長江瑞昌段梁公堤段崩岸成因分析

杜小盾，劉成奕，甘建軍，邱振東

(1.瑞昌市水利局，江西 瑞昌 332200；2.南昌工程學(xué)院 鄱陽湖流域水工程安全與資源高效利用國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330099)

長江中下游瑞昌段平面形態(tài)復(fù)雜，既有河流分汊，也有山地和沖積平地，臨江面為長江右岸的凹岸，沖蝕崩岸現(xiàn)象嚴(yán)重，治理難度較大[1]。梁公堤段上起碼頭鎮(zhèn)金絲居委會，下至瑞昌市碼頭鎮(zhèn)老鼠尾碼頭，是《長江流域綜合防治規(guī)劃(2012—2030年)》及《三峽后續(xù)工作總體規(guī)劃》確定的長江中下游崩岸重點(diǎn)治理河段。梁公堤為長江江西段重點(diǎn)治理的起點(diǎn)段，需要護(hù)岸的長度為4 290 m，其中新建坡腳4 290 m，新建護(hù)坡2 350 m。

梁公堤始建于1968年3月，堤防總長度5 605 m，設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年，堤防高度最小值6 m，堤防最大高度為7 m，堤頂寬度5～7 m，堤頂高程26.5～26 m，設(shè)計水位24 m，水閘和泵站各1個。該河段經(jīng)過多年的加固整治，大部分崩岸段雖然已經(jīng)得到治理，但由于雨情水情的變化，長江中下游極端降雨和清水下泄對梁公堤的沖刷加劇，導(dǎo)致其岸坡應(yīng)力、應(yīng)變、滲流場發(fā)生時空變異，坡體內(nèi)部發(fā)生受力變形，部分老險工險段在降雨和水位變化耦合作用下出現(xiàn)了新的險情[2]。

水位漲跌、河道曲率、水流動力作用、降雨入滲和人類工程活動等內(nèi)外因素對崩岸的影響研究關(guān)系到長江大保護(hù)國家戰(zhàn)略的順利實(shí)施，因此分析典型岸坡的崩岸機(jī)制，開展基于地質(zhì)—水位—力學(xué)—形變的崩岸全過程研究顯得十分必要。以往的涉水岸坡崩塌形成機(jī)制研究多集中于河床演變、水位變化和泥沙沖擊3個方面[3-5]，而基于地質(zhì)、力學(xué)和水位的崩塌內(nèi)外動力影響因素分析較少，隨著國家長江大保護(hù)戰(zhàn)略的推進(jìn)，基于物理模擬試驗(yàn)對內(nèi)外動力因素的研究越來越受到重視[6-8]。

邵鵬等采用內(nèi)外動力因素結(jié)合地震—降雨—采礦開挖等人類工程活動，通過地面調(diào)查、無人機(jī)觀察、鉆孔巖心分析等技術(shù)手段，對天山北麓某礦進(jìn)行研究[9]。張永雙等在龍門山地區(qū)地震地質(zhì)和地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查的基礎(chǔ)上，通過包含了活動斷裂和風(fēng)化作用的耦合，巖土體結(jié)構(gòu)與變形破壞形式的耦合，地震力與地形地貌的耦合以及地震力與地下水的耦合等，總結(jié)了山區(qū)地震地質(zhì)災(zāi)害形成過程中內(nèi)外動力耦合作用的主要表現(xiàn)形式[10]。李曉等從3個方面研究地質(zhì)災(zāi)害形成的內(nèi)外動力耦合作用機(jī)制：(1) 通過對大量古滑坡的空間分布特征和發(fā)育時間的研究,尋求滑坡時空分布的控制因素,揭示滑坡發(fā)育演化與地球內(nèi)外動力耦合作用的關(guān)系;(2) 通過對大型基巖滑坡滑帶發(fā)育演化過程的研究,提出滑帶形成演化的典型四階段模式及其內(nèi)外動力耦合作用機(jī)制；(3) 以三峽庫區(qū)千將坪滑坡為例，通過對泥化夾層和滑帶結(jié)構(gòu)的精細(xì)地質(zhì)分析和測試，重建滑帶形成演化過程，研究千將坪滑坡發(fā)育及滑帶形成的內(nèi)外動力耦合作用機(jī)制[11]。夏軍強(qiáng)等通過研究岸坡本身的地質(zhì)條件結(jié)合力學(xué)特性以及外界條件，研究二元結(jié)構(gòu)河岸的穩(wěn)定性與崩岸機(jī)理[12]。

