荊江河道險工險段崩岸監測技術與預警方法探討

(長江水利委員會 水文局， 湖北 武漢 430010)

荊江河道險工險段崩岸監測技術與預警方法探討

周建紅

(長江水利委員會 水文局， 湖北 武漢 430010)

近年來，隨著長江上游來水來沙條件改變，荊江局部河段河勢調整加劇，致使岸坡變陡，崩岸險情時有發生，已嚴重威脅防洪、航道安全。鑒于此，分析了國內外河道岸坡穩定性預測和崩岸預測研究現狀，初步探索了荊江河段崩岸監測技術與預警方法，可為堤防安全、崩岸治理研究和河道管理等提供技術支撐。

崩岸監測；監測預警；崩岸治理；河道管理；荊江

隨著長江上游水庫群的投入運行，清水下泄、沙量大幅減少，長江中下游河道總體河勢基本穩定，但局部河段沖淤幅度較大，其中荊江河段將長時期處于沖刷狀態，河床下切，灘槽沖淤與主支汊分流格局可能會發生新的變化。受兩岸護岸工程的制約，荊江河段深泓以縱向下切為主，2002年10月～2015年10月，深泓平均沖深2.14 m，最大沖刷深度14.4 m。由于水流頂沖點上提或下移，引起大堤岸坡變陡，在一定程度上加劇了崩岸險情的發生。部分未護段河岸可能因迎流頂沖而發生崩岸；已實施護岸的工程又可能因脫溜而失去其防護作用進而加劇崩岸的發生；同時因長江中下游河段二元結構河岸中的非粘性土層抗沖性很弱，在漲水期和退水期極易發生崩塌。據不完全統計，2003～2015年長江中下游干流河道共發生崩岸825處，累計崩岸總長度約 643.6 km[1]，崩岸已嚴重影響和威脅長江中下游防洪安全，同時對河勢控制、已建岸坡防護工程以及岸線開發利用等都造成不利影響。由于崩岸的發生具有隱蔽性和突發性，對崩岸的監測技術與預警方法研究一直是該領域的研究難題，也制約著長江河道的崩岸預防及河道治理的成功實施。因多方面原因，目前對荊江河道崩岸現場缺乏系統有效的實時監測手段和技術，崩塌地段難以被及時發現和預測，給長江荊江防洪安全帶來了十分嚴重影響。

從2002年開始，長江水利委員會水文局根據長江河勢調整變化，水文荊江局對重點險工險段進行了定期巡查和近岸地形觀測與分析，對掌握險工段岸坡、岸線變化，初步判斷發生崩岸可能性，對避免崩岸險情發生起到了重要作用。近期黨中央、國務院高度重視長江崩岸治理與應急度汛工作，現有觀測資料及研究成果已不能滿足當前防洪安全及長江經濟帶發展需求，須及早對崩岸險情作出預警預報，提早采取工程措施，避免重大崩岸的發生。因此，亟需在新的來水來沙條件下加強對荊江險工段河道崩岸監測技術與預警方法的研究。

1 崩岸研究現狀

1.1 河岸穩定性預測

目前國內外學者對長江河道崩岸機理、岸坡穩定預測及治理措施進行了大量研究，并取得了顯著成效[2-6], 同時針對長江河勢變化采取了系列工程措施，對穩定河勢發揮了關鍵性作用[7]，還采取非工程措施如崩岸預警方法探索等[8]。其中河岸穩定性預測方面的研究主要包括傳統的經驗方法、極值假說方法和水動力學-土力學方法，以及人工智能方法如神經網絡等[9-11]。各方法分述如下：

(1) 經驗方法模擬河道橫向展寬及穩定性是建立在分析實測資料的基礎上，通過經驗關系式來估計河寬變化的大小。經驗方法簡單，但局限性較大，僅能在資料來源的范圍內適用，且未考慮到河岸的幾何形態對河道展寬的影響，更為重要的是，這類方法未能考慮河岸沖刷、崩塌的內在力學機理。

(2) 極值假說方法為模擬河道的橫向展寬過程，在泥沙數學模型的基礎上，引入附加方程式來預測河寬的變化。這個方程式通常依據某一參數的最大值或最小值來表示，例如水流功率最小、水流能耗率最小、臨界切應力和輸沙率最大等。這些方法統稱為極值假說方法。當前借助于極值假說方法模擬河道橫向變形，兩個最為典型的模型是張海燕的FLUVIAL.12模型和楊志達的GSTARS模型。極值假說方法模擬河道展寬過程亦具有很大的局限性：它們僅適用于預測河道由不平衡狀態向平衡狀態的河寬調整，無法預測河道處于不平衡狀態下河寬的調整過程。其次，只能估計河寬變化的總量，無法確切估計左右岸的變化情況。另外，這些方法一般僅適用于非粘性河岸的展寬模擬。

