河流崩岸研究成就與發展趨勢

石 林，彭 浩，秦 成，唐 海，曹運江，姜威振，耿世明

（1. 湖南省水利水電科學研究院，湖南 長沙 410007；2. 湖南科技大學資源環境與安全工程學院，湖南 湘潭 411201）

引 言

崩岸是指河湖沿岸土體或巖體受水流沖刷，在重力作用下穩定型降低，從而發生滑坡、崩塌和崩落的一種常見的地質現象[1]。幾乎在全世界河流中都會發生不同程度的崩岸，如美國的密西西比河、日本關東地區的鬼怒川沿岸等地都曾發生過嚴重的崩岸。與我國相比，西方發達國家對崩岸研究相對較早，20 世紀70 年末，Frydman 等[2]對河岸進行研究，并分析河岸失穩與坡體位移與應變的關系；到了80 年代，英國學者millar[3]也進行了坡體內摩擦角與顆粒粒徑對河岸穩定性的研究；美國學者[4]以密西西比河崩岸問題為研究背景，開展了影響坡體穩定性因素的理論與試驗研究；90 年代至今，更多國外學者[5～7]對河流崩岸機理展開全面系統研究。

隨著經濟提升與科研學者的努力，近年來我國在崩岸機理研究上取得了較大的成就。夏軍強等[8]討論了岸灘侵蝕機理及其主要影響因素，并建立了岸灘侵蝕速率的經驗關系式；尹國康[9]通過理論分析，采用土坡失穩計算理論，對河岸變形規律進行研究；冷魁[10]分析了長江下游窩崩的特點及形成過程，并提出對應的防治建議；張幸農等[11～13]對崩岸展開研究，對崩岸類型進行系統分類，并在崩岸形成過程、影響因素等研究區域取得巨大成果。我國是河流崩岸災害較為嚴重的國家，崩岸極大威脅了國家經濟發展建設與沿岸居民的生命財產安全。為有效應對及防范河流崩岸，本文對國內崩岸研究成就進行歸納總結，并列舉出崩岸防治措施及其特點，指出了目前對崩岸研究的不足，并提出了未來進一步研究的發展趨勢。

1 河流崩岸研究方法

1.1 河流崩岸室外研究方法

河流崩岸具有分布性廣、破壞性強以及具有突發性的特點，同時還受地震、天氣以及人為因素的影響，因此災害的發生不以人的意志而轉移。為進一步研究河流崩岸形成機理，許多專家學者通過對河流實地調研，獲得了較客觀實際的科研資料，并對崩岸現象進行了深入研究，概況起來有以下幾種方法：

1）人工崩岸巡視法。人工巡視崩岸是使用最廣泛的戶外方法，科研技術人員通過水陸交通工具對河流沖刷破壞河岸進行巡視調查。若發現堤岸產生裂隙、滑動、松動破壞現象，對該堤岸破壞形態進行測量、拍照記錄，并分析崩岸破壞程度并采取相應措施防范治理，持續關注其后續進展，避免進一步造成人員財產損失[14～15]。

2）無人機航空機測法。隨著無人機與攝影技術的不斷進步，無人機在崩岸調查中扮演者不可缺少的角色。航空無人機承載高清度數碼相機，可以更大范圍地進行災害巡視，彌補了人工巡視法的不足，同時還可以快速獲得河岸地貌監測數據，具有效率高、精度高、成本低等優勢[16～17]。

3）河岸邊界結構監測。科研人員采用鉆孔法對河岸不同位置進行多次鉆孔取樣，分析河岸土體顆粒級配、土壤成分、孔隙度以及含水量等因素變化。還可通過儀器設備對土體表層應力進行測量，以此來分析河岸淺層地質構造及表層應力變化，并為崩岸進一步研究提供數據。對采用一些支護的河岸，可利用聲吶儀和淺地層剖面儀進行探測，分析支護后岸坡變形情況[18～19]。

