基于父子型窩塘地形變化探討窩崩機理

應(yīng) 強，張幸農(nóng)，羅龍洪，蘇長城，假冬冬

(1. 南京水利科學(xué)研究院 港口航道泥沙工程交通部重點實驗室，江蘇 南京 210029；2. 江蘇省水利工程規(guī)劃辦公室，江蘇 南京 210029)

長江下游河岸（灘）土質(zhì)屬二元結(jié)構(gòu)，受水流沖刷后容易發(fā)生崩岸，崩岸有多種型式，其中危害最大的是窩崩。窩崩具有突發(fā)性，而且土體崩塌發(fā)展速度快、范圍大，通常1～2 d內(nèi)就會形成橫寬、縱深達數(shù)十甚至數(shù)百米的巨大窩塘，崩塌土體可達上百萬立方米，對防洪、河勢和地方經(jīng)濟社會發(fā)展的危害極大[1-3]。窩崩涉及水與土的交互作用，成因機理十分復(fù)雜，與河勢條件、來水條件、河岸邊界及其土質(zhì)組成等多種因素相關(guān)，險情規(guī)律難以掌握。目前關(guān)于長江中下游窩崩成因機理的專題研究不多，認(rèn)識也不統(tǒng)一，主要存在以下3種觀點。一是深泓逼岸形成崩塌[1-3]：認(rèn)為單寬流量大、夾有粉質(zhì)或砂質(zhì)壤土層的土質(zhì)條件抗沖性差、河岸存在不連續(xù)抗沖條件是形成窩崩的主要因素；二是土體液化觀點[4-6]：認(rèn)為長江河岸由可液化的土體組成是主要因素，窩崩主要由土體液化引起；三是窩塘內(nèi)次生流引起大規(guī)模崩塌[7]：認(rèn)為窩崩的發(fā)生都是從較深部位的某一部分開始楔入，局部形成尺度較大、高速旋轉(zhuǎn)的渦流是窩崩迅速發(fā)展的主要動力。張幸農(nóng)等[8-10]還進行了窩崩的試驗研究。以上觀點均從某一角度解釋了窩崩形成機理，但對某些現(xiàn)象不能做出合理解釋。如第1和第3種觀點不能解釋窩崩發(fā)生時大輸沙量的現(xiàn)象；第2種觀點不能給出沙體液化的原因。

父子型窩崩，是指在河岸（灘）上較早前已發(fā)生窩崩（父窩崩）形成的窩塘（父窩塘）內(nèi)，再一次發(fā)生窩崩（子窩崩），并形成與父窩塘相連的新的窩塘（子窩塘）。父窩塘具有較為完整的地形實測資料。本文基于子窩崩發(fā)生前后父窩塘內(nèi)地形的變化分析，探討子窩崩發(fā)生的條件，檢驗現(xiàn)有窩崩機理的觀點是否合適，為以后研究提供參考。

1 父子型窩崩概況

選取位于長江鎮(zhèn)揚河段和暢洲北汊進口段的父子型窩崩，父窩塘形成于20世紀(jì)80年代初。2012年10月13日12：10至14日6：00，長江鎮(zhèn)揚河段和暢洲北汊父窩塘內(nèi)發(fā)生劇烈崩岸，在父窩塘后腰部位崩塌形成1個子窩塘，子窩塘口門寬約360 m，伸入灘面縱深達430 m，窩崩的現(xiàn)場照片及父子窩塘示意圖分別見圖1和圖2。本次窩崩中，直接坍?dāng)嘟纳鷳B(tài)農(nóng)業(yè)園區(qū)主洲堤長度約370 m，坍失灘地面積約21萬m2，民房坍失7戶28間約600 m2，共坍塌土方359×104m3。

