長江中游戴家洲河段崩岸特性及護岸措施研究

劉萬利 ，李旺生 ，李一兵 ，李華國 ，陸 英

（1.清華大學水利水電工程系水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室，北京100084；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業重點實驗室，天津300456；3.長江航道局，武漢 430010）

河道崩岸是沖積性平原河流河床演變中的一種自然現象。由于崩岸影響河勢穩定、防洪安全、航道條件等，依賴護岸工程來保持河岸的穩定、抑制河道的橫向變形是治河中的常規手段［1-4］。在長江中下游航道整治工程中，因穩定河勢、穩定洲灘的需要，護岸工程得以較為廣泛應用。護岸工程的實施，一定程度地限制了河岸的橫向變形，從而限制了河寬的增加，但不管條件的見岸就護、見灘就守，治河工程不可為，航道治理工程同樣不可為，因此結合河勢的變化，選擇合適的護岸時機及合理的護岸措施十分重要［1］。

1 工程河段基本情況

1.1 河道概況

長江中游戴家洲河段位于漢口下游約99 km，上承沙洲水道，下連黃石水道，全長約34 km。包括巴河和戴家洲兩水道，其中戴家洲洲體將戴家洲水道分為園港、直港兩汊（圖1）。根據分析，戴家洲洲體右緣不斷崩退，直港曲率半徑進一步加大，給直港航道帶來了不利影響［5-6］，因此有必要對戴家洲河段護岸時機進行分析，對守護措施進行研究，為下一步直港整治乃至本河段總體方案的實施奠定更好的基礎。

本項研究工作是從2009年3月開始啟動，隨后又進行了連續不間斷地跟蹤分析研究，對戴家洲河段崩岸特點、原因及岸坡守護時機進行了研究，動態性地提出了護岸工程措施。

圖1 戴家洲河段河勢圖Fig.1 Sketch of Daijiazhou reach

1.2 崩岸特點

經統計，1970～2003年間（三峽蓄水前），戴家洲右緣最大崩退幅度約470 m，年均后退幅度約10 m；三峽工程蓄水以來的2003～2008年，年均后退幅度約30 m；2008～2011年，年均后退幅度約50 m（表1）。可見，戴家洲右緣一直處于崩退中，三峽蓄水以來年均崩退幅度大于往年，近年崩退幅度加快［7］。經分析，戴家洲崩岸發生的主要時期為落水期、枯水期，崩岸類型基本屬條崩［4］。

表1 戴家洲右緣崩退情況統計表Tab.1 Statistics of riverbank collapse of Daijiazhou reach m

1.3 崩岸原因分析

1.3.1 河岸地質

（1）土體組成及分布。勘探結果表明，戴家洲洲體右緣揭露的地層屬于第四系全新統河流沖積相（Q4al）沉積層。表層分布薄層軟塑—可塑狀態的粉質粘土（厚度為3.3～7.3 m），其下均為砂性土，砂性土一般從上至下由松散（厚度為4.0～6.3 m）、稍密（厚度為5.0～10.4 m）到中密狀態（厚度約為21.5 m）；深度36.5 m以下為白堊紀東湖群砂巖。岸坡具有明顯的二元或多元結構特征。具有這種土體結構的岸坡，由于上層粉質粘土厚度較小，抗沖性差，下層粉砂厚度大，但顆粒較為均勻，最易起動和分散搬運，抗沖性能很差，因而坡體特別是坡腳極易被水流侵蝕沖刷，很容易形成穩定性差的陡岸高坡。

根據Torrey對密西西比河下游岸坡穩定性與土體二元結構的關系的研究成果，當下臥砂土層厚度Hs與上覆黏土層厚度Hc之比小于0.7時，岸坡處于穩定狀態，而戴家洲右緣的Hs/Hc值遠大于0.7。

