對長江中下游崩岸治理設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)思考

(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 江河整治公司，湖北 武漢 430010；2.湖北電信工程有限公司，湖北 武漢 430014； 3.鄂州市河道堤防管理處，湖北 鄂州 436000)

對長江中下游崩岸治理設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)思考

彭良泉1周波2蘆偉宏3

(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司江河整治公司，湖北武漢430010；2.湖北電信工程有限公司，湖北武漢430014； 3.鄂州市河道堤防管理處，湖北鄂州436000)

針對長江中下游崩岸治理設(shè)計(jì)中存在的問題，分別從工程平面布置、方案設(shè)計(jì)思路以及新材料應(yīng)用等方面進(jìn)行了闡述。指出工程布置應(yīng)該從全局出發(fā)，充分考慮河段水沙運(yùn)動及河床演變趨勢，并注意分析工程布置對上下游、左右岸的相互影響；針對坍塌型崩岸和流滑型崩岸，提出了判別準(zhǔn)則，并對分析方法、設(shè)計(jì)原則等方面進(jìn)行了探討；針對傳統(tǒng)拋石以及護(hù)坡材料，提出采用土工合成材料以及格賓進(jìn)行優(yōu)化的建議。

崩岸治理；坍塌型崩岸; 流滑型崩岸; 長江中下游

1 崩岸治理設(shè)計(jì)中存在的問題

眾所周知，無論是汛期還是枯水期，長江中下游均發(fā)生崩岸險(xiǎn)情，嚴(yán)重威脅沿江人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全。為此，沿江相關(guān)省市積極部署實(shí)施崩岸治理，使長江中下游崩岸險(xiǎn)情得到了一定程度的緩解。然而，崩岸治理設(shè)計(jì)仍存在嚴(yán)重滯后的現(xiàn)象；從崩岸治理的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)來看，普遍存在崩岸預(yù)測性不足、主動性不強(qiáng)的現(xiàn)象；從治理時效性上看，治理措施提前量不足，往往在崩岸發(fā)生后才進(jìn)行治理，導(dǎo)致形成了不可逆轉(zhuǎn)的河勢格局，造成治理費(fèi)用成倍增加，且效果差強(qiáng)人意；從設(shè)計(jì)方案的平面布局來看，往往忽視了來水來沙變化和河床演變趨勢等客觀規(guī)律的研究，缺乏聯(lián)系上下游、左右岸的全局意識，導(dǎo)致治理效果不好甚至產(chǎn)生周邊次生崩岸；從具體設(shè)計(jì)方案來看，存在對崩岸的產(chǎn)生原因、機(jī)理和類型分析不深入導(dǎo)致治理措施不完善的現(xiàn)象，對不同的崩岸類型提出的處理措施針對性不強(qiáng)；從材料應(yīng)用來看，大多采取傳統(tǒng)拋石方法，既破壞生態(tài)環(huán)境，又進(jìn)一步造成人為懸河，新材料應(yīng)用進(jìn)展緩慢。

針對上述問題，本文試圖從崩岸治理工程的平面布局、方案設(shè)計(jì)思路以及新材料應(yīng)用等方面對崩岸治理設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

2 工程平面布局

崩岸治理中的工程平面布局是崩岸治理設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的問題。

2.1 基本原則

(1) 應(yīng)該用客觀的態(tài)度論證崩岸治理的必要性和時機(jī)性。對于長江中下游來說，由于其河床、岸坡土質(zhì)多泥沙，流量和水位年內(nèi)、年際變化頻繁，導(dǎo)致崩岸是必然的?；谶@樣的客觀演變規(guī)律，崩岸治理應(yīng)因地制宜。對治理措施投入不大、性價(jià)比較高的崩岸可采取措施治理；對局部堤段常年處于崩岸的情況，在有空間的情況下應(yīng)適當(dāng)進(jìn)行退堤，或是在崩岸發(fā)生后再采取工程措施，以獲得治理工作的主動性。因此，結(jié)合河勢變化，選擇合適的護(hù)岸時機(jī)及合理的護(hù)岸措施十分重要。

