长江江都嘶马段岸崩灾害的形成机理与防治对策

胡秀艳， 姚炳魁， 朱常坤

(1.扬州市江都区国土资源局，江苏江都225200； 2.江苏省地质调查研究院，江苏南京210018)



长江江都嘶马段岸崩灾害的形成机理与防治对策

胡秀艳1， 姚炳魁2， 朱常坤2

(1.扬州市江都区国土资源局，江苏江都225200； 2.江苏省地质调查研究院，江苏南京210018)

摘要：江岸稳定性取决于最大崩塌临界机制的驱动力和抵抗力的平衡，二者的平衡又受控于岸边坡形态、岩土组成、水流浪涌特征、植被覆盖等。崩岸是长江嘶马弯道床演变的一个重要方面。通过对嘶马弯道遥感解译图像资料进行对比分析，查清研究区江岸岸线特征及其变迁历程。为了揭示北岸崩塌产生的原因，通过野外踏勘、测量与钻探等技术方法查明该区地质基础条件，并基于实时动态定位技术(Real Time Kinematic，RTK)的水下测量数据建立典型剖面，分析凸岸和凹岸的水流运动特征及其对边岸的影响。从地质基础和水动力条件2个方面揭示嘶马段江岸坍塌形成机理，即具有上细下粗二元结构的边岸地层是岸崩形成的基础，丁坝回流和弯道螺旋流的掏蚀作用是岸崩形成的重要条件。并基于江岸稳定性现状及其发展趋势，提出相应的江岸整治措施。

关键词：长江嘶马弯道；江岸稳定性；遥感；RTK技术；岸崩机制；江苏江都

0引言

天然江河岸坡或洪漫滩地的崩塌破坏(简称崩岸)是一种危害性较大的自然灾害现象，在全世界各大江河普遍存在(Hagertyetal., 1981；Abam，1993)，而我国长江中下游崩岸现象尤为严重(王延贵等，2014)。

影响边岸稳定性的因素众多，相互作用复杂，许多学者对边岸坍塌问题进行了深入的探讨。马荣华等(2004)以岸线稳定性、岸前水深、岸前水域宽度和岸线陆域宽度作为评价因子，使用GIS叠加分析与格网分析技术对江苏长江段岸线进行了稳定性评价。张伟(2006)根据弯道内非均匀沙起动的临界条件，采用分层进行的河床冲刷粗化计算方法，计算了嘶马弯道的冲刷深度。美国农业部农业研究局(USDA-ARS)提出的BankStabilityandToeErosionModel(BSTEM)是一个用于预测河岸稳定性与坡脚侵蚀速率的模型(冉冉等，2011；Midgleyetal.，2012)。王博等(2014)利用BSTEM模型计算了长江中游荆江出口典型断面在不同岸坡形态、水位条件、坡脚横向冲刷距离等条件下的河岸稳定安全系数。刘艳锋等(2010)研究发现，当水体沉积物负荷过高时，BSTEM模型计算的侵蚀量数值偏低，该模型与河岸崩塌机理不能完全匹配。姚志雄等(2015)认为渗流潜蚀是岸坡崩坍的一个重要成因，并基于实际岸坡的潜蚀破坏过程，使用解析方法对堤岸剪切与倾覆2种破坏模式的失稳机理进行分析。张文春等(2010)则指出：由于库岸稳定性问题具有高度的非线性和不确定性，应用非线性理论方法进行稳定性评价才能得到与岸坡实际情况相符的结果。徐佩华等(2007)采用BackPropagationNeuralNetworks(BPNN)对三峡水库的上游库岸进行了稳定性等级判断，并使用经验公式法对计算结果进行了验证，但BPNN的结构设定具有主观性，其训练得出的网络参数缺少物理含义。综合以上研究成果可以发现，影响崩岸的因素很多，对于具体的崩岸岸段，应在研究崩岸共性的基础上，具体研究河岸土质、结构、水流条件及人类工程活动等各方面的因素，才能揭示具体的崩岸段成因机制和提出正确的防治对策。