（2）地下水滲流。戴家洲右緣岸坡土體下層細砂密實度不高、透水性強，易形成入河方向的連續大比降滲流。大比降滲流會沖刷坡面和淘刷坡腳，導致岸坡失穩崩塌。

1.3.2 河道地形

（1）河勢形態。戴家洲右緣處于直港微彎河道的凹岸，且下段處于兩汊匯流區附近。而根據研究，彎道凹岸、汊道分流和匯流處，一般主流貼岸形成強烈沖刷，易出現崩岸現象。

（2）岸坡局部地形。經過踏勘，戴家洲目前洲體（水面以上）大多坡度較陡，約在60°，局部接近直立臨空面，岸坡土體有可能會產生重力破壞。

1.3.3 水流條件

（1）河道水流動力。當直港深泓沿戴家洲右緣坐彎時，主流線左擺，則戴家洲右緣岸坡愈不穩定；當直港左岸（戴家洲右緣）存在高大邊灘時，該邊灘附近岸坡相對穩定，即邊灘對岸坡起到了一定的掩護作用。

另外，戴家洲右緣坡腳處砂土抗沖臨界流速僅在0.5～0.7 m/s，而此處縱向水流流速一般超過此臨界值［8-9］。

（2）河道水位變化。本河段洪水期岸坡土體因長期浸泡水中而達到飽和狀態，其中孔隙水壓力很高，抗剪強度下降。汛后河道水位快速下降，土壓力增大，并可能形成非恒定大比降滲流，對岸坡穩定性的不利影響持續加重。

2 戴家洲右緣崩岸敏感性計算

2.1 崩岸敏感性計算研究思路

右緣崩岸后，直港內航道條件具體的變化情況，需要通過崩岸敏感性計算加以說明。為此，開展了崩岸的敏感性數值模擬計算研究［8］。

應用數學模型對戴家洲右緣不同崩岸情況下的河床變化分別進行了計算（表2），計算結果表明，不同崩岸程度下的直港河道變化定性上是一致的。計算結果如下（限于篇幅，本文只列出崩岸100 m的計算結果）。

計算基于2009年3月實測地形，水文條件為2006年2月～2009年3月代表水文年過程。

2.2 計算結果

（1）流速場的變化。崩岸后，枯水流量下直港上段主流線位置略向左移，而下段主流線位置雖變化不大，但水流比較分散；各級流量下的直港航槽內流速值與崩岸前相比略有減小，減小幅度為3%～5%。

崩岸后左右兩汊匯流區水流流向向左側略有偏轉，其中中枯水期偏轉角度約為2°。這種水流流向的偏轉對兩汊出口處的船舶航行是不利的，主要體現在兩個方面：一是水流流向的左偏造成園港出口水流流態更差，從而會影響園港出口處船舶的航行；二是直港出口處主流更靠近左岸邊的廻風磯，直港出口處航道水流條件有所惡化。

（2）汊道分流比的變化。崩岸后，各級流量下的直港分流比略有增加，這主要與戴家洲右緣崩岸后直港阻力減小有較大關系（表3）。

（3）河床沖淤變化。戴家洲右緣崩岸后，直港進一步向寬淺方向發展，緊臨戴家洲右緣深槽有所淤積，淤積厚度約為0.5 m，同時直港內仍存在上、下礙航淺區，且淺區水深較崩岸前略有減小，減小幅度為0.2～0.3 m，淺區水深仍不足4.5 m。

表2 崩岸敏感性計算方案匯總表Tab.2 Sensitivity calculation plans of riverbank collapse m

表3 各級流量下崩岸前后直港分流比變化情況表Tab.3 Discharge ratio variation under various discharges of Zhigang reach before and after collapse %

2.3 計算小結

崩岸后表現出了對直港既有有利的一面，也有不利的一面，分別為：（1）有利的方面：枯水流量下直港上段主流線位置略向左移，有利于直港上段坐彎；（2）不利的方面：下段主流線位置雖變化不大，但水流比較分散，對直港下段坐彎及下淺區不利，同時崩岸后左右兩汊匯流區水流流向向左側略有偏轉，這種水流流向的偏轉對兩汊出口處的船舶航行是不利的；各級流量下的直港航槽內流速值與崩岸前相比略有減小；直港向寬淺方向發展，緊臨戴家洲右緣深槽及直港上、下淺區有所淤積。