(2) 崩岸治理的平面布局必須在深入分析三峽水庫蓄水前后河段來水來沙條件變化的基礎(chǔ)上，根據(jù)河段演變趨勢，分析崩岸長度和強(qiáng)度，科學(xué)論證崩岸治理范圍；同時，必須全面考慮工程布局對左右岸、上下游的不利影響。因?yàn)樾碌闹卫泶胧┰谝欢ǔ潭壬蠈淖冊泻拥篮觿?，使水流頂沖點(diǎn)發(fā)生上提或下移，產(chǎn)生新的沖淤變化，崩岸治理范圍必須涵蓋采用治理措施后可能發(fā)生的新的崩岸范圍。此外，如果不協(xié)調(diào)左右岸、上下游相互關(guān)系，極有可能導(dǎo)致新的崩岸險(xiǎn)情。

(3) 平面布局必須與設(shè)計(jì)方案緊密聯(lián)系。合理的平面布局不僅可以優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，且可大大節(jié)約工程投資；否則即使設(shè)計(jì)方案正確，也可能造成投資成倍增加，甚至產(chǎn)生新的次生崩岸險(xiǎn)情。

2.2 關(guān)鍵問題

大量研究表明，長江中下游大多數(shù)崩岸均發(fā)生在彎道凹岸、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。因此，本文重點(diǎn)討論彎道崩岸治理的平面布局。對于順直型河段，平面布局一般采用順式防護(hù)。

2.2.1 合理確定彎道河寬和曲率半徑

要從根本上解決崩岸問題，就要使河道河勢適應(yīng)來水來沙的變化，要求河道斷面邊界條件(主要指河道寬度)能夠滿足流量和水位年內(nèi)、年際的頻繁變化。在河彎半徑較小、曲率較大的河道中，彎道環(huán)流對河床沖淤的作用較為顯著。研究表明，彎道環(huán)流最大強(qiáng)度一般位于河彎的頂點(diǎn)部位和靠近頂點(diǎn)的彎道下部[1]，這就決定了處于發(fā)展中的河彎具有向下游蠕動的規(guī)律，彎頂附近和偏下游的部位就是崩岸強(qiáng)度最大的部位。

一般來說，當(dāng)河彎半徑越小、曲率越大，橫向環(huán)流越強(qiáng)烈，崩岸強(qiáng)度也越大。因此，如果從全局上對彎道半徑和曲率進(jìn)行調(diào)整，減小橫向環(huán)流強(qiáng)度，則可以切實(shí)減小崩岸范圍和強(qiáng)度。最合理的方法是設(shè)置合理的彎道河寬，減少水流的橫比降。加拿大學(xué)者Nanson和Hickin通過研究大量蜿蜒河段的遷移率發(fā)現(xiàn)，當(dāng)曲率半徑r與河寬w的比值小于6時,河岸沖刷率會隨著r/w的降低而增加，當(dāng)r/w=2～3時,達(dá)到最大值[2]。美國學(xué)者Biedenharn等人研究了路易斯安那州雷德河(Red River)上160個彎曲段的r/w與河岸泥沙組成對沖刷率的影響，同樣發(fā)現(xiàn)最大沖刷率發(fā)生在r/w=2～3[3]。國內(nèi)劉萬利等人也發(fā)表過相關(guān)研究成果，如長江中游戴家洲河段崩岸治理河道合理曲率半徑的研究成果[4]。因此，在彎道崩岸治理的平面布局中，首先應(yīng)考慮的問題是如何設(shè)置合理河寬和曲率半徑，從而在源頭上最大程度地減小崩岸范圍和崩岸強(qiáng)度。

2.2.2 合理確定防護(hù)范圍

胡秀艷等人介紹了長江江都嘶馬段崩岸的產(chǎn)生和發(fā)展過程[5]：1954年長江嘶馬段的頂沖點(diǎn)位置在三江營一帶，20世紀(jì)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(dá)新橋港附近。而今，彎道頂沖點(diǎn)在楊灣港附近，這說明嘶馬彎道頂沖點(diǎn)呈隨時間不斷下移的趨勢，也從側(cè)面說明了崩岸防護(hù)范圍需要有提前量，只有合理確定防護(hù)范圍，才能防止治理措施落后于崩岸的情況發(fā)生。