圖 1 窩崩發(fā)生現(xiàn)場照片F(xiàn)ig. 1 Photographs of the scene of the collapse

圖 2 父子窩塘示意Fig. 2 Diagram of father’s and son’s scour pools

以實際發(fā)生的窩崩時間、坍塌量及口門寬度，按崩塌土體的密度1 600 kg/m3計算，得出口門斷面單寬輸沙量約為250 kg/（s·m）。本文所采用的地形圖（比例尺為1∶2 000）和照片均由鎮(zhèn)江市工程勘測設(shè)計研究院提供[11]。

2 子窩崩發(fā)生前地形的變化

為方便起見，將父窩塘附近的地形分為3個部分：口外深槽區(qū)域、窩塘上部區(qū)域和窩塘下部區(qū)域（見圖 2）。

2.1 窩崩前深槽區(qū)域地形

比較 2008年 3月、2010年 11月和 2012年2月的深槽區(qū)域地形（圖3）可見：3個年份的最大深槽等高線為?60，?55和?45 m，表明 2008—2012這4年間，深槽區(qū)域有大于15 m的淤積，2008年深槽最大處淤積較多，而近潛壩淤積較小，最深點上移。說明窩崩前深槽區(qū)域地形呈淤積狀態(tài)。

圖 3 子窩崩發(fā)前口外深槽淤積（單位: m）Fig. 3 Deposition of deep trough outside the mouth before son’s pit collapse (unit: m)

2.2 窩崩前父窩塘上部區(qū)域地形

與深槽區(qū)域地形淤積相關(guān)，父窩塘上部腰區(qū)域靠近深槽的部分也出現(xiàn)淤積，2008年3月至2010年11月間，深槽淤積尚未影響到此區(qū)域，?45和?40 m等高線變化不大，而在2010年11月至2012年2月間，此區(qū)域淤積較大，原?45和?40 m都淤積到?40和?35 m之間，淤積了5 m多（圖4）。變化較為復(fù)雜的是?35 ～ ?15 m之間的區(qū)域，此區(qū)域內(nèi)的變化主要是沿父窩崩形成的弧形沖刷槽進行。2008年3月至2010年11月，區(qū)域內(nèi)地形主要呈沖刷狀態(tài)，?35 m等高線向內(nèi)（方向遠(yuǎn)離長江深槽，下同）移了31.2 m，?30 m的向內(nèi)移了34.3 m，?25 m等高線移動最大，向內(nèi)移了58.5 m。2010年11月與2012年2月間，區(qū)域內(nèi)地形主要呈淤積狀態(tài)，?35 m等高線向后回淤后退了22.5 m，?30 m回淤后退了24.3 m，?25 m等高線后退了31.9 m。說明窩崩前父窩塘上部區(qū)域地形呈先沖后淤狀態(tài)。

圖 4 父窩塘上部區(qū)域不同年份地形變化（單位: m）Fig. 4 Topographic changes in the upper part of father’s scour pools in different years (unit: m)

2.3 窩崩前父窩塘下部區(qū)域地形

窩塘下部區(qū)域不同年份地形如圖5所示，與窩塘上部靠近深槽的部分變化相似，2008年3月至2010年11月間，?45和?40 m等高線變化不大，而在2010年11月—2012年2月間，此區(qū)域淤積較大，原?45和?40 m 等高線消失，?35，?30和?25 m 等高線則與2008和2010年的變化不大。變化較為復(fù)雜的是?20 ～ ?10 m的區(qū)域。在2008年3月的地形圖上，?20，?15和?10 m是沿窩塘的深槽線向下游延伸的，而在2010年11月的地形圖上，形成了一個?20和?15 m所圍成的深坑，2012年2月的地形圖上，這個深坑變化不大。說明窩崩前父窩塘下部區(qū)域地形呈先沖后穩(wěn)狀態(tài)。

圖 5 父窩塘下部區(qū)域不同年份地形變化（單位: m）Fig. 5 Topographic changes in the lower part of father’s scour pools in different years (unit: m)

3 子窩崩發(fā)生前后地形對比

選取子窩崩發(fā)生前后最近的兩次地形，2012年2月和2012年12月的測量地形，兩者的地形圖比較見圖2。兩者最大差別是在父窩塘上灣腰形成了1個口門寬度約360 m，伸入灘面縱深達430 m，容積有359×104m3的子窩塘。