长江江都段嘶马弯道是长江中下游著名坍段，历史上曾多次发生江岸坍塌(于俊杰等， 2013)。2015年5月25日至6月初，长江将都嘶马弯道东一坝及下游，连续发生3次坍江险情，东一坝坝尖坍失、坝根坍损，下游岸线东西坍长35m，南北坍宽20m。1984年7月21日，此处红旗河口两侧曾发生特大崩坍，63h内坍去土地11.5hm2，造成严重的土地和财产损失。针对嘶马弯道岸崩灾害频发的现状，结合国内外研究成果，在传统的野外调查和钻探勘查的基础上，利用遥感解译(黄家柱，1999)和RealTimeKinematic(RTK)(Kelleretal.，2001)水下测量资料，从岸线变迁、地质条件、水流特征和防治对策等方面对嘶马弯道岸崩现象进行论述，着重分析地质条件和水流特征对岸崩灾害的影响，对该地的江岸崩塌治理有一定的理论和现实意义。

1江岸变迁历史

长江江都嘶马弯道位于长江下游扬中河段上游段，该弯道上起丹徒县五峰山，下至泰州市高港，全长25km，曲率半径5～6km，弯顶处小于4km，为一向北凸起的分汊型陡弯河道。本次研究区范围江北岸西起淮河入江三江营河口，东至南关河口，全长15km；江南岸西起扬中夹江、东至二墩港，全长16.5km。行政区划上江北岸隶属于江都区大桥镇和嘶马镇，东南侧位于泰州市高港区境内，江南岸则属于扬中市新坝镇与丰裕镇管辖范围(图1)。

图1　研究区范围Fig.1　Map showing the range of the study area

通过对比分析4份不同时期的岸线遥感数据图像及其计算机合成处理结果，得到嘶马弯道半个世纪以来的岸线变化特征(图2)。嘶马弯道北岸岸线年年北移，从西至东规模不同。三江营—杜家汪一线江岸：1954—1964年间平均崩退450m，1964—1984年间岸线后退300m，1984—2001年间后退150m，崩退速率逐渐降低；杜家汪—东二坝之间江岸：1954—1964年间平均崩退500m，1964—1984年间岸线后退400m，1984—2001年间由于护岸工程的修筑，岸线后退不明显；东二坝—江泰交界处：1954—1964年间平均崩退550m，1964—1984年间上段岸线后退较大可达600m，下段相对较小为200m，1984—2001年间岸线崩退评价达到400m；江泰交界处—南官河口：1954—1984年江岸稍有崩退，近几年趋于稳定。在北岸发生大规模崩退的同时，南岸也略有后退，但幅度较小：1954年以来，南岸线东西段变化不大，中断即鄂家港—铁皮港一带，江岸迅速淤长，岸线以每年25m的速率北移。

图2　长江江都嘶马段江岸变迁遥感解译图Fig.2　Remote sensing interpretation ofriverbank transformation inthe Sima bend of Jiangdu, Yangtze River

顶冲点的变化：1954年长江嘶马段的顶冲点位置在三江营一带，20世纪60年代在西七坝上游附近，70年代已移至嘶马红旗河口附近，90年代到达新桥港附近，而今弯道顶冲点在杨湾港附近。说明嘶马弯道顶冲点具有随时间不断下移的趋势。

深泓的变化：嘶马弯道自20世纪50年代至今，

深泓线大部分时间处于左摆趋势，尤其是90年代初期嘶马河口左摆速率一度达到96.6m/a；深泓右摆主要发生在1985—1991年，期间在杜家汪和临江一线，右摆速率为30.0m/a。

2岸崩灾害形成机理

2.1地质条件

研究区为第四系覆盖区，厚度80～280m，产状平缓，岩性上细下粗，具有现代河流沉积物组成的二元结构特征(夏军强等，2013)：上部为第四系全新统如东组(Qhr)，岩性主要为淤泥质粉质黏土和粉砂，属于河流冲积相沉积；下部为第四系上更新统(Qp3)，岩性主要为含砾细砂和中粗砂，属于河床相沉积。弯道北侧下伏白垩系上统赤山组(K2c)粉砂岩、含砾砂岩；弯道南侧下伏白垩系上统浦口组(K2p)含砾粉砂岩、砂岩、角砾岩等。