2.2.3 合理進(jìn)行工程布置

合理的工程布置對崩岸治理相當(dāng)重要，文獻(xiàn)[6]介紹了一個失敗的工程平面布置實(shí)例，從反面論證了這一觀點(diǎn)。1852年上荊江河段南五洲對岸修建了郝穴磯頭，從此成為荊江大堤重要的護(hù)岸工程；2005年周天河段航道整治控導(dǎo)工程實(shí)施時，南五洲對岸修建了潛壩群和護(hù)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(cè)開挖一條長度近600 m，寬度為100 m的預(yù)備航槽。事實(shí)表明，無論從防洪還是航運(yùn)的角度來看，在南五洲采用丁壩或磯頭護(hù)腳，違背了河道整治中左右岸兼顧的原則，對荊江大堤和周天河段航道造成了不利影響。

3 設(shè)計(jì)新思路

一是目前崩岸治理方案設(shè)計(jì)中存在兩個突出的問題： 基本不分析擬治理崩岸的類型； 二是將崩岸治理僅作為獨(dú)立的護(hù)岸工程進(jìn)行設(shè)計(jì)。前者導(dǎo)致治理措施的針對性不強(qiáng)或者失效，后者導(dǎo)致治理措施抓不住重點(diǎn)或顧此失彼。解決了這兩個問題，崩岸治理方案設(shè)計(jì)才是合理的。因此，目前的崩岸治理方案設(shè)計(jì)需要新思路。

3.1 崩岸類型的確定

目前對崩岸類型尚無定論。王延貴等將崩岸類型劃分為滑崩、挫崩、落崩、窩崩和洗崩5種[7-8]。張幸農(nóng)等將崩岸類型劃分為侵蝕型、坍塌型、滑移型和流滑型4種[9-10]。根據(jù)長江中下游河段大量的崩岸實(shí)例，張幸農(nóng)等進(jìn)一步提出規(guī)模較大、出現(xiàn)幾率最高的是坍塌型崩岸和流滑型崩岸兩種漸進(jìn)式崩岸，其中坍塌型崩岸為高大陡坡中由滲流引起的土體崩塌破壞，流滑型崩岸則是水流沖刷過程中引起的土體滑落破壞[11]。

根據(jù)上述學(xué)者的研究，從崩岸對岸坡破壞程度來看，可以形象地歸納為以下3種：①只是劃破點(diǎn)皮，不傷筋不動骨型，如洗崩或侵蝕型崩岸；②傷筋不動骨型，如坍塌型崩岸(包括條崩、挫崩、落崩)，重在“崩”；③既傷筋又動骨型，如流滑型崩岸(包括滑崩、窩崩)，重在“滑”。第一種崩岸的典型特征是僅岸坡表層土受到侵蝕并出現(xiàn)剝落，這個作用普遍且長期存在，是所有崩岸現(xiàn)象的最初模式，其他兩種破壞型式均來源于此，且為第一種崩岸類型的最終表現(xiàn)形式；第二種崩岸的典型特征是崩塌土體垂直位移遠(yuǎn)大于水平推移，崩塌面粗糙且為平面，破壞進(jìn)深遠(yuǎn)小于破壞長度，呈條狀；第三種崩岸的典型特征是崩塌土體水平位移大于垂直位移，滑動面光滑且為曲面，破壞進(jìn)深遠(yuǎn)大于破壞長度，呈圈椅狀。從崩岸產(chǎn)生的嚴(yán)重程度和破壞表現(xiàn)特征來看，將長江中下游崩岸歸納為坍塌型崩岸和流滑型崩岸是合理的。

值得指出的是，上述兩種崩岸類型是基于崩岸發(fā)生后的表現(xiàn)特征來區(qū)分的。對于具體工程岸坡來說，如何在岸坡發(fā)生崩岸前對崩岸類型進(jìn)行預(yù)判更為關(guān)鍵，因?yàn)檎_預(yù)測坍塌型崩岸和流滑型崩岸是準(zhǔn)確確定規(guī)劃設(shè)計(jì)治理措施的前提，需要綜合考慮滲流力學(xué)、土力學(xué)、河流動力學(xué)等相關(guān)學(xué)科，并結(jié)合理論研究、室內(nèi)模型試驗(yàn)、數(shù)值分析、現(xiàn)場監(jiān)測等多種技術(shù)手段進(jìn)行。