(3) 水動力學-土力學方法考慮了河道崩塌的力學機理，采用水動力學模型計算河床沖淤變形，然后用土力學模型分析河岸的穩定性，并計算河岸的崩塌量，適用于非粘性河岸和粘性河岸。武漢大學宗全利、夏軍強等人對上荊江4個典型斷面的崩岸土體進行了現場取樣與室內土工試驗[12]，考慮水壓力對崩岸的影響以及土體力學性質指標隨含水率的變化，提出上荊江二元結構的河岸崩塌計算模式。該種方法克服了經驗方法及極值假說方法的局限性，能夠體現河道崩塌的內在力學機制，但由于對水動力參數與土體參數的相互作用機制、土體參數的確定與檢驗等均研究較少，該方法在今后仍需進一步完善。

(4) 人工神經網絡方法通過引入人工智能領域的數學方法，建立的基于神經網絡的河道崩岸預測方法，考慮因素較為全面。許全喜等2004年建立了基于BP神經網絡的河道崩岸預測模型[11]，利用此模型對荊江石首彎道1965～2003年的崩岸情況進行了模擬和預測。該模型能較準確地模擬和預測河道崩岸變化，該模型的建立為河道崩岸的預測預報提供了一個新途徑。但值得指出的是，河道崩岸BP網絡預測預報模型中訓練樣本易受實測資料的限制，特別是在河道變化比較劇烈的地方，河道地形等水文資料的長期性與代表性都將直接影響模型的學習精度，進而也影響模型的預測效果。

1.2 崩岸預測

關于崩岸預測問題，目前許多研究者分別采用臨界崩塌高度、崩塌臨界坡度、粘土層與砂土層崩塌臨界厚度比(二元結構河岸)、臨界起動流速公式、安全系數等各個臨界指標預測崩岸的發生。

(1) 臨界崩塌高度[13]。王延貴利用河岸穩定分析的辦法，就一般折線邊坡河岸的崩塌高度進行分析，同時考慮高水位浸泡及滲流作用的影響，提出了河岸臨界崩塌高度的概念，導出了折線河岸臨界崩塌高度的一般表達式。在河床沖刷下切或側向沖刷過程中，河岸發生挫落崩塌時的河岸高度稱為河岸臨界崩塌高度Hc。實際上該高度代表了一種河岸崩塌的臨界狀態，相當于河岸崩體的下滑力等于阻滑力，表明河岸臨界崩塌高度可以用于衡量河岸的穩定性。河床沖刷后，河岸高度增大，當沖刷后的河岸高度大于臨界崩塌高度時，河岸將會發生崩塌。河岸臨界崩塌高度主要影響因素包括河岸強度系數 (含內摩擦角)、河床沖刷(河岸高度H及岸坡沖刷坡度)、河岸形態參數、浸泡和滲流參數等，且河岸臨界崩塌高度隨著河岸強度系數(含內摩擦角)增大而增加，隨沖刷坡度、河岸坡度及滲流參數的增大而減小。

河岸臨界崩塌高度可用于河床演變數模計算中的河岸穩定性判別指標，當沖刷后的河岸高度等于或大于臨界崩塌高度時，需要運用數學模型進行河岸的崩塌計算。

(2) 崩塌臨界坡度[14]。窩崩或條崩均多發生于二元結構河岸，且其崩塌過程首先表現為近岸河床沖刷，隨后下部砂土層受到水流掏刷，岸坡變陡從而失穩坍塌。在岸坡變陡的過程中，存在崩塌臨界坡度，當砂土層的實際坡度達到崩塌臨界坡度時，下層砂土層坡度失去穩定，上層粘土層隨之懸空而發生崩塌；而當下層砂性土層實際坡度小于崩塌臨界坡度時，河岸則將維持穩定狀態，不會發生崩塌。