從崩岸敏感性計算結果可以看出，崩岸后出現了許多對直港不利的一面，同時考慮到右緣不斷崩退的實際情況，更傾向于先對戴家洲右緣下段進行守護［5］。

3 戴家洲右緣守護時機分析

戴家洲右緣不斷崩退，從崩岸敏感性計算成果來看，崩退后給直港航道帶來一些不利的因素，如直港曲率半徑更大，而使直港平面形態繼續朝不利方向發展，從而影響一期工程效果和總體工程全面實施的條件?？紤]到直港已初步形成貼岸深槽（2009年3月），且右岸邊灘有所淤積，此現象對直港航道來說是有利的，因此應抓住時機，在戴家洲右緣必要部位先期實施守護工程。

3.1 戴家洲右緣護岸時機分析的思路

根據前述崩岸敏感性計算結果，更傾向于先對戴家洲右緣下段進行守護，但從尋求最佳工程方案不排除任何一種可能性的科學研究精神出發，確立戴家洲右緣守護的兩種思路：一是戴家洲右緣全線守護一次性實施；二是戴家洲右緣下段守護，而戴家洲右緣上段待時機成熟后再行守護。

3.2 護岸時機分析

（1）根據直港合理曲率半徑來分析護岸位置。

參照直港航道條件較好時期的曲率半徑來看（表4），其滿足枯水期航道通航條件的曲率半徑一般在10～12 km的范圍內，如1998年3月的曲率半徑約為12 km。從2009年3月地形來看（圖2），直港的曲率半徑約15 km，與直港歷史上行航道條件較好時期河道曲率半徑相比，明顯過大，致使直港彎道水流特性較弱，航道條件較差。戴家洲右緣下段的進一步崩退，將增大直港的曲率半徑及下段河寬，影響直港河道平面形態過直問題的解決，而使直港平面形態朝過直方向發展，航道條件向不利方向變化。

根據統計分析，直港枯水期航道條件與河道曲率半徑密切相關，當其曲率半徑在10～12 km時，灘槽形勢有利，航道條件較好，因此可以將這一范圍的曲率半徑作為直港較為理想的曲率半徑，并將這一曲率半徑在直港凹岸側對應的邊界線作為直港的規劃整治線，在此曲率半徑取近期河段航道條件較好時（如1998年3月）的曲率半徑，即12 km（圖2）。從圖2可以看出，2009年3月，戴家洲右緣上、中段岸線距規劃整治岸線尚有崩退的余地，而下段洲緣已接近或略超過規劃的整治岸線，應抓緊對其進行守護，否則直港曲率半徑會繼續增大，增加后續工程實施難度。

表4 直港曲率半徑與航道情況對應表Tab.4 Relationship between radius of curvature and channel condition of Zhigang reach

（2）根據方案試驗結果來分析護岸位置。

動床模型開展了關于戴家洲右緣守護的多組方案的試驗研究，包括全守護、下段守護。從試驗結果來看，一方面，戴家洲右緣下段守護方案和已建的戴家洲洲頭魚骨壩工程（一期工程）限制了直港河道的進口、出口主導河岸的后退，基于目前直港曲率半徑偏大，考慮到河道中段主流貼左岸，右緣中段岸線適當后退后，則戴家洲直港曲率半徑有所減小，直港凸岸邊灘隨曲率半徑減小、彎道環流增強、河寬增大而有所淤積，因此戴家洲右緣下段守護工程更有利于直港枯水水流坐彎，且各級流量下的直港分流比與工程前相比均略有增加，對改善直港的航道條件是有利的；另一方面，戴家洲右緣下段守護工程一定程度地規避了戴家洲直港出口航道左移和廻風磯航路、下游橋梁航路銜接不順問題的嚴重化。

