石首弯道河床演变对护岸工程稳定性影响

徐 芳，张云天，岳红艳

(1.重庆交通大学 河海学院，重庆400074;2.武汉市水务局，湖北武汉430014;3.长江科学院河流所，湖北武汉430010)

0 引言

在20世纪50年代以前，长江中下游沿江两岸实施的护岸工程是十分有限的，河道两岸基本处于自然状态，崩岸时有发生。1950年以后，我国实施了规模宏大的护岸工程，特别是在荆江河段，在历年抗洪和维护河势稳定中发挥了重要作用，并成为长江防洪工程体系的组成部分和河势控制规划中的重要工程措施。

护岸工程属于典型的动态工程，存在一定的安全运行年限。一般情况下，护岸工程的调整是需要经历一定的水文过程。在此期间，护岸工程出现破损若得不到及时加固，严重情况下会使已建护岸工程失效，起不到稳定河岸的作用。在对护岸工程进行加固前需要了解其破坏或失效的原因，这样可提高针对性并保证加固效果。

1975年以来，国内外许多学者和工程技术人员对河岸崩塌的成因及机理进行了研究［1-10］。有的从河岸土体物理力学性质出发进行理论分析［7-8］;有的从河岸稳定性分析出发，建立了河岸数学模型［9］;有的从水流动力条件出发进行了研究［9］。而从河床演变对已有护岸工程稳定性的影响研究相对较少。笔者重点研究石首弯道近期河床演变特性及其对已有护岸工程稳定性的影响。

石首河段(图1)属于顺直放宽河道，由顺直过渡段和急弯段组成。自古长堤而下河道逐渐变宽，并在放宽段生成倒口窑心滩。由于洲滩土质不耐冲，心滩呈现周期性的冲淤变化，河道演变复杂。

图1 石首河段近期河势及护岸工程平面布置Fig.1 Layout of recent river regime and revetment work in Shishou reach

石首河段北岸为荆江大堤，南岸为荆南干堤。堤外河漫滩滩面高程介于35.5～37.5 m之间。本河段南岸大部分地段和北岸向家洲附近河漫滩宽度达1～2 km，其它地段仅100 m左右，有的局部地段甚至只有10～20 m宽。受江水和地貌条件影响，本河段河床主要为中细沙层。

1 三峡水库蓄水运用后石首河段径流量和输沙量情况

石首河段的水流和泥沙主要来自宜昌以上的干流和支流，同时还受藕池口分流的影响。

根据表1统计的沙市和监利站两个水文站资料，2003—2009年两站的年均径流量较2002年前平均值变化较小。三峡蓄水后，汛期洪峰削减，中水持续时间延长，枯水期流量增加，大量推移质以及悬移质中较粗部分拦在库内，排往库外的则主要是悬移质中的较细部分，加上近年来长江上游雨区分布变化、上游地区实施的水土保持、退耕还林和建坝拦沙等措施使产沙减少，因此2003—2009年沙市和监利站年均输沙量却减少很多，两站分别减少81%和74%。下泄水流挟沙将长期处于次饱和状态，其携沙能力较2002年前平均情况大，必将引起河床沿程冲刷。

根据表2有关资料，自然情况下藕池口分流分沙量呈逐年递减趋势，1967年以来，下荆江系统裁弯工程后的溯源冲刷和葛洲坝水利枢纽蓄水运用(1981年6月)后的河床沿程冲刷，加速了分流分沙比递减趋势。其中20世纪六七十年代，受下荆江系统裁弯工程的影响，藕池口分流分沙比减小的速度增快。但自1981年以后，藕池口的分流分沙比的减小趋势变缓，1956—2002年藕池口分流分沙比多年平均值分别为7.3%，11.3%。自2003年三峡工程蓄水运用后，除2006年为特殊的枯水年，藕池口分流分沙比减小幅度较大外，2003—2009年间其它年份内藕池口分流分沙比无明显单向变化趋势，藕池口平均分流分沙比分别为2.6%，5.7%，较1956—2002年多年平均值分别减小4.7%，5.6%。