本文結(jié)合瑞昌段梁公堤崩岸的工程地質(zhì)特征，開展了單層和多層結(jié)構(gòu)的崩岸形成機(jī)制研究，對降雨型涉水岸坡在不同降雨和庫水位耦合作用下的變形破壞特性進(jìn)行物理模擬和理論分析，以期為長江崩岸建設(shè)提供科學(xué)參考。

1 梁公堤崩岸基本特征

梁公堤全段在2002年5月均采取拋石、砌石、堆石等防護(hù)措施，但樁號1+100～LG2+175段岸坡于2005年7月28日發(fā)生窩崩，最大崩寬5 m；2016年8月3日發(fā)生條崩，最大崩寬6 m。2016年又對堤內(nèi)小碼頭進(jìn)行整治，現(xiàn)場調(diào)查表明：樁號LG0+878～LG1+240段坡腳松散新近沉積物沖刷形成高約0.8～1.5 m的陡坎，其他段岸線除瑞昌市碼頭、洋豐碼頭尚有拋石、堆石防護(hù)外，其余堤段設(shè)施幾乎水毀殆盡，局部碎石零散堆積[13]。

梁公堤在長江河谷右岸沖湖積Ⅰ、Ⅱ級階地上，以河流沖堆積和構(gòu)造剝蝕垅崗丘陵地貌為主。地勢上南東高北西低，河道總體呈現(xiàn)向凹進(jìn)的弧形，主泓偏向南岸，漫灘不發(fā)育，以無漫灘為主(寬度小于50 m)。崩岸區(qū)主要位于Ⅰ級以上沖洪積物豐富的堆積階地上。近岸河床高程一般-5～-12 m，長江流向96°～74°，深泓近岸，側(cè)蝕作用強(qiáng)烈。堤外分布有外灘，堤防樁號1+950以上外灘一般60～80 m，1+950以下堤段較寬，多在100 m以上，地勢較平坦，灘面高程一般17.5～19.5 m，沿岸線分布有眾多碼頭、躉船等設(shè)施。

岸坡總體較緩，水上坡度約8°～16°，水下坡度11°～28°，局部較陡，可達(dá)38°。該段河道主流靠南岸，河道微凹，深泓近岸，樁號3+980以上段近岸河床高程一般-5～-8 m，以下段近岸高程一般-1～-3 m，近岸河床深槽總體不發(fā)育，僅樁號0+878～LG1+085段分布，深槽高程-14～-17 m，長約140 m，寬約60 m，最大沖刷深度7～9 m，其他分布小型溝槽，槽底約高程-6.5～-10 m。