4）多模態傳感器方法。采用多種測量和監測儀器對崩岸地形、坡度、沉積物組成、水動力、淺層沉積結構等要素的監測和穩定性預測。多波束測深儀、三維激光掃描儀、淺地層剖面儀等多模態傳感器系統已被應用沉積地貌和水動力特征進行研究，通過區域三維地形地貌構建，結合河岸水文環境，可對區域崩岸進行發展趨勢估評[20]。

1.2 河流崩岸常規試驗法

室內常規試驗在河流崩岸的研究中最為常用，試驗人員可選取良好的試驗環境，可控制崩岸的試驗變量，消除無關因素的影響，且與室外試驗相比更加安全。

宗全利等[21]通過對崩岸土體進行現場取樣，結合室內土工試驗，綜合分析得出崩岸土體的顆粒組成及力學性質，提出了在不同時期上荊江河岸穩定安全系數計算公式。岳紅艷等[22]通過室內概化模型試驗，研究二元河岸崩塌機理，并得出了河岸發生崩岸的原因。余智囊等[23]以淮北大堤治理為背景，通過現場模擬實驗與摩擦特性室內實驗，確定了軟體排布與大堤土體之間的摩擦系數。

河流按水位的變化可分為枯水期、高水期和退水期，隨水位變化河岸土體會處于干濕交替變化狀態，這一狀態也是崩岸發生的高峰時期。王軍等[24]通過室內土工試驗、河岸土體取樣以及數值模擬等方法，對土體干濕交替變化下河岸穩定性影響進行研究。結果表明：河岸土體在干濕交替狀態下穩定性主要受粘聚力影響，土體粘聚力越大，河岸穩定性安全系數越高。

河岸崩岸形成過程受眾多因素影響，較為復雜。王路軍[25]在收集分析長江中下游崩岸研究資料的基礎上，通過室內概化模型試驗，對不同的崩岸影響因素進行研究，最終模擬出崩岸形成過程并提出其預防處理措施。張幸農等[26]以崩岸河流原沙為實驗材料，建立大型室內概化坡體模型，研究了崩岸破壞范圍及破壞程度。黨詳[27]通過建立概化模型水槽試驗，對二元結構河岸崩塌機理進行初步研究。王延貴等[28]通過模型試驗對沖積河流岸灘崩塌進行研究，模擬出河岸崩塌的過程，并推導出一系列河岸穩定性公式。

流滑型崩岸具有破壞強度大，形成速度快等特點，假冬冬等[29]通過土工離心模擬試驗和水槽試驗，對該類型崩岸進行研究，并初步測定流滑型崩岸側蝕模式下的側蝕系數，為今后該模式的研究提供參考依據。

上述學者研究岸坡崩塌試驗手段表明了崩岸研究多以室內概化模型試驗為基礎，通過控制土層厚度比例、土層參數、坡腳角度以及流速等影響參數研究河岸崩岸機理，這也是目前考慮較全面的試驗方案。

1.3 河流崩岸數值模擬法

數值模擬與常規試驗都是科學研究的重要方式，與常規試驗相比，數值模擬能突破地形條件的限制且具有成本低、較直觀、運算快等優點。在很多情況下無法進行科學實驗，但能通過數值模擬還原崩岸現場情況，使研究人員對崩岸的發生有了更直觀的認識。

楊涵苑等[30]以若爾蓋盆地黑河崩岸為背景，通過野外勘察、理論模型試驗以及數值模擬等多種研究方法，分析該河流拐角處斷面的崩岸過程，采用BSTEM模擬其斷面崩岸后的形態，與實地勘察結果大致吻合。秦亞斌[31]在運用數值模擬研究水位下降對岸坡穩定性問題時，同時考慮了流固耦合理論與強度折減法，較真實地反映了水位與河岸穩定的關系。

