崩岸預警綜合評估法研究與應用探討

曹雙 蔡磊 劉沛

摘要：三峽工程運行10余年以來，長江下游含沙量銳減，水流富余挾沙能力增大，長江河道普遍處于沖刷態勢，各河段都有崩岸災情發生。各級水利部門對此高度重視，并開展了一系列監測和預警分析工作。從引發崩岸的主要因素出發，建立綜合評估法，對各因子的評估技術手段、要求等做了詳細介紹，并展示了相關輸出成果。該方法采用的技術手段常規通用，具有可操作性，能滿足預警分析的時效性要求;考慮相對齊全，主要因子無缺失，分析從整體到局部，采用系列資料且著重當前資料，各獨立因子基本都能做到量化分析，得到的結論可靠，可作為防汛減災工作的技術依據。

關鍵詞：崩岸預警;綜合評估法;河道演變;水文情勢;數學模型;岸坡穩定;定級標準

中圖分類號：TV85

文獻標志碼：A

DOI： 10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.08.006

1 研究背景

崩岸是河道水流與河岸土體相互作用的結果[1]，具體體現為河道岸坡受水流沖刷持續崩退的物理過程[2]。目前長江中下游河道的崩岸類型按照平面形態大致可劃分為3類：窩崩、條崩和洗崩[3-4]。就長江下游河道而言，窩崩和條崩數量占崩岸總數的90%以上，其危害程度也相對大[5]。長江下游崩岸具有突發性、危害性、誘發因素多等特點，且各類因素相互交織，互相影響，加之人類活動影響，其成因復雜，機理上很難精準預判發生時機及規模，建立一套科學的預警判斷方法能降低防治投入，減少崩岸水損事故發生。

余明輝[1]等對崩岸機理展開研究，總結了不同河岸的崩岸特點，從土力學的角度提出了不同邊界土層河道岸坡的極限坡比以及易發崩岸段深泓離岸距離占河寬百分比。據該項研究成果，在水道地形圖較新及地質情況清楚的條件下，能快速判斷岸坡穩定情況，缺點是僅是定性分析，未對引發崩岸的其他重要因子進行統計分析。褚明華等[6]對近期長江下游河道崩岸險情進行了統計，內容包括崩岸類型、發生時間、長度及分布等，從管理的視角提出了崩岸險工段應將監測與治理相結合，建立長江崩岸搶護長效機制，全面加強長江河道管理。劉東風[7]以長江安徽段為例進行長江河道崩岸預警方法探索，建立崩岸預警標準及應對措施，探討預警的發布和相應防范措施。該研究中崩岸預警采用的技術分析手段為河勢分析與岸坡穩定計算相結合。該研究較為先進且首次進行崩岸應急管理機制系統性探討，研究方向偏向管理，其預警分析方法及手段也考慮了誘發崩岸的主要因子，但從技術視角出發，作為崩岸預警分析的指導尚有考慮不足之處。

以上研究均未從技術分析的角度進行崩岸預警綜合分析。本文從影響崩岸的主要因子出發，探討崩岸預警的評估方法，該評估方法應具有如下特征：①全面性。不能遺漏引發崩岸的重要因子;②可行性及快速性。分析的基本資料容易獲取，技術手段通用，不宜過于復雜，便于快速分析，得出預警報告;③準確性。評估結果應對防汛減災具有明確的指導作用，不能停留在定性分析階段，各指標及因子盡可能量化。據此，本文從水文情勢、宏觀河演、局部河演、岸坡穩定4個影響崩岸的重要因子出發，以技術分析為依據，并考慮人類活動影響（含整治、護岸、港口水運、過江通道工程，采砂活動），建立綜合評估法，并以揚中河段太平洲為例進行探討研究，技術路線見圖1。

2 基本資料

基本資料為預警技術分析提供支撐，資料要求具有系列性、多樣性、代表性、現勢性：①系列性即為資料需具有一定連續性，保證為在相同或近似成因下的資料，如河道地形資料，可選擇1998年以來的資料，既包括了三峽水庫蓄水前后時間段，又是長江下游河道系統整治后基本穩定態勢下的資料。②多樣性是根據崩岸多誘發特征決定的，誘發崩岸的主要因素包括河道沖淤、水文情勢、邊界地質條件、人類活動影響，因此需要相關專業的基本資料作為技術分析依據，含長程水道地形資料、局部大比例地形監測資料、水位及流量資料、險工段附近地勘資料、人類活動情況（各類整治工程、水運工程、橋隧工程、采砂活動等）。③代表性是指對引發崩岸比較重要的資料，如1998年大水大沙年，2006年、201 1年小水小沙年，2016年大水小沙年等特征水文年對應的河道地形及水文資料。④現勢性是指用于分析的基礎資料須體現當前最新的情況，崩岸險情及險級處于動態發展中，如2019年汛前預警分析，基礎資料須至2019年，局部針對性資料必須于2019年汛前實測收集，該項資料必須采用大比例河道地形及斷面資料，比例尺過小達不到分析精度要求，會導致出現漏判、誤判等情況。