根据原状土样工程性质测试结果，可将研究区内70m以浅土层分成3层，其中第1和第2层属于第四系全新统如东组(Qhr)，第3层为第四系上更新统(Qp3)。另外，根据岩性组合与力学指标(标准贯入击数)，进一步将第1、第2层分别细分为4个、2个亚层，各层土的抗冲和抗剪性质指标测试结果如表1所示。其中，起动流速Uc由沙莫夫公式计算获得(童思陈等，2008)。

表1　各土层抗冲、抗剪指标

选择窝崩灾害严重的红旗河口，建立工程地质剖面(图3)。

结果显示，组成江岸的土层以淤泥质粉质黏土和粉砂为主，抗冲性能较好的粉质黏土分布于其顶部，厚度1～2m，埋深20m处皆有1-2和1-3亚层组成，起动流速Uc均小于1.0m/s。红旗河口以西地表6.7m以下为厚层粉砂，河口以东浅部主要为淤泥质粉质黏土。红旗河口东西两侧的岩性不同，这是岸崩主要发生在河口西部的一个重要内在原因。

图3　红旗河口工程地质剖面Fig.3　Engineering geological profile of the Hongqi estuary

2.2水文地质条件

据统计，长江崩岸多发生在退水期和枯水期，说明水文地质条件对堤岸自身稳定性有较大影响。当汛期长江水位高于堤岸地下水位时，江水渗透入堤岸土体，产生向内的渗透力，对江岸稳定性产生积极作用；而当枯水期长江水位偏低时，地下水向长江排泄，产生向外的渗透力，地下水位比江水位越高，渗透力越大，对岸坡的稳定越不利。

在嘶马弯道，为了控制河势、保护岸滩、束水攻沙及奎高水位，20世纪70年代以来，陆续修筑了约10km的丁坝、沉排和抛石等堤防工程，这些建筑在嘶马弯道冲积层上的水利设施，上部为粉质黏土，下部为淤泥质粉质黏土和粉砂，上、下层之间存在渗透系数差异，具备承压渗流的双层基础。汛期堤脚饱和变软、堤内地面沼泽化，枯水期堤内脚承受剪切渗流应力作用，影响岸坡的稳定。

2.3水流条件

弯曲河道以弯道中心线为界，其水流的流速在凹岸和凸岸有着不同的运动规律。基于RTK水下测量数据可以在弯道任意位置建立横断面，分别选取西七坝、五圩码头和杨湾港3个典型剖面(图4)，参照王平义等(1994)的研究成果，分区域计算弯道纵向平均流速。结果显示，流量最小时，嘶马岸坡凹岸附近的流速在0.31～0.95m/s之间，流量最大时，流速最高可达1.56m/s，弯道内最大纵向垂线平均流速出现在凹岸附近最大水深处，与实测资料吻合，且几处剖面皆存在明显的弯道螺旋流现象。螺旋流是纵向水流在弯道转向过程中引起横向水位发生变化、在重力作用下产生的一种次生流速(李爱香等，2009)。另外，水流在丁坝上游受到压缩，坝下断面突然放大，水流因分离形成了狭长的回流区。回流区内弯道螺旋流使表层水流横向分流至凹岸，底层水流流向凸岸(图5)。该弯道流对凹岸具有较强的掏蚀作用。特别是在长江汛期，降水流量大，挟沙能力强，螺旋流对江岸进行掏蚀后使岸坡变陡、悬空，进而出现崩塌，环流进一步逼近岸边，循环往复，使岸线不断后退。与此同时，凸岸则处于淤长状态，使长江河道江底地形呈现不对称的“U”形。

图4　长江江都嘶马弯道长江横断面图Fig.4　Cross section of Yangtze River in the Simabend of Jiangdu, Yangtze River

图5　弯道螺旋流示意图Fig.5　Sketch showing spiral flow at bend(a) spiral flow plan; (b) cross-section