窩崩前后深槽地形比較：窩崩后的深槽較2012年2月進一步淤積，?45 m等高線范圍更小，?40 m等高線只有靠近潛壩處還存在，下游均已消失，?35與?30 m范圍也較2月份的有較大縮?。▓D3）。

父窩塘上部區(qū)域以?25 m等深線為界，?25 m等深線以下地形為淤積，?25 m以上受窩崩影響，地形發(fā)生了較大變化。原?25～0 m之間地形均沖深到?25～?20 m。在子窩塘口門處，高程大多在?22～?23 m（圖 4）。

父窩塘下部區(qū)域窩崩前后地形變化較大的只是在子窩塘口門附近，受子窩塘崩塌影響而變化，其他地方則變化很少。在2010年形成的?20和?15 m所圍成的深坑的大小與位置子窩崩前后沒有發(fā)生較大變化，其他等高線位置也無較大變化（圖5）。

4 發(fā)生子窩崩的原因分析

4.1 較淺槽內(nèi)一個水文年內(nèi)的河床沖刷可引發(fā)窩崩

上述深槽比較可知，2008年以后，父窩塘前沿的長江深槽處于淤積狀態(tài)，深槽等高線由2008年的?60 m，淤積到2012年的?45 m，由江邊深槽誘發(fā)的子窩崩可能性不大。

由2.2節(jié)可知：父窩塘上部區(qū)域內(nèi)的變化主要沿窩崩形成的弧形沖刷槽進行。2008年3月至2010年11月，區(qū)域內(nèi)地形主要呈沖刷狀態(tài)，2010年11月至2012年2月間，區(qū)域內(nèi)地形主要呈淤積狀態(tài)，在2012年的測圖上，此區(qū)域內(nèi)最深點位于與大江相聯(lián)的位置，高程約-36 m。按常識推斷，淤積地形上不可能產(chǎn)生窩崩。

2012年2月至2012年10月，父窩塘上部區(qū)域內(nèi)的地形應(yīng)發(fā)生沖刷，但缺少相應(yīng)的地形測量資料給予支撐。從2012年水文資料分析，此區(qū)域發(fā)生沖刷的可能性很大。2008—2012年水文特征值見表1，比較長江來水量與父窩塘上部區(qū)域沖淤的關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)：2010年來水量較大，大于45 000 m3/s的有92 d，而2010年11月測圖父窩塘上部區(qū)域顯示為沖刷；而在2011年，流量又較小，大于45 000 m3/s的僅有6 d，但2012年2月測圖父窩塘上部區(qū)域顯示為淤積。初步認(rèn)為父窩塘上部地形沖淤與長江流量大小正相關(guān)。2012年長江流量較大，大于45 000 m3/s的有105 d，已超過2010年的92 d，父窩塘上部地形會發(fā)生沖刷，而且沖刷強度會較2010年更大，這可能是引發(fā)子窩崩的原因。

表 1 2008—2012 年長江基本水情統(tǒng)計Tab. 1 Basic hydrological statistics of the Yangtze River from 2008 to 2012

以上分析說明，在高程小于?40 m的河道地形中，一個水文年內(nèi)發(fā)生的地形沖刷即可引起窩崩。這與以往三江口、指南村兩處窩崩前的近?50 m的水深有較大的差別。

圖 6 窩崩前后深槽剖面比較Fig. 6 Comparison of deep trough profiles before and after pit collapse

4.2 窩崩產(chǎn)生的泥沙在近底層向較低處輸移

由圖3可見，子窩崩發(fā)生前后，父窩塘下部地形各等高線變化均很小，尤其是父窩塘下部存在的?20 m深坑內(nèi)的地形也沒有發(fā)生變化。這說明子窩崩發(fā)生時，雖然高程發(fā)生了巨大變化（從窩崩前的地面高程0 m以上一直變化到子窩崩發(fā)生后的?20 m以下），但崩塌下來的泥沙均從父窩塘的上部區(qū)域向外輸送，對父窩塘的下部區(qū)域沒有影響。窩崩前后深槽剖面的比較見圖6。