3 水文情勢分析

水文情勢分析主要是從系列資料進行來水、來沙的統計分析，進而摸清河道演變的外部環境。

采用宏觀與微觀相結合的分析方法。長江下游可選擇大通水文站作為代表站（見表1），分析水文情勢的變化，說明宏觀河演所處的水文環境。一般而言，大水小沙年是易誘發崩岸的水文組合。微觀方面，在所分析的河段選擇代表性水位（文）站進行特征值統計，含年內最大水位變幅、超警戒水位運行天數、汛期水位變幅、汛期平均水位、水位消退速率等，這些是直接影響預警河段崩岸險情的重要因子。

三峽水庫蓄水運行以來，大通站年內水沙分配及其組成出現一定程度的調整和變化，其中年最大洪峰過程較以往趨緩，汛期月平均洪峰流量小于蓄水前。同時，枯季水量比例占全年略有減小，沙量也略有減少。另外，年內汛期的輸沙率減小幅度明顯大于水量的減小。

上游來水來沙主要集中在汛期，主汛期尤大。三峽水庫蓄水以來，主汛期來水量減小幅度約10%，但是沙量減小幅度接近70%，三峽工程對汛期輸沙量的調節明顯大于徑流量調節。鎮江潮位站、南京潮水位站數據及相關研究成果表明：主汛期同流量級下，長江下游水位比20世紀有明顯抬高，其主要原因是河道束窄，岸線高度開發利用，水流下行不及之前順暢，導致主汛期兩岸高灘地帶浸泡在江水中的范圍和時間都明顯增加，2016年洪峰及洪水總量不是最大，但是高于45 000 m3/S的造床流量作用天數最多，地質較差區域經過長期江水浸泡后，岸坡穩定性有所下降。

曹雙等[8]通過對南京水位站多年水位資料對比分析發現，三峽水庫蓄水前后，高流量級下水位發生趨勢性壅高2.65 cm，其中2016年洪峰流量及水量并非最大，但是平灘流量級以上天數最多，南京站超警戒水位天數達到30d，河岸長期在高水位浸泡下，強度降低，易在水位消落期發生崩岸。雖然2016年南京河段并未發生崩岸事件，但從該因子分析，在其他因子保持相當的前提下，該年度江岸遭受的水文情勢考驗要大于往年，單純從水文情勢上看，該年度的崩岸風險概率要高于往年。

4 近期河演分析

4.1 宏觀河演分析

宏觀河演分析的目的在于揭示險工段所處的宏觀河勢環境，分析在不同水沙組合作用下河道沖淤變化規律，總結宏觀河道演變特征，預判近期演變趨勢，為易崩段作出定性指導，即判斷崩岸的環境和條件在轉好、轉壞抑或保持相對平衡。可采用相對簡單易行的因子分析法進行具體分析，先分析各因子，最后歸納匯總。采用由分到總的分析方法，具體分析流程見圖2。

以揚中河段為例，宏觀河演主要結論如下：揚中河段進口段由于上游大港水道的穩定少變，五峰山節點的長期控導以及歷年來的河道整治工程，宏觀河勢得到控制，河道平面形態及兩岸岸線總體基本穩定。

1998年以后太平洲左汊嘶馬彎道，在連續實施的護岸整治工程作用下，左岸崩退基本得到扼制，嘶馬彎道河勢總體基本穩定，頂沖點位置總體變化不大，但局部岸坡較陡，深槽貼岸，仍需要加強關注。