3稳定性与防治对策

根据地质调查、工程钻探与测试、遥感解译、水下地形测量资料及室内分析计算结果，长江江都嘶马段北侧江岸的稳定性状况有3种，自西向东分为4段(图6)：(1)三江营—杜家汪一线，长2km，岸线曲折，护岸工程断续分布，横向变迁仍在继续，但幅度较小，存在微型坍塌；(2)杜家汪—东二坝一线为基本稳定岸段，长5km，该段江岸大部分为丁坝群护岸所在位置，丁坝群护岸初期窝崩现象发育，在河势的自然调节作用下趋于稳定状态，但该段西七坝附近由于深泓近岸，水流紊乱，存在发生大规模崩塌的可能性；(3)东二坝—江泰交界段，长4km，为暂时稳定地段，该段在护岸之前崩塌时常发生，在护岸工程之后则处于稳定状态，且有少量边滩发育，但随着南岸的不断淤长，过江断面减小，流速增大，深泓左移，仍存在崩塌的可能；(4)江泰交界—南官河口段，长4km，为基本稳定岸段，该段护岸较好，岸线与河势基本稳定。

图6　江岸稳定性现状图Fig.6　Map showing current situation ofthe riverbank stability

针对嘶马弯道江岸稳定性现状及发展趋势，—先要加强雷公咀洲头的防护，避免其继续下移，加固长江和夹江交汇处的三江营顶点，避免弯道螺旋流对其产生掏蚀作用，控制河势演变；二要从根本上消除坍江隐患，需采用灌注桩法、压密注浆法等必要的地质工程措施加固江岸，特别是在东二坝—江泰交界处，虽进行了平顺抛石，但随着南岸继续大面积淤积，过江断面减小，且处于顶冲点位置，一旦遇到上游较大来水且汇流点左移时，存在失稳隐患。三要对可能发生较大地质灾害的地区，如西七坝附近、前临江一带加强监测，及时掌握地面动态，对北岸水情、水下地形进行定期跟踪监测，以便进行资料对比，掌握其变化规律。

4结论

(1) 通过分析遥感解译资料，可以得出嘶马弯道半个世纪以来岸线、顶冲点和深泓等变化规律。通过野外勘查、钻探与测试结果，将研究区内70m以浅土层分成3层7个亚层，建立了该区标准地层剖面，查清了江岸土体结构与工程地质特征及北岸土层空间分布情况。为该地区进行江岸整治、开发利用提供了基础。使用RTK水下测量数据，建立3个典型横断面，分别计算弯道处纵向流速。揭示了江岸坍塌与软弱易冲刷的江岸土体结构及弯道水动力条件相关，即窝塘内的反向环流对抗冲性较差的红旗河口西江岸进行掏蚀，致使岸坡失稳而引起水下连锁滑坡，进而引起江岸坍塌。

(2) 根据室外调查与室内分析计算结果，将嘶马弯道北侧江岸划分成4段，分别进行稳定状况评估。结果显示，杜家汪—东二坝及江泰交界处—南官河口为基本稳定岸段；三江营—杜家汪为稍有崩塌岸段；东二坝—江泰交界处为暂时稳定岸段。基于对灾害形成原因的分析，并结合稳定性现状与发展趋势，提出要控制河势演变，具体措施主要包括防止雷公咀洲头的继续下移，降低弯道螺旋流对三江营顶点的掏蚀作用，在东二坝—江泰交界处开展必要的护岸工程，加强西七坝与前临江一带的监测工作。

参考文献：

黄家柱,1999. 遥感与地理信息系统技术在长江下游江岸稳定性评价中的应用[J].地理科学，19(6): 521-524.

李爱香, 孙一, 赵小娥, 2009.U形弯道水流试验及其数值模拟[J].长江科学院院报,26(9): 29-31.

刘艳锋,王莉,2010.BSTEM模型的原理、功能模块及其应用研究[J].中国水土保持，(10): 24-27.

马荣华, 杨桂山, 陈雯, 等, 2004.长江江苏段岸线资源评价因子的定量分析与综合评价[J].自然资源学报,19(2): 176-182.

冉冉，刘艳锋,2011.利用BSTEM模型分析库岸边坡形态对其稳定性的影响[J].地下水,33(2): 162-165.

童思陈,许光祥， 2008.河湾岸坡泥沙起动流速研究[J].水利学报,39(11):1167-1173.

王平义,方铎, 蔡全德, 等, 1994.弯道水流的三维解法[J].水利学报,25(2): 57-64.

王博, 姚仕明, 岳红艳, 2014.基于BSTEM的长江中游河道岸坡稳定性分析[J].长江科学院院报,31(1): 1-7.