不同的河型和土質條件下，河道主流流路、頂沖位置及角度、沿程流量過程及大小均存在差異，因此造成了不同的岸坡形態。每個河段、每個斷面都有自己不同的岸坡變化范圍，即每個斷面都有自己的最陡坡度。雖然并非每個斷面的最陡坡度都非常接近臨界岸坡(如深泓貼岸情況下，其坡度可能較陡；而深泓離岸較遠時，其坡度可能較緩)，但如果把一定條件下各個斷面砂層最大坡度中的最大值作為臨界坡度的逼近值，將其作為崩岸判別指標則是可以接受的，也是較為合理的。李義天等[16]通過穩定岸坡來逼近臨界坡度，用穩定岸坡代替臨界坡度作為評判是否發生崩岸的臨界條件。其中穩定岸坡的概念具體定義為，一定條件下(流量、河型、土質等)各個斷面中砂層最大坡度中的最大值。如果資料系列較長，包含了不同水沙系列條件下的各河段坡度變化，則由此確定的穩定岸坡就會更逼近于臨界坡度。

由于缺乏崩岸河段在河岸坍塌時的原型實測資料，因此雖然用上述臨界坡度來衡量河岸的穩定性較為合理，但其確定卻存在很大困難。

(3) 粘土層與砂土層崩塌臨界厚度比(二元結構河岸)。我國長江中下游彭澤縣馬湖堤崩岸處的上覆粘土與下層砂土的厚度比為 0.67～1.0；江西省九江市城區防洪堤崩岸處的對應的厚度比為0.6～1.3。美國密西西比河流域的岸坡也呈二元結構，上覆為粘土層，下臥為砂土層。Viotor.H.T等人通過研究發現，上覆粘土層Hc和下臥砂土層的厚度Hs比值R大于1.4時坡體保持穩定[17]。因此，長江上粘土層與砂土層崩塌時厚度比與密西西比河流域得到的結論基本吻合。

(4) 窩崩邊坡臨界起動流速公式。冷魁認為窩崩大多數發生在汛后或枯季，并且提出了邊坡臨界起動流速公式，指出當河道邊坡某處垂線平均流速大于起動流速且某一高程的深槽向岸邊楔入時，此處土體開始出現坍塌，窩崩隨之發生[15]。

由于崩岸問題的復雜性，這些臨界指標在預測實際崩岸現象時都有一定的局限性。除此之外，在土工研究領域，一直采用安全系數作為評價岸坡或建筑物結構穩定的成熟指標。對于自然河岸及已護岸線的崩塌過程，在水流動力等外部因素作用下，將導致土體內部因素的變化，最終導致的結果是河岸土體安全系數的變化，進而發生坍塌。因此，采用安全系數作為岸坡崩塌的臨界指標具有其合理性，也是目前易于操作和可行的方法。

2 崩岸監測技術與方法

2.1 等級劃分與確定

根據河段的險要地位和大堤外灘寬度不同，將險工段劃分為重點險工險段和一般險工段兩種類型。重點險工險段一般為灘寬小于50 m、一級堤防段或對交通、廠礦、港口、重要工程或城市等產生重大影響的堤段，分1、2級；其余次重的險工險段為一般險工段，為3、4級。等級越高，監測頻次就越多。根據歷年險工護岸巡查統計與河道演變分析，2017年后續可能發生崩岸的河段有：

(1) 上荊江。① 枝江河段的同勤垸、洋溪鎮(右岸)、昌門溪至董市(左岸)、七星臺至大埠街(左岸)，崩岸監測初定為4級，松滋口口門附近的偏洲高灘(右岸)，監測初定3級；② 沙市河段的學堂洲(左岸，初定2級)、臘林洲(右岸，初定2級)；③ 公安河段的文村夾(左岸，初定3級)，青安二圣洲(左岸，初定3級)、南五洲(右岸，初定2級)，茅林口(左岸，初定3級)。

(2) 下荊江。① 石首河段：左岸的古丈堤、合作垸、向家洲、北碾子灣未護段、金魚溝下游未護段、中洲子下游未護段，崩岸監測初定2級；右岸的北門口、寡婦夾、鵝公凹至塔市驛段，處于迎流頂沖段，崩岸易發多發，監測初定3級；其他如淵子口、柴碼頭、調關等，雖處于迎流頂沖，但已進行多次守護，近年來岸坡較為穩定，監測初定3級；② 監利河段：左岸的太和嶺至鋪子灣、沙夾邊、天星閣、鹽船套至團結閘、反咀、姜介子、八姓洲、荊河垴等處，近年來崩岸多發，監測初定2級；③右岸的新沙洲、天字一號、洪水港、荊江門、張家墩、七弓嶺等均為主流貼岸段、水流頂沖段和近岸河床沖刷劇烈的岸段，都有可能發生新的崩岸，監測初定2級。