為改善落成洲兩汊分流比，航道部門進行了落成洲守護工程，工程完工后，落成洲右汊分流比增加趨勢有所減緩。

嘶馬彎道到二墩港是主流過渡段，二墩港至泰州大橋一側為右支水流頂沖位置，不同水文年頂沖位置上下略有移動，總體不超過現有的范圍。嘶馬彎道以下水流分左右槽下行，近些年以來河道主泓由以往的大水趨中、小水分邊逐漸演變成以靠揚中側右槽為主的格局，右槽水流動力增強，深槽發展迅速。二墩港至小決港鰻魚沙水域，近期演變過程中的主要變化是：心灘以上分流點的上提、下挫，而左、右兩支深泓線擺幅較大。在大水年份里，隨著分流點下移，一般水文年里分流點上提。在鰻魚沙灘頭守護后，以上變化幅度和趨勢減緩，分流點在大水年下移幅度減小，左右兩支主流走向仍將貼岸下行。長期來看，隨著河床的自動調整作用，深泓線橫向擺動變化幅度將趨小。

崩岸段今后較長時間內仍將保持主流頂沖、前沿深槽貼岸的態勢，由于該段未進行系統的護岸和岸線守護，因此，二墩港至泰州大橋一側的岸線守護非常必要和迫切，演變趨勢與來水來沙條件密切相關。目前，沖刷坑最深已至-50 m以下，進一步下切的幅度有限，若后期來水以中、小水為主，則深槽范圍及變化會相對較小;若來水較大，則深槽范圍會進一步擴大，在本次岸線守護應急治理工程完成、局部岸線抗沖性得以提高后，深槽的擴大方向將會以向外側及下游側延伸為主，因此，需加強大橋下游段，尤其是近島段的水下地形監測。

4.2 局部河演分析

局部河演分析采用測次新、比例大的測圖資料，目的在于定量分析險工段當下河勢環境：近岸沖刷量、沖刷厚度、深槽逼岸距離、坡腳是否掏刷以及在不同水沙組合作用下近岸險工段局部范圍內沖淤變化規律，最終結合水文情勢預判各段的穩定性及變化趨勢，為易崩段處理提供重要參考。視崩岸段險情變化，初步判斷各段相應對應措施：維持常規監測、加密監測、進行防護加固工程。采用相對簡單易行的因子分析法，見圖2。

以揚中河段為例，通過2019年汛前實測河道地形及斷面資料與近期大比例地形及斷面資料對比分析得到如下結論。

通過2019年汛前實測資料套匯近期資料，總體上險工段近岸平面變化不大，二墩港崩窩及小炮沙崩窩略有回淤，平面上近期變化較大處在：①落成洲洲頭右緣近岸坡陡、水深，最深點下切;②豐樂橋段出現坑洞地形，最深點2018-2019年枯期內下切幅度達到7.5 m;③太平洲洲頭有岸線沖退，深槽逼岸擴大趨勢;④夾江大橋下游小炮沙右汊內-25 m槽相隔較近，下游兩處深槽沖刷擴大聯通。

近期省、市兩級險工段斷面變化較大處為落成洲右汊右岸TPZL-CS3+800斷面，2017年以來TP-ZL-CS3+800斷面持續沖刷形成沖刷坑，目前最深點高程為-36.4 m。

近岸局部大比例地形沖淤顯示，2018-2019年枯水期內，左汊內太平洲左緣近岸河床兩頭淤積，中間微沖，整體呈微淤。指南村崩窩內進一步回淤;夾江內整體沖淤平衡，小炮沙左汊興隆彎道段持續微淤，其余部位普遍微沖，洲頭右緣處沖刷相對較大，平均沖深達到0.30 m;炮子洲右緣近岸整體微淤，平均淤積厚度0.05 m。

近岸坡比統計結果表明，2019年汛前揚中市環島近岸坡比大于1：2，坡高在10-15 m范圍的有23處，這些部位處于崩岸風險相對較小;有15處近岸坡比大于1：2，坡高在15-20 m之間，這些部位有一定的崩岸風險;有9處近岸坡比大于1：2，坡高超過20 m，這些部位崩岸風險相對較大。

5 數學模型計算研究

為了分析河道水流對易崩險工段的影響，本次計算模型選擇DHI公司的MIKE21平面二維水流運動數學模型進行研究[9]。

以揚中島為例，重點闡述研究思路并介紹所得結論。

5.1 基本資料及計算工況

（1）地形。工程河段地形采用2017年11月實測1：10 000資料，工程局部水下地形采用2019年4月1：1 000資料。

（2）水流。模型采用計算河段2017年8月的實測水文資料進行率定，采用計算河段2017年2月的實測水文資料進行驗證計算。水文測驗布置見圖3。所采用的基本資料有時效性要求，且水文測驗時間與地形測繪時間不宜偏差太大，以保證模型計算的精度。

