào)查”(2000-184)

作者簡介：胡秀艷(1974— ),女, 高級工程師，從事礦產(chǎn)地質(zhì)、水工環(huán)地質(zhì)研究與管理工作，E-mail： xiuyan009@sina.com

中圖分類號：P642.21； X43

文獻標識碼：A

文章編號：1674-3636(2016)02-0357-06