河道堤防沖刷隱患評(píng)價(jià)體系研究以寧波市奉化江河段為例

郭巨海，張舒羽，2，程文龍，唐子文

（1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院，浙江 杭州 311231）

1 問題的提出

沿江堤防工程是城市防洪工程體系的重要組成部分，然而部分堤防由于河段地質(zhì)條件較差、河流動(dòng)力較強(qiáng)，在季節(jié)性洪水過程作用下，容易出現(xiàn)堤腳淘刷、堤身失穩(wěn)等堤防安全問題。張翼等[1]和王延貴等[2]對(duì)彎曲河道河岸淘刷、崩退機(jī)理進(jìn)行探討，指出彎道進(jìn)口處的凸岸、彎道及其出口處的凹岸都屬于高剪切力區(qū)，河岸淘刷嚴(yán)重，其中凹岸岸腳處的剪切力最大、淘刷最嚴(yán)重。張芳枝等[3]分析河流沖刷作用對(duì)堤岸滲流和變形的影響，提出滲透流速的最大值出現(xiàn)在堤腳，沖刷作用使堤岸的滲透流速有所提高，并使堤岸坡腳沿外江方向的水平位移明顯增加，越靠近坡腳，外江方向水平位移增加的幅度越大。

近年來隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的快速推進(jìn)，城市防洪堤建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不斷提高、建設(shè)長度不斷增加，由于堤防工程沿程不同河段河勢(shì)特征、地質(zhì)條件、人類活動(dòng)等影響因素存在差異，開展沿江堤防安全綜合評(píng)價(jià)意義重大。國內(nèi)已有不少專家學(xué)者對(duì)河道堤防安全評(píng)估開展相關(guān)研究，汪自力等[4]從堤防工程安全評(píng)價(jià)的含義、影響堤防工程安全的主要因素等方面對(duì)堤防工程安全評(píng)估方法進(jìn)行系統(tǒng)的探討，李青云等[5-6]結(jié)合長江中下游堤防的特點(diǎn)和破壞機(jī)理，初步建立長江中下游堤防安全評(píng)價(jià)的理論框架，提出堤防安全評(píng)價(jià)的流程與方法。介玉新等[7]將層次分析法應(yīng)用于堤防的安全評(píng)價(jià)中，較為全面地考慮影響堤防安全的主要因素，反映堤防的綜合安全狀況。康業(yè)淵等[8]應(yīng)用層次分析法、遺傳算法以及集值統(tǒng)計(jì)法，構(gòu)建堤防安全綜合評(píng)價(jià)模型。雷鵬等[9]針對(duì)堤防不同的破壞模式應(yīng)用模糊理論對(duì)堤防安全進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。蔡新等[10]利用灰色理論構(gòu)建堤防安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系?，F(xiàn)階段堤防安全評(píng)價(jià)能較為準(zhǔn)確全面地評(píng)價(jià)堤身安全，其參數(shù)多基于堤身結(jié)構(gòu)、堤基特性等，影響因子較多，因此對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的要求相對(duì)比較高。這些方法在影響因子數(shù)據(jù)不易獲取或堤防較長而導(dǎo)致參數(shù)調(diào)查工作量大時(shí)，應(yīng)用受到一定的限制。

本文從河流動(dòng)力學(xué)角度篩選容易獲取數(shù)據(jù)的隱患評(píng)價(jià)因子，并應(yīng)用層次分析法，構(gòu)建堤防沖刷隱患點(diǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，結(jié)合二維水流數(shù)學(xué)模型，對(duì)堤防進(jìn)行沖刷隱患位置初步排查，為汛前重點(diǎn)河段排查、布防提供科學(xué)決策的參考依據(jù)。本文以寧波市奉化江為例，分析評(píng)價(jià)2016年奉化江江道沖刷隱患點(diǎn)分布，排查結(jié)果與實(shí)地踏勘結(jié)果吻合良好。研究成果可作為潮汐河口堤防隱患初步排查的輔助手段，從一定程度上減少人工隱患巡查的時(shí)間成本和經(jīng)濟(jì)成本，為管理部門篩查堤防沖刷隱患提供技術(shù)支撐。

2 奉化江概況

寧波市奉化江自方橋三江口以下至甬江三江口全長約26.4 km，多年平均徑流量為16.4億m3，河道上寬下窄，最寬處220 m，最窄處僅93 m[11]。河段內(nèi)河道比降小，河勢(shì)蜿蜒曲折，河灣分布密集（見圖1）。2016年前僅寧波市區(qū)及周邊段內(nèi)建設(shè)有防洪堤防，上游河段內(nèi)多為自然岸線，洪水期河道漫灘，局部邊坡失穩(wěn)時(shí)有發(fā)生。近2 a來，奉化江干流兩岸逐步建成20 ～ 100 a一遇標(biāo)準(zhǔn)的防洪堤，其中寧波三江口至鄞州大橋?yàn)?00 a一遇，鄞州大橋至繞城高速為50 a一遇，繞城高速至方橋三江口為20 a一遇，到2017年干流防洪堤全線封閉。洪水期水流歸槽，沿線防洪能力顯著提升。然而由于該河段26.4 km范圍內(nèi)分布有近20處河灣，部分彎道曲率半徑較小，洪水期沖刷風(fēng)險(xiǎn)較高。