（3）計算工況。計算工況的選擇需要具有崩岸預警的針對性，高流量級下易發生大水直接沖垮堤岸;平灘流量造床作用明顯，險工段區域河床易發較大沖淤變化;水位快速消落期迎水坡水位快速下降，水壓力的分項抗滑力減小，堤后高水位滲流力作用下易發崩岸;枯水位下易發生滑坡性崩岸。數學模型應充分考慮這些因素，直接分析各工況下險工段區域水位、流速的分布，為崩岸預警提供指導，間接為岸坡穩定分析計算提供邊界條件。計算工況見表2。

5.2 模型計算成果

數模計算初步結果表明，主流線隨流量級不同而變化，除左汊進口段及落成洲左汊外擺幅相對較大外，整體擺幅不超過斷面河寬10%（見圖4），主流路線大致一致，約43%斷面處出現隨著流量增大主流趨向揚中島一側，較明顯的部位有洲頭左右緣、小炮沙左汊出口段、落成洲右汊出口段，這些部位應預防大流量級下主流對環島近岸河床沖刷導致的岸坡失穩，在灘地狹窄區域甚至直接沖垮洲堤。近岸單寬流量和近岸斷面形態及總流量級有關，近岸坡陡水深處，單寬流量要顯著大于坡緩水淺處;整體上近岸單寬流量隨著流量級上升而增大，但局部段也有接近甚至反超現象，如ZC5斷面處（崩窩區）30 000m3/s流量級下近岸流量甚至大過防洪設計水位下流量，也說明這幾個部位水流相對集中。從計算流速場結果來看環島近岸流速基本隨流量級升高而增大;從沿程分布來看，30 000m3/s流量級下落成洲洲頭右緣及對岸太平洲洲頭左緣近岸流速仍有0.8 m/s，太平洲洲頭左右緣及泰州大橋左汊大橋下游側近岸流速在0.7 m/s左右（圖5），說明這些部位沿岸水流長期處于較大流速作用下，近岸河床處于易沖區。

6 岸坡穩定分析計算

對岸坡穩定進行定量評估，計算工況可參照GB 50286-2013《堤防工程設計規范》[10]的要求，同時針對崩岸易發的因素展開，如：高水位下只要考慮背水坡滑坡，枯水位下考慮迎水側滑坡。采用總應力法和有效應力法進行計算，其中穩定滲流期抗滑穩定分析采用有效應力法，水位降落期采用總應力法計算，計算方法可選用瑞典條分法或簡化的畢肖普法[11]。根據岸坡穩定影響因素的分析，考慮岸坡各種不利情況，確定堤坡穩定分析的工況。限于篇幅不舉例說明。

7 險工段定級

7.1 影響因子綜合評估

首先根據宏觀河演及水動力分析成果（各流量級下都處于水流頂沖的區域、深槽貼岸區）確定重點防崩岸段。再結合局部監測分析成果確定一級預警段具體范圍，通過汛前監測反映持續處于沖刷狀態且近岸坡陡流急、坡高大、坡腳掏刷，近岸灘地狹窄、防護薄弱、岸坡穩定計算安全富余系數較小的斷面。水文情勢則作為相對獨立的因子，即水位的快速漲落、持續高低水位的作用時間，不影響預警段的定級判斷，只是在程度上影響各段崩岸的風險，同等情況下，持續高低水位時間較長或者水位波動過快，會增加各段的失穩風險。

二級預警段一般在一級預警段上下游分布，對于宏觀河勢處于沖刷狀態，但汛前監測反映近岸河床有所回淤、坡陡流急、坡高相對較小、坡腳穩定區域，數學模型計算表明近岸單寬流量、流速隨水位級降低而減小，近岸灘地相對較寬、有護岸工程或碼頭工程掩護段。三級預警段為宏觀河勢處于沖淤平衡狀態，監測反映近岸河床無明顯沖刷、陡坡高差相對較小、坡腳外有較寬灘地，數學模型計算表明主流離岸相對較遠、近岸單寬流量及流速隨水位級降低而明顯減小，近岸灘地較寬、有護岸工程或者碼頭工程掩護段。

7.2 影響因子分析及快速判斷

崩岸預防的綜合評估法考慮了所有影響因子，是相對科學合理的方法，但難點在于建立定量的判斷模型、確定各因子的影響權重。本文在定性分析的基礎上，嘗試量化分析，至少在各因子內部及局部因子之間建立量化分析關系。