預(yù)測崩岸產(chǎn)生的類型，從組成岸坡的巖土結(jié)構(gòu)來看，大致有以下判別準(zhǔn)則：①一般來說，對于單一黏性土層較厚的河岸，因其抗沖性較強(qiáng)，崩岸發(fā)生前其坡度可能較陡，崩塌滑動面較深，容易發(fā)生深層滑動，且土體與土體之間存在臺階形的交錯面，橫斷面形態(tài)呈臺階狀，平面形態(tài)呈圈椅形，容易產(chǎn)生尺度不一的窩崩，即產(chǎn)生流滑型崩岸；如果河床以上岸坡巖性均為砂性土，亦產(chǎn)生流滑。②由于長江中下游岸坡巖性為典型的二元結(jié)構(gòu)，下部為砂性土，上部覆蓋層為黏性土。如果上部黏性土比下部砂性土厚，易產(chǎn)生窩崩，即流滑型崩岸；如果下部砂性土頂板較高，上部覆蓋黏性土較薄，由于砂性土抗沖性弱，當(dāng)岸坡下部易受水流沖刷而使上層土體失去支撐而發(fā)生坍落或倒入水中，崩坍體呈條形，崩塌的寬度窄，產(chǎn)生條崩，即發(fā)生坍塌型崩岸。

3.2 崩岸分析方法

王延貴等指出，流滑型崩岸一般發(fā)生于土質(zhì)均勻和松散的岸灘，其崩塌過程較長，崩塌破壞面一般為曲面，可采用土力學(xué)中的條分法進(jìn)行分析[12]；坍塌型崩岸主要發(fā)生在具有縱向裂隙的黏性岸灘，其崩塌過程較簡單而短暫，崩塌破壞面為平面，可采用崩體力學(xué)平衡分析法；在黏性岸灘的岸腳遭受水流淘刷，上部塊體處于臨空狀態(tài)下發(fā)生落崩，崩塌破壞面為平面，其崩塌過程簡單而短暫，分為剪切、旋轉(zhuǎn)(倒崩)和拉伸3種落崩模式，仍可按崩體力學(xué)平衡法進(jìn)行分析；對于特定的河岸邊界條件，當(dāng)受到水流的劇烈淘刷或土體失去承載能力時，河岸可能發(fā)生窩崩，其崩塌過程連續(xù)復(fù)雜，可分為淘刷窩崩和液化窩崩，可按崩體力學(xué)平衡法進(jìn)行分析。根據(jù)上述分析，對于坍塌型崩岸，可采用崩體力學(xué)平衡法進(jìn)行分析；對于流滑型崩岸，可采用土力學(xué)中的條分法進(jìn)行分析。

需要指出的是，長江中下游河岸大部分由疏松沉積物組成，具有二元結(jié)構(gòu)，上層為河漫灘相的粘土，下層為河床相的中細(xì)沙。兩者起動流速差別很大，在水深10 m時，中細(xì)沙起動流速約為0.55 m/s，粘土約為5.6 m/s，在水流作用下，上層粘土很難起動，而下層砂土容易達(dá)到起動狀態(tài)并隨水流發(fā)生輸移，這也從另一方面證明了河岸崩塌主要由下部砂土層沖刷所致，在進(jìn)行崩岸分析時應(yīng)予以重視。

3.3 兩類崩岸治理的原則措施

對于兩種類型的崩岸，從力學(xué)行為來看，坍塌型崩岸屬于牽引式、被動式崩岸；而流滑型崩岸屬于推移式、主動式崩岸。前者主要因?yàn)榘镀碌撞勘惶钥?，基礎(chǔ)不牢導(dǎo)致，因此其防護(hù)重點(diǎn)是坡腳；后者盡管也有基礎(chǔ)不牢的原因，但主要是由于厚度較大的黏性土內(nèi)部在高水位時土體浸泡飽和，在外江水位迅速下降過程中，由于黏性土滲透系數(shù)小，水來不及從土體內(nèi)部及時排出，造成土體自重增加；加之水位下降，原來高水位時能夠?qū)Π镀率┘拥耐馑畨毫ο?，造成岸坡發(fā)生不排水剪切破壞，產(chǎn)生崩岸，因此其治理措施的重點(diǎn)與坍塌型不同，側(cè)重點(diǎn)在于排水[13]。

一般來說，整治措施以設(shè)計(jì)枯水位為界分為護(hù)坡和固腳兩個方面，即設(shè)計(jì)枯水位以上實(shí)施水上護(hù)坡工程，設(shè)計(jì)枯水位以下實(shí)施水下護(hù)腳工程。對崩岸整治，一般以水下護(hù)腳為主，水上護(hù)坡為輔。特別是發(fā)生在汛前的崩岸應(yīng)急除險(xiǎn)工程，首先進(jìn)行的是固腳。