研究區(qū)岸坡崩岸按外觀形態(tài)和特征分主要有四種類型：一是條崩，主要發(fā)生在LG0+878～LG1+360段，崩岸的臨空面較陡，崩岸基本與岸線平行，崩岸高度約為0.8～1.5 m。其形成過程較為復(fù)雜,在沿岸水流強(qiáng)度大、土質(zhì)抗沖性能較差且分布均勻的河段易形成,一般出現(xiàn)在汛后枯水期,也有少數(shù)出現(xiàn)在中洪水期；二是窩崩，主要發(fā)生在LG1+360～LG2+118段、LG3+818～LG4+085段，坡面較緩，坡度一般6°～8°，平面上呈弧形，崩岸高度1～4 m，寬度20～80 m不等，其形成過程十分復(fù)雜,具有多樣性,一般在水流強(qiáng)度大、土質(zhì)抗沖性能差且分布不均勻的河段易形成,既可能由大小不同的多次崩塌所構(gòu)成,也可能由一次性整體滑移而形成,大多出現(xiàn)在枯水期,少數(shù)在洪水期發(fā)生；三是洗崩，主要位于LG2+118～LG2+818，該段為瑞昌公用碼頭、洋豐碼頭，已采用拋石堆石護(hù)岸，局部破損，上覆新近沖積物，主要為河流反復(fù)洗刷導(dǎo)致塌岸，洗崩的崩塌規(guī)模較小,形成過程簡單,一般崩段長度僅有十余米或數(shù)十米,塌落土體體積在數(shù)百立方米之內(nèi),發(fā)生的時間較短,幾小時就可發(fā)生；四是滑崩，主要位于梁公堤LG2+818～LG3+818段，該段土質(zhì)松散，長江水流橫向沖刷河岸，加之土體排滲不暢，汛后江水位下降較快時，坡體崩滑呈圓弧狀。

2 梁公堤崩岸的地質(zhì)環(huán)境條件

崩岸的發(fā)生往往與其地質(zhì)及水文環(huán)境密切相關(guān)，松散的土層、彎曲的河道、強(qiáng)勁的水文動力作用均會對崩岸的發(fā)生造成影響。

2.1 地質(zhì)環(huán)境

瑞昌市梁公堤位于長江入贛的南岸，保護(hù)著瑞昌市碼頭鎮(zhèn)5.7萬人，53.6 km2的耕地，4.4 km2的養(yǎng)殖水面，以及產(chǎn)值超過5億元的數(shù)十家骨干企業(yè)，是長江江西段的重點(diǎn)堤防。長江在梁公堤以西(上游)為瑞昌市富池鎮(zhèn)所屬的下巢湖堤段，該段長江近135°弧形彎道，由南北向東西向偏轉(zhuǎn)，河道寬1.1～3.5 km，江對岸為湖北武穴市；梁公堤下游與九江市柴桑區(qū)城子外埠所屬的赤心堤連接，江中有新洲形成鎖口，逼迫長江向東南方向偏。從總的河道侵蝕方向來看，梁公堤段是長江入贛段第一個凹岸，不斷受到長江侵蝕，河道逐年向南移。

梁公堤附近長江最低枯水位9.11 m，洪水位19～24 m。其中LG0+878～LG2+818段，外灘寬50～130 m，坡頂高程18.1～19.7 m，近岸河床高程-5～-12 m，坡高25～32 m，坡度6°～18°。近岸樁號0+878～LG1+085一帶河床沖刷深槽發(fā)育，深槽高程-14～-17 m，寬約60 m，最大沖刷深度7～9 m。梁公堤樁號LG2+818～LG4+908段，外灘較寬，寬度一般210～330 m，坡頂高程17.8～19.6 m，坡底高程-6～-9 m，坡高25～30 m，水上岸坡坡度5°～18°，水下岸坡坡度10°～28°，近岸河床沖刷深槽不發(fā)育。梁公堤位于第四系全新統(tǒng)沖積層土，巖性主要為粉質(zhì)黏土、礫砂等，厚24～38 m，下伏為二疊系下統(tǒng)茅口組的灰?guī)r，主要地層巖性可分為5層(表1)。

表1 梁公堤地層巖性分布特征表

下伏二疊系下統(tǒng)茅口組灰?guī)r，埋藏深度受地殼運(yùn)動和古長江沖刷作用起伏不平，根據(jù)現(xiàn)在鉆探資料，埋深在26 m以下，局部含有洞徑2～8 m的溶洞或孔洞。