圖1 奉化江（方橋三江口—甬江三江口）河段示意圖

3 河道沖刷隱患評(píng)價(jià)體系

本文采用層次分析法（AHP）構(gòu)建河道沖刷隱患評(píng)價(jià)體系，基本思路:首先篩選能夠反映隱患點(diǎn)特征的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其次由于篩選不同指標(biāo)量綱、單位存在一定差異，需要對(duì)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，便于后期綜合分析評(píng)價(jià)，標(biāo)準(zhǔn)化之后依照專家意見確定各指標(biāo)在綜合指標(biāo)中所占權(quán)重，最后結(jié)合綜合評(píng)價(jià)公式對(duì)各斷面進(jìn)行隱患點(diǎn)排查。

考慮到江道堤防沖刷隱患評(píng)價(jià)涉及影響因素較多[12]，本文從河流動(dòng)力角度出發(fā)，選取河道深泓線距堤防距離、河道斷面最深點(diǎn)高程、近岸流速、彎道水面橫比降、近岸沖刷幅度作為指標(biāo)參數(shù)，并給出不同指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化過程。

河道深泓線距堤防距離:若深泓線離堤防越近，沖淤對(duì)堤防的影響越大，增大堤腳沖刷的風(fēng)險(xiǎn)；反之，若深泓線離堤防越遠(yuǎn)，沖淤對(duì)堤防影響相對(duì)較小。結(jié)合三江河道深泓線特點(diǎn)，以深泓線離堤防距離占斷面河寬百分比作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)分見表1。其中標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)分越高表明該位置深泓線離岸越近，越有可能存在隱患，評(píng)分最大值為1.0，最小值為0.0。

表1 河道深泓線距堤防距離標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)分表

河道斷面最深點(diǎn)高程:若河道最深點(diǎn)高程越低，則越不利于堤防穩(wěn)定；若河道最深點(diǎn)高程較高，則對(duì)堤防穩(wěn)定性影響越小。結(jié)合三江河道最深點(diǎn)高程特點(diǎn)，以斷面最深點(diǎn)高程作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)分見表2。其中標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)分越高表明該位置最深點(diǎn)高程越低，越有可能存在隱患，評(píng)分最大值為1.0，最小值為0.0。

表2 河道斷面最深點(diǎn)高程標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)分表

近岸流速:若河道內(nèi)近岸流速較大，則越易發(fā)生堤腳沖刷，產(chǎn)生堤防失穩(wěn)破壞；相反，若近岸流速越小，堤腳沖刷相對(duì)較小，結(jié)構(gòu)亦較安全。本研究中采用現(xiàn)狀堤線1%頻率洪峰流量下最大近岸（0 ～ 40 m范圍內(nèi)）流速作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算時(shí)分別取各河段內(nèi)最大、最小流速作為極值，各斷面近岸流速通過公式（1）計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)值。其中標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)分越高表明該位置流速越大，越有可能存在隱患，評(píng)分最大值為1.0，最小值為0.0。

式中:A為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值；U為各斷面近岸流速（m3/s）；Umax、Umin分別為各河段內(nèi)近岸流速最大值、最小值（m3/s）。

彎道水面橫比降。在河道彎道處由于水流過彎時(shí)的離心作用，凹岸側(cè)水流往往會(huì)有一定程度的抬升，在大流量洪水過程中，由于流速增加顯著，水面抬升也相對(duì)較大。河道內(nèi)水位抬高越大，彎道環(huán)流作用越強(qiáng)，水流對(duì)堤岸的淘刷也越明顯。本文中采用現(xiàn)狀堤線1%頻率洪峰流量下彎道水面橫比降作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算時(shí)分別取河段內(nèi)最大、最小水面橫比降作為極值，各斷面橫比降通過公式（1）的計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)值。其中標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)分越高表明該位置彎道水面橫比降越大，越有可能存在隱患，評(píng)分最大值為1.0，最小值為0.0。