由于局部河段河勢不斷變化調整，迎流頂沖點可能上提或下移，崩岸范圍隨時可能發生變化，因此在監測過程中，須根據河勢變化情況，對崩岸監測范圍和測量時機及時進行動態調整。

2.2 常規監測方法

采用以護岸巡查為面，以重點險工段水下地形監測為點，以點帶面，點面結合。護岸巡查主要通過現場查看河道主流線、水流頂沖點、漩渦等變化情況，了解迎水護坡面是否有裂縫、剝落、滑動、隆起、松動、坍塌、沖刷等變化情況，查看背水坡及堤內腳是否有散滲、滲水坑、管涌等發生，初步判定潛在崩岸險情發生的可能性。對有潛在崩岸險情的，則及時進行水下地形監測。為提高水下測量工作效率和保障成果質量，高水期時多采用多波束測深系統，中枯水期宜采用單波束測深，水下橫向測量寬度宜過河道主流深泓線。

2.2.1 監測要素

(1) 近岸河床變化監測：在監測河段內，進行1∶2 000半江地形測量。水下地形由測時水邊至深泓外100 m，但最寬不超過400 m，最窄不小于350 m(測時水邊至江心)；陸上地形從水邊測至大堤內腳。汛前、汛期和汛后各觀測1次，對特殊水情加密測次。

(2) 崩岸段局部流場觀測：采用ADCP走航式在監測崩岸段中部斷面及上、下游 0.5 km斷面進行半江流場觀測，重點監測近岸水流。每年主汛期監測3～4次，汛前汛后各監測1次，較大洪峰漲落過程必須監測1次，崩岸發生、發展期間適當加測。宜與地形測量同步觀測。

(3) 懸移質泥沙含沙量分布觀測：在流場斷面上，布置3～5線按6點法提取水樣，掌握近岸含沙量的分布及崩岸上下游含沙量特性的變化情況。

2.2.2 其他監測

(1) 來水來沙條件監測：利用上游河段水文、水位站監測成果。包括水位漲落率、洪峰過程、沙峰過程及來量等。

(2) 河道邊界條件監測：近岸河槽部分的床沙、河岸土壤成分結構、級配、孔隙度及含水量監測，可采用內部形態觀測造孔的土柱樣品進行分析。

(3) 波浪觀測：在布置監測斷面上觀測波高、周期、波向、波型、水面情況等，輔助要素為風速和風向，采用目測或浮球式加速度型測波儀、聲學測波儀和重力測波儀等自記測波儀觀測。

(4) 地下水及滲流監測：河岸地下水位、滲流(壓)、孔隙水壓力監測，以及配套監測河道水位。主要測量大堤中地下水水位和壓力，一般與沉降觀測配套測量。按照滲壓計埋設要求，將測量線引至地面備用。當測量時將滲壓記錄儀連接計數，可用自動記錄儀測量滲壓；利用電阻溫度計進行地下水溫監測。

(5) 人類活動影響調查：近岸河床采沙、灘面取土、已建和正在興建的突出建筑物、近岸江灘上附加荷載等情況的調查，半月1次。

2.3 遠程實時監測

采用自動安全監測設備對河岸近岸的變形進行實時監測，主要包括水平位移監測、垂直位移監測及裂縫監測等。

2.3.1 外部變形監測

采用GNSS、垂線坐標儀、電容式測讀儀等專用儀器監測，其中水平位移和垂直位移是監測護岸崩岸表面的位移情況，預埋監測控制網點，以測量標點的位置移動量來判斷岸坡的穩定性。護岸崩岸監測點埋設應能反映河岸變化特征。各監點可采用視準線法和大氣激光準直線法進行水平位移監測，也可采用全站儀或靜態GNSS監測；垂直位移觀測采用精密水準測量(二等及以上水準測量)方法進行測量。裂縫監測是對河岸裂縫進行位置、長度、寬度、深度和錯距等監測，以了解裂縫的發展變化情況。

2.3.2 內部變形監測

對河岸內部位移及變形進行沉降、傾斜和土壓力等監測。對有護岸的河岸，還進行坡面蠕動、滑移、接縫監測，應力、應變及溫度監測。采用儀器主要有多點位移計、土地位移計、沉降儀、滑動式測斜儀、測縫計、電測水位計、滲壓計、土地壓力計、混凝土應變計、鋼筋測力計和電阻溫度計等。