各影響因子的關系錯綜復雜、相互交織影響，不同時機主次矛盾也會相互轉化。如：水動力的主流貼岸區，往往也是深槽貼岸段，如太平洲左緣二墩港至小決港一帶、小炮沙左汊彎頂區域;漲水期間岸灘失穩，往往是主流沖刷或掏刷為主導因素，退水期及枯水期失穩的主要因素往往是臨水側水位較低，抵抗下滑力下降或孑L隙水應力來不及消散的岸坡穩定性失穩，主導因素為土力學范疇。

對于汛前的崩岸預警，其主要影響因素在于水流動力及河勢穩定，水文情勢可作為外部放大或縮小影響量，不影響各段的相對穩定性排序，地層條件、岸坡穩定在漲水期可視作次要因素。

太平洲左緣一帶指南村崩窩、鐵匠港、新韓通船廠上下游區域及小泡沙左汊彎頂區域長期為主流貼岸、深槽逼岸、坡陡流急區域，也是崩岸預防的重點岸段，而具體的起止斷面號則是根據汛前監測成果對比分析得到，如沖刷較大區域、坡比陡峻及坡高較大區域。豐樂橋段由于航道治理工程控制落成洲右汊的發展，連續丁壩群下游區域河床沖刷劇烈，威脅岸灘穩定，故該段也作為一級預警段。

太平洲洲頭處于分水主流頂沖區，長旺彎道、六圩港彎道及炮子洲左緣區域，近岸流速相對較大，存在零散的大小深槽，這些區域總體屬二級預警段的分布區，具體部位則是根據2019年汛前實測資料進行斷面套比、沖淤分析、坡比、坡高進行統計分析，確定具體起止點。

7.3 成果展示

對綜合分析生成的各險工段情況應簡潔、明了地予以展示，有助于直觀、清晰地掌握各險工段動態情況。考慮圖表結合展示，通過圖明確展示各段分布情況，如險工段三級區分位置、橋隧分布、斷面形態、斷面流速等信息;表應詳細標注位置、長度、灘寬、碼頭設施、護岸工程、主流離岸距離、對策建議等信息，便于防汛減災等部門專業人員查閱和使用。以揚中島為例，2019年汛前監測重點段及轄市段54 km中一級崩岸預警段情況見表3。

8 結語及展望

崩岸的誘因很多，形成的機理也很復雜，目前的研究水平尚未能完全揭示，相關的研究大多從幾個主要誘因出發，如河勢分析、水動力分析、岸坡穩定性分析等，在預警水平上也不能完全做到量化分析，無法精準預測崩岸發生的時刻及尺度。對易崩岸段進行適量頻次的大比例地形監測并及時進行分析預警是預防崩岸發生的有力手段。本文從引發崩岸的主要因素出發，建立綜合評估法，對各因子的評估技術手段、要求等做了詳細介紹，并展示了相關輸出成果。該方法采用的技術手段常規通用，具有可操作性，能滿足預警分析的時效性要求;考慮相對齊全，主要因子無缺失，分析從整體到局部，采用系列資料，著重當前資料，各獨立因子基本都能做到量化分析，得到的結論可靠，可作為防汛減災工作的技術依據。

人類活動影響因素中，護岸防護工程距離險工段最近，對險工段穩定作用最明顯。險工段區域一般都有各類加固工程，某些重點險工段甚至有多次加固。經過多年運行，拋石類防護工程有所滑落沖失，或被淤泥掩埋，沉排類也有散排、碳化損壞的情況。從監測手段上來看，很難對水下防護工程進行測繪;從分析手段上看，即使防護工程狀況清楚，技術上也較難評估其對岸灘穩定的貢獻，特別是沉排、抗滑樁類，且計算工作量大，所耗時間周期較長，難以滿足時效性要求。此項基礎資料可采用調查、收集設計資料等方式獲得，評估采用定性分析與量化分析相結合的方式。

本文雖對崩岸幾個主要影響因子的分析方法做了闡述，但未能建立各因子之間的相互影響關系，未能科學確定各因子的權重，各因子獨立分析能做到量化分析，但綜合分析仍以定性為主。下階段可在深刻把握崩岸機理的基礎上，通過大量崩岸案例分析，建立各因子之間相關關系，進而確定各因子權重，綜合分析也提升至量化分析水平，對各險工段進行科學排序。

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