近岸沖刷幅度。洪水期堤防近岸沖刷幅度能夠較直接地反映堤防受洪水影響程度，本研究通過二維數(shù)學(xué)模型計(jì)算近岸水流流速以及水深，再依據(jù)GB 50286 — 2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算沖刷深度，如公式（2）～（3）所示作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，公式（2）為護(hù)岸沖刷深度公式，公式（3）為張瑞瑾公式。結(jié)合三江河道特點(diǎn)，評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)分見表3。其中標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)分越高表明該位置近岸沖刷幅度越大，越有可能存在隱患，評(píng)分最大值為1.0，最小值為0.0。

式中:hs為沖刷深度（m）；H0為沖刷處水深（m）；Ucp為近岸垂線平均流速（m/s）；n為與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān)的系數(shù)，n = 0.16 ～ 0.25；Uc為泥沙起動(dòng)流速（m/s）；d50為床沙中值粒徑（m）；γs、γ為泥沙與水的容重（kN/m3）。

表3 河道近岸沖刷深度標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)分表

在計(jì)算綜合系數(shù)時(shí)，各因素對(duì)隱患點(diǎn)評(píng)價(jià)的貢獻(xiàn)不同，因此需要確定相關(guān)指標(biāo)所占的權(quán)重值。因素權(quán)重確定采用主觀賦權(quán)法，主要依據(jù)專家對(duì)研究對(duì)象的經(jīng)驗(yàn)，確定奉化江河段各指標(biāo)權(quán)重值（見表4）。

表4 河道隱患點(diǎn)評(píng)價(jià)系數(shù)權(quán)重表

河道隱患點(diǎn)評(píng)價(jià)系數(shù)綜合評(píng)價(jià)模型為:

式中:f(S)為河道隱患點(diǎn)評(píng)價(jià)系數(shù)；ωi為隸屬于評(píng)價(jià)系數(shù)的第i個(gè)指標(biāo)的綜合權(quán)重值，0.0≤ωi≤1.0，且Σωi= 1.0；Xi為隸屬于評(píng)價(jià)系數(shù)的第i個(gè)指標(biāo)的經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化過程的指標(biāo)值。

將綜合評(píng)價(jià)分值＞0.5的作為重點(diǎn)排查河段，綜合評(píng)價(jià)分值越高，沖刷隱患風(fēng)險(xiǎn)越大。

4 奉化江河段河道隱患評(píng)價(jià)

基于上述評(píng)價(jià)方式，本文結(jié)合實(shí)測(cè)水文、水下地形資料及二維數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果對(duì)2016年奉化江河道沖刷隱患進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，部分特征斷面綜合評(píng)分見表5?；谏鲜鼍C合評(píng)價(jià)系數(shù)計(jì)算結(jié)果，可以得出彎道河道凹岸位置普遍評(píng)分較高，存在洪水期沖刷隱患，奉化江河段高隱患區(qū)域分布見圖2。通過分析可知，奉化江自方橋三江口至甬江三江口河段內(nèi)多數(shù)隱患點(diǎn)集中于上游急彎段凹岸位置，如36# ～ 38# 彎道斷面、33# ～ 34# 彎道斷面、17# ～ 18# 彎道斷面，以上幾處斷面位置深泓離凹岸較近，洪水期彎道流速較大，綜合評(píng)分相對(duì)較高，存在沖刷隱患。銅盆閘以下段隱患點(diǎn)位于3#、8#彎道凹岸位置。此外，甬江三江口附近由于河道較窄，洪水期流速較大，易產(chǎn)生堤腳沖刷，綜合評(píng)分相對(duì)較高，亦存在沖刷隱患，奉化江河段隱患段總長度約11.8 km。

結(jié)合實(shí)地踏勘，評(píng)分較高處河道堤防確有存在一定堤腳淘刷及護(hù)岸損壞等險(xiǎn)情，表明應(yīng)用河道隱患綜合評(píng)價(jià)能夠較好的對(duì)河道險(xiǎn)工險(xiǎn)段進(jìn)行初步排查，為堤防管理部門提供一定技術(shù)支持與決策依據(jù)。

圖2 奉化江段（方橋三江口—甬江三江口）沖刷隱患分布示意圖

5 結(jié) 語

本文基于層次分析法，從河流動(dòng)力學(xué)角度，構(gòu)建河道沖刷隱患評(píng)價(jià)體系，選取河道深泓線距堤防距離、河道斷面最深點(diǎn)高程、近岸流速、彎道水面橫比降、近岸沖刷幅度作為指標(biāo)參數(shù)，并給出不同指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化過程，進(jìn)而提出河道沖刷隱患綜合評(píng)價(jià)方法。以奉化江（方橋三江口 — 甬江三江口）河段為例，利用河道沖刷隱患評(píng)價(jià)體系進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，分析表明該河段隱患點(diǎn)主要集中于上游橫漲、銅盆閘等急彎段凹岸及甬江三江口附近河道較窄處，評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)地踏勘結(jié)果吻合良好。