崩岸按其形態可分為條崩、洗崩和窩崩，其中窩崩破壞程度大且數值模擬難度較大。假冬冬等[32]針對長江中下游窩崩問題，分析其機理及力學形式，建立三維窩崩數值模擬進行研究分析，最終模擬結果與現場實測結果大體一致。

河流崩岸的發生受多種因素的影響，為探究河流水位變化速率對崩岸的影響。周瑞麗等[33]以長江河岸為研究對象，采用數值模擬的方法針對河岸條崩現象進行了分析，研究結果表明，僅在水流沖刷下，坡腳首先會產生破壞，但河岸還需一定時間才會發生崩岸現象。肖毅等[34]在前人的二維水沙模型的基礎上，考慮了植被影響因素，改進后的模擬更好地反應了河流的演變過程，為今后的多因素模擬增加了參考依據。

以上數值模擬試驗都較好地還原了真實條件，而且試驗后的成果與預測的結果大體一致，雖然考慮的因素不夠全面，但為后續河流崩岸的邊界條件研究打好了基礎。河流崩岸數值模擬應盡可能確定崩岸的邊界條件，并界定每個因素的影響條件，從而為預測崩岸與河流崩岸的防治確定方向。

2 河流崩岸防治措施

保持河流沿岸的穩定是防治河流崩岸的關鍵要點，目前河流崩岸治理，歸納起來大致有以下8 種[35～45]，見表1。崩岸防治需特別注意以下幾點[46]：

1）保證河岸形態結構的穩定。陡峭的河岸如果長期受到不均勻的水流沖擊，會加大河岸崩岸發生的概率。崩岸發生后河岸在短時間內形成的臨界狀態的穩定性差，也極易在水流沖擊作用下再次發生崩岸。

2）保證坡岸加護材料的牢固性與穩定性。在進行坡岸加護時，可以采用質量較大的材料以防被水流沖走。

3）保證岸坡及河底土壤的穩定性。在岸坡加護的同時，需要加強岸坡及河底等根基位置土壤本身的穩定性。

4）加強重點區域的河岸觀測。持續性的河流崩岸觀測可在一定程度上發現相關跡象，為崩岸發生提出警告與防治。

3 存在問題及發展趨勢

3.1 存在問題

在我國崩岸研究中，多數專家與學者通過室外科研調查、室內實驗與數值模擬對河流崩岸進行了分析，同時取得了較好的科研成果，但也還存在一些問題，需要進一步研究和探討。在理論研究方面，河流崩岸試驗需綜合運用多學科進行研究探討，但目前在理論試驗研究中學科交流不夠全面，理論研究不夠透徹。在崩岸室外試驗方面，試驗研究技術較為缺乏，試驗手段相對單一，且受試驗資源限制，試驗模型個數不足，試驗效果不夠顯著。崩岸調查多在河流局部范圍進行，很難做到河岸全方位調查，不能掌握整條河流的具體情況。在試驗結果的適用性上，多數崩岸試驗以某一區域河流研究為背景，所得試驗結果在其他區域無法很好適用，缺乏總體性研究；一些數值模擬采用了二維模型計算，計算結果與三維模型會有一些偏差，且模擬參數設置因人而異，很難成為科學依據，只能起輔助作用。在崩岸治理技術的使用上，一些崩岸治理手段因造價成本高，應用推廣難度大；部分治理手段對周圍生態具有潛在的破壞性，使用范圍及后果有待明確。

表1 河流崩岸治理方法

3.2 發展趨勢

在崩岸研究的進一步工作中，應增加學科間的相容性，增強試驗的多樣性、創新性。從崩岸的本質出發，以水位的變化、外部的荷載、邊坡的防護等多個因素對河流崩岸進行深入研究，同時總結以往的工程經驗，提高河流崩岸的防治水平。

在崩岸治理方面，應根據不同的河岸情況，采取不同的護岸方法，因地制宜。也要鼓勵和提倡新材料、新技術的應用，在保證治理效果的同時，還應考慮治理手段對生態的影響及造價成本等因素。