由以上情況可以推論：①子窩崩發(fā)生期間向外輸送的泥沙，沒有經(jīng)過父窩塘的下部區(qū)域，否則會產(chǎn)生較大的淤積，從而引起地形變化。②子窩崩發(fā)生期間泥沙向外輸送過程中，泥沙是在近底層向較低處輸移。圖5中父窩塘上部右側(cè)的?15 m線與下部?20 m深坑外圍的?15 m非常近，如果泥沙不在近底運動，就可能會越過此高程進入下部的?20 m深坑內(nèi)，引起?20 m深坑淤積，進而導(dǎo)致地形發(fā)生變化。

子窩塘形成后，父窩塘的上部區(qū)域地形變化較大，靠近深槽的?30～?25 m高程區(qū)域內(nèi)為子窩塘崩塌上來的泥沙淤積，水深較窩崩前變淺；靠近子窩塘的?25～?20 m高程區(qū)域，子窩崩發(fā)生前水深較淺，子窩崩發(fā)生后，水深有較大增加（圖6）。

4.3 子窩塘內(nèi)土體液化后由重力作用向窩外輸移

由前文分析可知，子窩塘口門斷面單寬輸沙量約為250 kg/（s·m）。假設(shè)沙體崩塌前后相同密度，且沙層運動速度為1 m/s，則在窩崩發(fā)生的近18 h內(nèi)，子窩塘口門斷面需以15.5 cm厚的沙層一直向外輸移，考慮斷面輸沙的不均勻性，斷面中間水深較大處的輸沙強度應(yīng)遠(yuǎn)大于平均值，這種強度的輸沙顯然不能由普通的水流輸送所能解釋。窩塘內(nèi)的水流強度小于口外深槽中的水流強度，而窩塘窩塌下來的泥沙會在口外的深槽中淤積，這也從另一角度說明了窩崩泥沙不是由普通的水流輸送完成。

為此，丁普育等[6]根據(jù)國外一些江河海岸關(guān)于土體液化的粒徑及級配資料，對比長江安徽段無為大堤窩崩發(fā)生處砂土的粒徑及級配曲線，認(rèn)為窩崩處的江岸土體都具有液化的條件。根據(jù)鎮(zhèn)江市工程勘測設(shè)計研究院地質(zhì)勘察成果[11]，窩崩附近（左汊口門）河岸表層1.5～4.0 m為淺黃色重粉質(zhì)壤土，灰色壤土夾粉砂；中層為青灰色的粉砂，厚約50 m；下層為青灰色極細(xì)砂，含少量云母。中下層的泥沙粒徑為0.05～0.25 mm；土層厚度較大處，凝聚力很小，抗沖性差，泥沙粒徑也處在容易發(fā)生液化范圍內(nèi)（0.07～0.1 5 mm）。

根據(jù)窩塘等高線資料，子窩崩發(fā)生后，子窩塘（中心）和父窩塘（上部）體內(nèi)存在一條坡度全都指向長江深槽的深溝，可以推側(cè)，子窩崩發(fā)生時的大量泥沙沿著這一深溝通過父窩塘輸入長江中。

5 結(jié) 語

通過分析長江下游和暢洲左汊洲頭進口側(cè)2012年發(fā)生的窩崩（子窩崩）原因，可以得到以下結(jié)論：（1）窩崩的發(fā)生不一定是由水流直接沖刷河道深槽所致，父窩塘內(nèi)灣腰中較淺地形上受沖刷也可能發(fā)生窩崩。（2）父窩塘內(nèi)灣腰中一個水文年內(nèi)的地形沖刷即可引起窩崩，說明窩崩較難預(yù)警。（3）子窩塘內(nèi)的土體液化后由重力作用沿深溝順坡向通過父窩塘輸入長江中，對深溝以外地形影響很小。