要保證河岸的穩(wěn)定(或者對崩岸進(jìn)行治理)，從土工方面來說(河勢問題在此暫不討論)，需要注意以下3點(diǎn)：①岸坡本身是穩(wěn)定的，即首先要站得住，邊坡要穩(wěn)得住。有些河岸太陡，本身不穩(wěn)定(如崩岸發(fā)生后，岸坡已處于極限平衡狀態(tài)，這時若不管崩岸情況盲目在上拋石，可能會促使其進(jìn)一步崩塌)；或呈臨界狀態(tài)，易發(fā)生崩塌。②要防止崩岸，應(yīng)當(dāng)保證岸坡坡腳的土不被淘走，否則，再強(qiáng)的護(hù)坡也不可能達(dá)到岸坡穩(wěn)定的目的，因此基礎(chǔ)要扎實(shí)，坡腳要抗淘。③要用能抵抗水流直接沖擊的材料和防護(hù)結(jié)構(gòu)來保護(hù)岸坡，這種護(hù)岸材料和結(jié)構(gòu)應(yīng)有一定的重量和體積，能起鎮(zhèn)壓作用；有一定柔性，能適應(yīng)變形等。

4 新材料應(yīng)用

4.1 土工合成材料

目前在護(hù)岸工程的設(shè)計(jì)中，拋石護(hù)岸有一定作用，但并非適用于所有情況。在粉細(xì)砂河床中，由于拋石之間空隙較大，水流易把起動流速較小的細(xì)砂或粉砂帶走，從而使塊石沉入到砂土中，不能起到保護(hù)岸坡或河底的作用。如果在塊石下先填一層大面積土工合成材料軟體排或大型土工包，再在上面拋石，效果可能更好，因?yàn)檫@樣能較好地保護(hù)下臥的河底砂層。軟體沉排作為一種實(shí)用、有效的護(hù)腳措施，隨著土工合成材料新產(chǎn)品的不斷涌現(xiàn)，質(zhì)量不斷提高，價(jià)格逐步下降，具有很好的適用性。沉排護(hù)腳有兩類：①有壓載的，如軟體排拋石壓重，需先完成鋪排再在排上進(jìn)行定位定量拋石；②無壓載的，如充砂模袋軟體排、模袋混凝土排或模袋固化砂漿排等。

長江崩岸治理是否要長期依賴于拋石，是否能夠采用更加先進(jìn)合理的技術(shù)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)拋石，從措施的有效性、生態(tài)環(huán)境保護(hù)以及避免進(jìn)一步抬高河床造成懸河等角度來看，是值得持續(xù)研究的重大課題之一。

4.2 防沖格賓(石籠)

對于水流作用下的岸坡土體沖刷問題，防沖格賓(石籠)被廣泛應(yīng)用。由于鋼絲網(wǎng)石籠較之早年已經(jīng)應(yīng)用的鐵絲籠更大、更柔、更適合河床底部形態(tài), 更易相互咬合成一整體, 因而具有較高的抗沖性，適合用在河勢變化較大且水流頂沖強(qiáng)烈的岸段。根據(jù)裝石量及河床沖刷變形特點(diǎn)，鋼絲網(wǎng)籠應(yīng)滿足以下要求: ①有足夠的抗拉強(qiáng)度，能自由起吊，沉放；②網(wǎng)孔不能松動，以防塊石滑出；③網(wǎng)籠應(yīng)有全方位的柔性，以適應(yīng)河床變形及網(wǎng)籠間的相互咬合；④網(wǎng)籠應(yīng)具有良好的抗腐蝕性等。

5 結(jié) 語

本文針對崩岸治理設(shè)計(jì)提出5條原則：①見微知著，發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情應(yīng)及時；②防微杜漸，處理措施應(yīng)提前；③上下左右，平面布局要統(tǒng)籌；④創(chuàng)新思維，整治方案應(yīng)有效；⑤持之以恒，事后監(jiān)測常態(tài)化。

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(編輯：唐湘茜)

2017-09-15

彭良泉，男，長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司江河整治公司，高級工程師.

1006-0081(2017)11-0056-04

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