王延贵,匡尚富,2014.河岸崩塌类型与崩塌模式的研究[J].泥沙研究,(1): 13-20.

徐佩华, 陈剑平, 阙金声, 等， 2007.基于人工神经网络的三峡水库库岸稳定性分级[J].吉林大学学报(地球科学版)，37(3): 564-569.

夏军强, 宗全利, 许全喜, 等,2013.下荆江二元结构河岸土体特性及崩岸机理[J].水科学进展,24(6):810-820.

于俊杰, 魏乃颐, 蒋仁, 等, 2013.长江 (镇江—泰州段)崩岸地质灾害类型、特征及成因机制[J].资源调查与环境，34(2): 127-132.

姚志雄, 周健, 吴波, 2015.渗流潜蚀作用下堤岸的崩塌机理研究[J].水力发电学报,34(9):52-58.

张伟,2006.长江江都嘶马弯道冲刷深度研究[D]. 江苏南京: 河海大学.

张文春, 陈剑平, 张丽, 2010.基于支持向量机的三峡工程丰都县水库库岸稳定性评价[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),29(1): 112-115.

ABAMTKS, 1993.FactorsaffectingdistributionofinstabilityofriverbanksintheNigerdelta[J].EngineeringGeology, 35(1): 123-133.

HAGERTYDJ,SPOORMF,ULLRICHCR, 1981.BankfailureanderosionontheOhioriver[J].EngineeringGeology, 17(3): 141-158.

KELLERRJ,NICHOLSLANGEAF, 2001-03-06.Methodsandapparatusforprecisionagricultureoperationsutilizingrealtimekinematicglobalpositioningsystemsystems:USA, 6199000[P].http://www.freepatentonline.com/6199000.html.

MIDGLEYTL,FOXGA,HEERENDM, 2012.Evaluationofthebankstabilityandtoeerosionmodel(BSTEM)forpredictinglateralretreatoncompositestreambanks[J].Geomorphology, (145/146): 107-114.

Formation mechanism and prevention strategies of bank collapsing at Sima Bend of Jiangdu in the Yangtze River

HU Xiuyan1, YAO Bingkui2, ZHU Changkun2

(1.LandResourceBureauofJiangduDistrictinYangzhouCity,Yangzhou225009,Jiangsu,China; 2.GeologicalSurveyofJiangsuProvince,Nanjing210018,Jiangsu,China)

Abstract：Bank stability depends on the balance of driving force and resistance of the largest collapse critical mechanism, and this balance is controlled by the shape of shore slope, rock composition, water surge characteristics and vegetation cover. Bank collapse is important for the evolution of the Sima bed in Yangtze River. Based on the interpretation of remote sensing images of the Sima bend, we determined the characteristics of the riverbank shoreline and the transformation of the Sima bend in Jiangdu of Yangtze River. In order to reveal the causes of the bank collapse of the north shore, field reconnaissance, measurement and drilling techniques were used to illuminate the geologic conditions of the study area. In addition, we established typical profiles based on Real Time Kinematic (RTK) underwater measurement data to analyze flow features of concave and convex banks and their impact on the edge of the shore. The formation mechanism of the riverbank collapse in Sima bend was revealed from the aspects of geological and hydrodynamic conditions. Shore side formation with an upper fine and lower coarse dual structure is the basis for the formation of bank collapse, and the undercutting role of groin recirculation and spiral flow is important for its formation. Based on the current situation and development trend of riverbank stability, we proposed appropriate riverbank remediation measures.

Keywords：Sima Bend of the Yangtze River; riverbank stability; remote sensing; Real Time Kinematic technique; mechanism of bank collapse; Jiangdu in Jiangsu Province

doi:10.3969/issn.1674-3636.2016.02.357

收稿日期：2015-12-20；编辑：蒋艳

基金项目：江苏省地质勘查基金项目“扬州市江都区地质环境综合调查评价”(苏财建[2014]278号)、“江苏省江都市嘶马弯道江岸稳定性地质调查”(2000-184)

作者简介：胡秀艳(1974— ),女, 高级工程师，从事矿产地质、水工环地质研究与管理工作，E-mail： xiuyan009@sina.com

中图分类号：P642.21； X43

文献标识码：A

文章编号：1674-3636(2016)02-0357-06