因此確定對戴家洲右緣下段先進行守護，而戴家洲右緣上段待時機成熟后再行守護。

圖2 戴家洲河段理想曲率半徑示意圖Fig.2 Sketch of ideal curvature radius of Daijiazhou reach

3.3 戴家洲右緣守護的思路及先期護岸位置的確定

關于對戴家洲右緣下段進行先期守護的思路確定以后，進而需要確定守護具體位置。為此，動床模型開展了多組方案認識性試驗，守護位置涵蓋了從戴家洲右緣彎頂以上至洲尾、從彎頂處至洲尾及從彎頂以下至洲尾等（表5）。試驗中重點觀察戴家洲右緣側水流平順情況及流速分布情況。

表5 護岸位置認識性試驗情況表Tab.5 Sensitivity tests of revetment position

從試驗結果來看：當守護起點位置位于戴家洲右緣彎頂以上時，下段守護岸線與上段崩岸后的岸線銜接不平順，水流不歸順；當守護起點位置位于彎頂處時，由于該處局部流速較大，且彎道環流強度較強，可能導致守與不守銜接處局部地形嚴重淘刷（表6）；當守護起點位置位于彎頂以下時，水流平順，且銜接處流速相對較弱。

經綜合對比分析，確定戴家洲右緣先期守護位置為從戴家洲右緣彎頂以下至洲尾段，守護長度約為3 800 m。

戴家洲右緣下段守護工程已于2010年底開始實施。根據研究，待時機成熟后，即戴家洲右緣中上段崩岸后直港曲率半徑達到或接近理想值時，再實施戴家洲右緣中上段守護工程。從2011年12月地形來看，戴家洲右緣下段守護工程實施后，隨著戴家洲右緣中上段的崩退，直港彎曲半徑為11.5 km，且岸線較平順，即戴家洲右緣岸線已呈十分理想彎曲線型，同時直港灘槽格局及航道條件趨好，整個戴家洲右緣實施守護工程的條件已具備。

表6 戴家洲右緣近岸流速沿程分布情況表Tab.6 Nearshore velocity distribution along the river of Daijiazhou reach m/s

4 護岸措施

考慮到戴家洲洲體右緣岸坡較長，周邊水流、地形、地質等條件復雜，有必要對護岸措施進行深入研究，保障工程既能達到工程效果同時結構穩定。

4.1 護岸型式的選擇

護岸結構有直立式、斜坡式、混合式三種。直立式護岸一般應用于水深較深、地基較好、岸線縱深較小和用地緊張的地段，多用于城區水域或中小河流；斜坡式護岸的優點是順應河岸形態護岸，整體結構穩定可靠，施工便利，維護方便，對水流的干擾較小。

從本工程鉆探地層結構可知，上層地質結構以粉質粘土為主，并夾雜淤泥質粉質粘土和粉土層，下部為粉細沙層，且土層含水量高；往下主要為粉細沙。整個護岸區域土體耐沖刷性均較差，在江水的沖刷、淘蝕下，易形成崩塌或滑坡，且這種破壞會隨著外層岸坡不斷崩塌沖蝕逐漸向內發展。

因此，從護岸的穩定性出發，本護岸工程采用斜坡式平順護岸型式。護岸主要由陸上護坡、枯水平臺、水下護底、鎮腳組成。下面重點對陸上護坡結構型式進行分析研究。

4.2 陸上護坡結構型式的選擇

護坡結構應根據工程部位的地形地貌、河岸土質、近岸水流、風浪、破壞變形、環境要求、施工強度以及材料來源等因素綜合分析比選。目前護岸常用的護坡結構型式主要有干砌塊石、漿砌塊石、干砌預制砼塊、漿砌預制砼塊、鋼絲網格及模袋混凝土等。

干砌預制砼塊護坡具有取材容易、可工廠化生產、施工簡單、施工速度快、適合大規模應用這些顯著優點，砼塊縫隙間可以生長草木，有一定的生態效應，其透水性較差缺點可以通過在砼塊中間設置透水孔來提高其透水性?？紤]到戴家洲右緣上段約2 000 m范圍內及下段約4 000 m范圍內為非迎流頂沖段，近岸流速較?。ū?），且坡腳處沖淤幅度較小，該段岸坡相對較穩定，因此該段護坡宜選用干砌預制砼塊作為護坡面層結構。