(1) 沉降觀測：在監測點用鉆機打孔，孔徑約100 mm，埋設專用塑管，塑管按上密下疏的原則，隔2～4 m固定1個磁環，填埋好后待7 d左右用沉降觀測儀測量各磁環的位置作為初始值，以后隔7 d、15 d、1個月(開始間隔短，以后時間長)觀測1次，對磁環位置進行對比，判斷沉降情況。若變化速率加大時加密觀測。

(2) 傾斜監測：監測內部的位移變化，與沉降觀測布設在同一個斷面上，也是采用鉆孔測量的方法，鉆孔的要求同沉降觀測，只是塑管上無需固定磁環。測量時只需將探頭放入管底，往上拉動探頭，每隔0.5 m記錄1個測量數據。第一次測量完后將探頭交換方向再接照上面的方法測量1次，取2次的平均值為最終的測量值。與初始值對比分析岸坡內部位移改變情況。

(3)縫隙監測：對地表已經產生裂縫的河岸，監測裂縫的發展變化情況。將測縫計安裝在裂縫或接縫處，引出電纜線，分別測量裂縫或接縫處前后、左右、上下的位移量，將各處接縫計的引出電纜線集成到一處接入集成箱，儀器可定時將監測數據進行遠傳。

(4) 壓力監測：在兩個監測斷面上埋設土壓力計，進行側向和垂向壓力監測，了解壓力隨河流水位及河岸內部變形的變化規律。儀器埋設后，引出電纜線，同測縫計、滲壓計引線一樣接入集成箱，定時將監測數據進行遠傳。

(5) 應力、應變及溫度監測：在有護岸的監測斷面上，進行護岸應力、應變及溫度監測，研究護岸河段在水流及河岸土壤壓力作用下的崩岸發生發展規律，為護岸工程技術研究積累基礎資料。

3 預警方法

(1)指標確定。以長江崩岸發生的可能性、崩岸可能造成的危害程度為尺度，將崩岸預警劃分為1、2、3、4級[8]。其中，1級為最高級，發生崩岸可能性很大，造成的危害程度大，要求當地政府做好預警區宣傳和警示工作，落實每天不間斷巡查和每周1～2次地形監測，轉移受崩岸威脅的群眾；2級為次高級，發生崩岸可能性很大，造成的危害程度較大，要求當地政府做好預警區宣傳和警示工作，落實每周不間斷巡查和每月1～2次地形監測，必要時轉移受崩岸威脅區內群眾； 3級為中級，有發生崩岸的可能性，需要做好預警區宣傳和警示工作，落實每月巡查1次；4級為低級，有發生崩岸的可能，落實每年巡查4次，主要安排在4、7、9、11月進行。

(2)資料分析。分別利用多個測次河道監測數據，以及已有歷史資料，從河勢、近岸變化趨勢出發，分析評估各測次岸坡的穩定性和崩岸發生的可能性，以及崩岸造成的危害程度，對荊江河道崩岸進行初步預測預警。計算與分析的內容包括岸線變化、深泓線變化、典型斷面變化及坡比等。

(3)預警發布。根據巡查、預警指標和分析計算結果進行崩岸預警預報，編制監測預警簡報，發送給相關單位及部門。崩岸預測方法與防治思路見圖1。

圖1 崩岸預測方法與防治思路

4 結論與建議

(1) 目前進行的荊江重點險工護岸觀測與巡查，監測手段還不夠全面，其觀測方案仍具宏觀性，只能定性掌握荊江河段崩岸總體情況，難以及時準確地發現潛在重大崩岸險情，更不能實時預測預警，提供資料和研究成果不具直觀性和可視性。

(2)通過15 a來的荊江險工護岸巡查，為相關部門及時準確地發送了荊江堤防現勢資料，為崩岸整治提供基礎信息。 但在崩岸監測方面，尤其水下地形測量是間斷性的，而崩岸預警預報需要連續性，因此尚需建立崩岸預警預報模型加以實現。

(3) 隨著大量變形監測設備的應用，為崩岸監測預警提供了良好的技術支撐，建議加大投入，并進行相應的專題研究，及時建立完整的崩岸監測預警預報系統。

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2017-09-15

周建紅，男，長江水利委員會水文局，高級工程師.

1006-0081(2017)12-0012-05

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(編輯：唐湘茜)