表1 沙市站和监利站年均径流量与输沙量Table 1 Average annual discharge of flow and sediment transportation of Shashi and Jianli station

表2 藕池口多年平均分流分沙比Table 2 Ouchikou average annual ratio of diversion of flow and sediment

2 已有护岸工程和整治规划情况

2.1 已有护岸工程

石首河段护岸工程总长度为17.32 km。1998年后先后实施茅林口—古长堤、向家洲、送江码头、北门口和鱼尾洲等5处护岸工程;1999—2002年，石首河段护岸工程纳入长江重要堤防隐蔽工程项目，护岸工程总长为17.32 km。其中左岸有茅林口—古长堤段(护岸工程长5 800 m，其中新护4 800 m，加固1 000 m;桩号:28+000～35+000)、向家洲段(护岸工程长2 000 m，其中新护1 740 m，加固1 400 m;桩号:24+000 ～26+000)、鱼尾洲段(护岸工程长2 920 m，其中新护920 m，加固2 000 m;桩号:3+780 ～4+700，4+700 ～5+700，5+700 ～6+800，6+300～6+700)，右岸有送江码头段(护岸工程长3 600 m，为新护工程;桩号S 0+000～3+600)和北门口段(护岸工程长3 000 m，其中新护1 600 m，加固1 400 m;桩号:S 6+000～S 9+000)，工程共分4期完成。

石首河段的护岸工程对于保持岸线和河势的稳定起到了重要的作用。

2.2 整治规划情况

目前，石首河弯是左汊为主汊的河道格局，与水利部1998年批准《长江中下游干流河道治理规划报告》提出的以右汊为主汊的发展方向不相适应。需针对石首河弯河道演变新情况，统筹兼顾防洪、航运和经济发展之间的关系，深入研究最后确定该河段的河势控制方案。

3 近期河道演变特性及其对已有护岸工程稳定性的影响

3.1 深泓线变化特点及其对已有护岸工程稳定性的影响

由图2可看出，1998年以来新厂至茅林口段主流贴左岸下行，首先深泓线在陀阳树附近从左岸过渡到右岸的天星洲，下行后又在古长堤附近过渡到左岸。随着上游水沙条件和河势的变化主流顶冲点在过渡段呈现上提或下移。1998—2002年鱼尾洲—北碾子湾段随着北门口岸线的崩退，顶冲点大幅度下移，2002—2009年该段深泓线较稳定。

图2 新厂—调关段深泓线近期变化Fig.2 Recent change of thalweg from Xinchang to Tiaoguan reach

由图1和图2可知，深泓线平面位置的变化即主流线的摆动和主流顶冲点的上提或下移对于已有护岸工程的稳定性将产生一定的影响。在主流长期贴岸段，由于水流顶冲作用将易引起崩岸，故在相应位置均实施有护岸工程，且需经常进行加固守护，如，茅林口—合作垸一带部分深泓线近岸段。当上游河势发生变化后，主流顶冲点发生较大幅度的上提或下移时，原有护岸工程部分可能失效，为防止新的深泓近岸段崩塌而需增加布置新的护岸段，如，鱼尾洲—北碾子湾一带随着深泓线的逐年下移，护岸段位置也在相应发生着调整［11］。

3.2 主要洲滩变化特点及其对已有护岸工程稳定性的影响

3.2.1 陀阳树边滩

陀阳树边滩自1998年以来逐步长大并向下游移动，2004年陀阳树边滩23 m高程等高线边滩较小，2006年23 m等高线边滩逐渐增大，2009年23 m等高线边滩继续增大，边滩下移至古长堤附近。

3.2.2 倒口窑心滩

1998年，25 m等高线新生滩和倒口窑心滩连为一体而成为大的新生滩，2000年该新生滩冲刷后退，在原新生滩头部以上区域泥沙淤积，形成新的倒口窑心滩，其与新生滩之间形成新的槽口。2002年倒口窑心滩与新生滩连为一体，2004年受水流作用在新生滩头部浅滩形成倒套，2006年该倒套被冲穿而重新生成倒口窑心滩，至2009年其进一步淤长变大。