研究區(qū)地下水根據(jù)水文地質(zhì)條件主要分以下幾層：第1層為相對隔水層，主要巖性為第四系全新統(tǒng)上部黏性土層和粉質(zhì)壤土層，厚度5～28 m，滲透系數(shù)K<1.0×10-5cm/s。第2層為上層滯水，巖性主要為砂壤土、粉細(xì)砂等夾層，厚度0.5～3 m，滲透系數(shù)10-3

2.2 水文環(huán)境

長江水由湖北武穴至江西瑞昌后，江水急驟拐彎，導(dǎo)致河流沖刷劇烈，加之梁公堤屬于凹岸，造成深泓近岸，至梁公堤尾堤，河岸由南凹轉(zhuǎn)北凸，近岸河槽由深轉(zhuǎn)淺，河岸水動力沖刷作用由強(qiáng)轉(zhuǎn)弱，導(dǎo)致崩岸形式隨之變化。從河道崩岸的1990—2020年的歷史影像分析，30年來，梁公堤段上段(LG0+878～LG2+818)，河道面南東方向偏移3～5 m；中段(LG2+818～LG3+908)向南凹進(jìn)4～5 m；下段(LG3+818～LG4+908)向北東方向凸出2～3 m。

梁公堤上游瑞昌河道管理局(LG0+100)段至碼頭段(LG2+200)長江岸線曲率增大，水深近泓，水流加速雍水，長江水對岸坡沖刷力增加大。因此，梁公堤上游段岸坡受到長江主流沖蝕和水流循環(huán)作用，長期受到強(qiáng)烈沖蝕和淘蝕，使LG0+100～LG2+200段崩岸較為嚴(yán)重(圖1)。

圖1 瑞昌梁公堤崩岸及地形示意圖

3 梁公堤崩岸的形成機(jī)制分析

以往的研究多將崩岸的形成歸結(jié)于水流動力沖刷、泥砂沖蝕淘蝕、河道沖淤演變、巖坡土壤地質(zhì)構(gòu)造等因素，但對于降雨與庫水位耦合作用等考慮的尚不多見[14-15]。

3.1 地質(zhì)因素

據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，梁公堤段位于長江右岸，岸坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)主要有兩類：一是Ⅰ1型單層地質(zhì)結(jié)構(gòu)，坡體巖性主要為粉質(zhì)黏土或淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，位于樁號LG0+878～2+818；二是Ⅱ2型雙層地質(zhì)結(jié)構(gòu)，坡體巖性上層為粉質(zhì)黏土，厚度大于5 m，下層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土或砂性土，厚薄不均；位于樁號LG2+818～LG4+908，主要由粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)壤土等黏性土組成；滑坡，坡高15～54 m(圖2)。

圖2 梁公堤典型段雙層地質(zhì)結(jié)構(gòu)剖面圖

雙層結(jié)構(gòu)的岸坡存在上硬下軟的特征，坡體在飽水作用下軟化，黏聚力和內(nèi)摩擦角迅速降低，抗剪強(qiáng)度降低。同時，有的堤段下伏順向或緩傾向外的基巖滑床，形成控制性優(yōu)勢岸坡結(jié)構(gòu)面，其相鄰的上覆淤泥質(zhì)黏土或砂性土相當(dāng)于軟弱夾層，在重力作用下順向滑床向前滑移，引起崩岸，所以二元結(jié)構(gòu)的河床土質(zhì)對崩岸形成與發(fā)展有較大的影響。

3.2 降雨因素

降雨與崩岸的發(fā)生關(guān)系較為復(fù)雜，除了跟降雨強(qiáng)度、降雨持續(xù)時間有關(guān)之外，還與岸坡的地質(zhì)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。根據(jù)剛體極限平衡理論，岸坡穩(wěn)定性安全系數(shù)是指沿假定滑裂面的抗滑力與滑動力的比值，當(dāng)岸坡后緣有裂縫時，降雨入滲會導(dǎo)致裂縫中孔隙水壓力的變化。此時，會有兩個主要工況：(1) 若裂縫貫通，長江水位上漲時，由于裂縫貫通，排除水對其起到的潤滑作用，對岸坡產(chǎn)生浮托力F＇，岸坡趨于穩(wěn)定；長江水位下跌時，岸坡在重力作用下的下滑力增加，由于水位下降，土體濕潤導(dǎo)致摩擦力降低，抗滑力也相對降低，岸坡穩(wěn)定系數(shù)降低，坡體加速崩滑；(2) 若裂縫未貫通，降雨入滲在裂縫形成超孔隙水壓力PWi-1和Ui，推動坡體向臨空面崩滑(圖3)。