鋼絲網格整體性和透水性好、可適應變形、耐久、防水流沖刷、生態環保等優點。雖然鋼絲網格工程造價要稍高，但用于護坡有其明顯的優越性。而對于本護岸工程中段約4 000 m范圍內，岸坡坡比較陡，為迎流頂沖彎頂段，近岸流速較大，坡腳處沖刷幅度較大，岸坡穩定性要差于上段及下段，因此該段護坡宜選用鋼絲網格。

綜上，護岸上段及下段一定范圍陸上護坡結構采用干砌預制砼塊結構，護岸中段陸上護坡結構采用鋼絲網格結構。

5 結論

（1）根據天然實測資料，并通過戴家洲右緣崩岸敏感性計算，分析了戴家洲右緣崩退與直港航道條件的關系，表明崩岸后直港上段主流線有坐彎的趨勢，但崩岸后出現了許多對直港不利的一面，如直港曲率半徑加大，航道條件惡化，直港出口航道左移與廻風磯航路、下游橋梁航路銜接不順。由此更傾向于先對戴家洲右緣下段進行守護。

（2）根據直港合理曲率半徑以及崩岸敏感性計算結果分析了護岸時機，確定對戴家洲右緣下段先進行守護，而戴家洲右緣上段待時機成熟后再行守護。并最終確定了戴家洲右緣先期守護位置為從戴家洲右緣彎頂以下至洲尾段，守護長度約為3 800 m。隨后又進行了連續不間斷地跟蹤分析研究，動態性地提出了護岸工程措施。

（3）對長江中下游已有護岸措施及其適應性進行了分析，在此基礎上，提出了戴家洲右緣護岸工程措施。其中，護岸上段及下段一定范圍陸上護坡結構采用干砌預制砼塊結構，護岸中段陸上護坡結構采用鋼絲網格結構。

［1］劉萬利，李旺生.長江中游戴家洲河段戴家洲右緣崩岸特性及護岸措施專題研究報告［R］.天津：交通部天津水運工程科學研究所，2010.

［2］余文疇，盧金友.長江河道崩岸與護岸［M］.北京：水利水電出版社，2008.

［3］張幸農，蔣傳豐，應強，等.江河崩岸問題研究綜述［J］.水利水電科技進展，2008，28（3）：80-83.ZHANG X N,JIANG C F,YING Q,et al.Review of research on bank collapse in natural river［J］.Advances in Science and Technology of Water Resources，2008，28（3）：80-83.

［4］張幸農，蔣傳豐，陳長英，等.江河崩岸的類型與特征［J］.水利水電科技進展，2008，28（5）：66-70.ZHANG X N,JIANG C F,CHEN C Y,et al.Types and features of riverbank collapse［J］.Advances in Science and Technology of Water Resources，2008，28（5）：66-70.

［5］劉萬利,李旺生,朱玉德,等.長江中游戴家洲河段航道整治思路探討［J］.水道港口，2009，30（1）：31-36.LIU W L，LI W S，ZHU Y D，et al.Study on Channel Regulation of Daijiazhou Reach in Middle Yangtze River［J］.Journal of Waterway and Harbor，2009，30（1）：31-36.

［6］劉萬利,李旺生,朱玉德,等.長江中游戴家洲河段河床演變分析及趨勢預測［J］.水道港口，2011，32（4）：259-263.LIU W L，LI W S，ZHU Y D，et al.Alluvial process analysis and trend prediction of Daijiazhou reach in middle Yangtze River［J］.Journal of Waterway and Harbor，2011，32（4）：259-263.

［7］蔡大富，閆軍.長江中游戴家洲河段戴家洲右緣下段守護工程工程可行性研究報告［R］.武漢：長江航道規劃設計研究院，2009.

［8］張明進，王建軍.長江中游戴家洲河段戴家洲右緣守護工程工可階段數學模型研究報告［R］.天津：交通部天津水運工程科學研究所，2009.