3.2.3 天星洲洲体

天星洲洲体位于藕池口门附近。20世纪90年代后天星洲心滩不断下移，逐渐与天星洲连为一体，洲体位置基本稳定。但洲头逐年后退，洲体左缘呈现崩退的趋势。其中2002—2009年心滩累积有所淤长扩大。

3.2.4 石首弯道新生滩

石首弯道新生滩的冲淤变化受上游来水来沙条件和主流摆动的影响。1998—2002年石首弯道新生滩右移明显，但2002—2009年该新生滩变化较小。1998—2009年滩顶高程变化也较小。目前该新生滩和倒口窑心滩将石首河弯形成目前三汊分流的局面。

由于洲滩的冲淤变化对主流线的摆动起着一定的控制作用，相应对护岸工程的稳定性也将产生一定的影响，因此河道洲滩的冲淤变化对于已有护岸工程的稳定也将起着一定的影响。如，2002—2008年随着倒口窑25 m高程心滩的淤长左移，倒口窑左槽的水流贴岸冲刷加大，导致合作垸附近24+900～27+250一带近几年已护工程或河道岸线崩塌较多而进行了相应的加固或新护。

3.2.5 近岸局部冲刷坑变化

1)北门口－10 m冲刷坑

实测水下地形分析表明，2004年0 m冲刷坑面积变化不大，但冲刷坑位置下延，－10 m冲刷坑消失，2006年0 m冲刷坑面积有所减小，－10 m冲刷坑又出现，2009年1月0 m和－10 m冲刷坑面积均有所增加，最深点高程冲深至－13.7 m。

2)鱼尾洲—北碾子湾

鱼尾洲—北碾子湾段－10 m深槽1998—2006年位置上提下移交替变化，累积下移幅度较大。2006—2009年该深槽槽首继续下移约1 700 m。

由于洲滩的冲淤变化和局部冲刷坑的演变对主流线的摆动起着一定的控制作用，相应对护岸工程的稳定性也将产生一定的影响，因此河道洲滩的冲淤变化和局部冲刷坑的演变对于已有护岸工程的稳定也将起着一定的影响。如2002—2008年随着倒口窑25 m高程心滩的淤长左移，倒口窑左槽的水流贴岸冲刷加大，导致合作垸附近24+900～27+250一带近几年已护工程或河道岸线崩塌较多而进行了相应的加固或新护;北门口－10 m局部冲刷坑近期向下游冲刷发展对于桩号9+000段附近已护岸段2004—2008年的稳定也产生了一定的影响，有局部崩塌现象;北碾子湾段－10 m深槽一直均存在，近期受冲刷向下游有所延长，由于该处为凹岸同时受主流顶冲作用明显，局部已护岸段有崩塌现象。

3.3 河床演变趋势预估

近期石首河段河床演变主要表现为河床冲淤变化剧烈，藕池口段主支汊周期性变化，该段将在一定时期内保持左汊为主汊，预计今后本河段的演变特性和河势不会发生重大变化，但局部河段河床和洲滩仍存在冲淤交替变化。

4 结语

1)三峡工程2003年蓄水运用以来，石首河段冲刷较为剧烈，河道演变过程中对已有护岸工程的稳定性起着一定的影响，主要表现为主流线的摆动和主流顶冲点的上提或下移使水流对已护岸线的冲刷作用产生了影响，从而影响部分已护工程的稳定性。同时，由于洲滩和近岸局部冲刷坑的冲淤变化对主流线的摆动起着一定的控制作用，相应对部分护岸工程的稳定性也产生了一定的不利影响。

2)针对三峡工程蓄水运用后冲刷条件下石首河段可能出现的问题，应及时修订长江中下游干流河道治理规划中的相关内容，并继续付诸实施。同时为确保河势稳定和防洪工程安全，建议继续加强原型观测和演变分析研究工作，以便及时加固已有护岸工程。

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