圖3 岸坡降雨入滲裂縫受力示意圖

3.3 河流動力因素

由于梁公堤段總體南微凹，深泓近岸，在水流的橫向力、離心力、上層合力、下層合力形成凹岸環(huán)流、回流、波浪、沖刷等作用，導(dǎo)致岸坡崩岸；從平面上向梁公堤右彎，在長江水流流向及其慣性力V、克利奧里力F以及彎道離心力P的合力作用下，水流沖擊合力大，侵蝕力大，不斷對岸坡進(jìn)行沖刷和泡蝕，近10年來崩岸高度達(dá)到了1～5 m。在崩岸之后由于沒有及時護(hù)岸，導(dǎo)致凹岸臨空面形成剪出口，隨后變形向后方延伸，在河流動力持續(xù)作用下，岸坡形成不同形式的崩岸(圖4)。

圖4 梁公堤水流動力作用示意圖

3.4 人類工程活動因素

梁公堤位于長江入贛第一鎮(zhèn)碼頭鎮(zhèn)，一直是通商古埠，人類活動頻繁。除自然作用外，崩岸還與河道內(nèi)采砂、碼頭建設(shè)、沿岸工程建設(shè)活動密切相關(guān)，這些人類工程活動也會造成河岸地形地貌改變、巖土體結(jié)構(gòu)改變、河道流沙、河床失衡等現(xiàn)象，導(dǎo)致河岸的加速崩滑。

4 結(jié)論與建議

(1) 通過野外調(diào)查及地質(zhì)勘查表明，該堤防是在長江水動力、降雨入滲和人類工程活動共同作用下發(fā)生的崩岸。其中水位變化是水動力沖刷作用下崩岸發(fā)生的外因，而由軟弱基底、雙層地質(zhì)結(jié)構(gòu)及水系連通條件好的凹形岸坡是崩岸發(fā)生的內(nèi)因，在岸坡的人類工程活動對崩岸的形成有促進(jìn)作用。

(2) 根據(jù)《長江流域綜合規(guī)劃(2012—2030)》及《三峽后續(xù)工作總體規(guī)劃》，梁公堤為長江重點(diǎn)治理河段，是九江百里長江美麗岸線的起點(diǎn)部分，也是建設(shè)沿江綠色生態(tài)廊道的關(guān)鍵。由于深泓近岸，梁公堤岸坡受到離心力、橫向力、克里奧里力等多種合力作用，不僅會影響堤內(nèi)“園林景觀帶”和碼頭的安全，也會威脅堤身和堤外建筑物安全。

(3) 基于現(xiàn)場調(diào)查和岸坡線歷史演變分析，梁公堤首尾兩段受到河流侵蝕的影響較大，各標(biāo)段變形幅度或變形方向呈現(xiàn)不同的規(guī)律?？傮w上，起點(diǎn)至碼頭位置崩岸程度最大，以條崩為主；梁公堤尾段的崩岸程度次之，以窩崩或滑崩為主；梁公堤中部的平緩位置崩岸程度最小，以洗崩為主，反映出崩岸受到水流、水勢和地勢的綜合影響，在水位變化和坡體受力作用下形成機(jī)制不同。因此，崩岸的治理應(yīng)綜合考慮以上因素的影響，因地制宜選擇堆石、護(hù)岸、固化、生態(tài)護(hù)坡等措施。