崩岸预警综合评估法研究与应用探讨

曹双 蔡磊 刘沛

摘要：三峡工程运行10余年以来，长江下游含沙量锐减，水流富余挟沙能力增大，长江河道普遍处于冲刷态势，各河段都有崩岸灾情发生。各级水利部门对此高度重视，并开展了一系列监测和预警分析工作。从引发崩岸的主要因素出发，建立综合评估法，对各因子的评估技术手段、要求等做了详细介绍，并展示了相关输出成果。该方法采用的技术手段常规通用，具有可操作性，能满足预警分析的时效性要求;考虑相对齐全，主要因子无缺失，分析从整体到局部，采用系列资料且着重当前资料，各独立因子基本都能做到量化分析，得到的结论可靠，可作为防汛减灾工作的技术依据。

关键词：崩岸预警;综合评估法;河道演变;水文情势;数学模型;岸坡稳定;定级标准

中图分类号：TV85

文献标志码：A

DOI： 10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.08.006

1 研究背景

崩岸是河道水流与河岸土体相互作用的结果[1]，具体体现为河道岸坡受水流冲刷持续崩退的物理过程[2]。目前长江中下游河道的崩岸类型按照平面形态大致可划分为3类：窝崩、条崩和洗崩[3-4]。就长江下游河道而言，窝崩和条崩数量占崩岸总数的90%以上，其危害程度也相对大[5]。长江下游崩岸具有突发性、危害性、诱发因素多等特点，且各类因素相互交织，互相影响，加之人类活动影响，其成因复杂，机理上很难精准预判发生时机及规模，建立一套科学的预警判断方法能降低防治投入，减少崩岸水损事故发生。

余明辉[1]等对崩岸机理展开研究，总结了不同河岸的崩岸特点，从土力学的角度提出了不同边界土层河道岸坡的极限坡比以及易发崩岸段深泓离岸距离占河宽百分比。据该项研究成果，在水道地形图较新及地质情况清楚的条件下，能快速判断岸坡稳定情况，缺点是仅是定性分析，未对引发崩岸的其他重要因子进行统计分析。褚明华等[6]对近期长江下游河道崩岸险情进行了统计，内容包括崩岸类型、发生时间、长度及分布等，从管理的视角提出了崩岸险工段应将监测与治理相结合，建立长江崩岸抢护长效机制，全面加强长江河道管理。刘东风[7]以长江安徽段为例进行长江河道崩岸预警方法探索，建立崩岸预警标准及应对措施，探讨预警的发布和相应防范措施。该研究中崩岸预警采用的技术分析手段为河势分析与岸坡稳定计算相结合。该研究较为先进且首次进行崩岸应急管理机制系统性探讨，研究方向偏向管理，其预警分析方法及手段也考虑了诱发崩岸的主要因子，但从技术视角出发，作为崩岸预警分析的指导尚有考虑不足之处。

以上研究均未从技术分析的角度进行崩岸预警综合分析。本文从影响崩岸的主要因子出发，探讨崩岸预警的评估方法，该评估方法应具有如下特征：①全面性。不能遗漏引发崩岸的重要因子;②可行性及快速性。分析的基本资料容易获取，技术手段通用，不宜过于复杂，便于快速分析，得出预警报告;③准确性。评估结果应对防汛减灾具有明确的指导作用，不能停留在定性分析阶段，各指标及因子尽可能量化。据此，本文从水文情势、宏观河演、局部河演、岸坡稳定4个影响崩岸的重要因子出发，以技术分析为依据，并考虑人类活动影响（含整治、护岸、港口水运、过江通道工程，采砂活动），建立综合评估法，并以扬中河段太平洲为例进行探讨研究，技术路线见图1。

2 基本资料

基本资料为预警技术分析提供支撑，资料要求具有系列性、多样性、代表性、现势性：①系列性即为资料需具有一定连续性，保证为在相同或近似成因下的资料，如河道地形资料，可选择1998年以来的资料，既包括了三峡水库蓄水前后时间段，又是长江下游河道系统整治后基本稳定态势下的资料。②多样性是根据崩岸多诱发特征决定的，诱发崩岸的主要因素包括河道冲淤、水文情势、边界地质条件、人类活动影响，因此需要相关专业的基本资料作为技术分析依据，含长程水道地形资料、局部大比例地形监测资料、水位及流量资料、险工段附近地勘资料、人类活动情况（各类整治工程、水运工程、桥隧工程、采砂活动等）。③代表性是指对引发崩岸比较重要的资料，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对应的河道地形及水文资料。④现势性是指用于分析的基础资料须体现当前最新的情况，崩岸险情及险级处于动态发展中，如2019年汛前预警分析，基础资料须至2019年，局部针对性资料必须于2019年汛前实测收集，该项资料必须采用大比例河道地形及断面资料，比例尺过小达不到分析精度要求，会导致出现漏判、误判等情况。

3 水文情势分析

水文情势分析主要是从系列资料进行来水、来沙的统计分析，进而摸清河道演变的外部环境。

采用宏观与微观相结合的分析方法。长江下游可选择大通水文站作为代表站（见表1），分析水文情势的变化，说明宏观河演所处的水文环境。一般而言，大水小沙年是易诱发崩岸的水文组合。微观方面，在所分析的河段选择代表性水位（文）站进行特征值统计，含年内最大水位变幅、超警戒水位运行天数、汛期水位变幅、汛期平均水位、水位消退速率等，这些是直接影响预警河段崩岸险情的重要因子。

三峡水库蓄水运行以来，大通站年内水沙分配及其组成出现一定程度的调整和变化，其中年最大洪峰过程较以往趋缓，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减小，沙量也略有减少。另外，年内汛期的输沙率减小幅度明显大于水量的减小。

上游来水来沙主要集中在汛期，主汛期尤大。三峡水库蓄水以来，主汛期来水量减小幅度约10%，但是沙量减小幅度接近70%，三峡工程对汛期输沙量的调节明显大于径流量调节。镇江潮位站、南京潮水位站数据及相关研究成果表明：主汛期同流量级下，长江下游水位比20世纪有明显抬高，其主要原因是河道束窄，岸线高度开发利用，水流下行不及之前顺畅，导致主汛期两岸高滩地带浸泡在江水中的范围和时间都明显增加，2016年洪峰及洪水总量不是最大，但是高于45 000 m3/S的造床流量作用天数最多，地质较差区域经过长期江水浸泡后，岸坡稳定性有所下降。

曹双等[8]通过对南京水位站多年水位资料对比分析发现，三峡水库蓄水前后，高流量级下水位发生趋势性壅高2.65 cm，其中2016年洪峰流量及水量并非最大，但是平滩流量级以上天数最多，南京站超警戒水位天数达到30d，河岸长期在高水位浸泡下，强度降低，易在水位消落期发生崩岸。虽然2016年南京河段并未发生崩岸事件，但从该因子分析，在其他因子保持相当的前提下，该年度江岸遭受的水文情势考验要大于往年，单纯从水文情势上看，该年度的崩岸风险概率要高于往年。

4 近期河演分析

4.1 宏观河演分析

宏观河演分析的目的在于揭示险工段所处的宏观河势环境，分析在不同水沙组合作用下河道冲淤变化规律，总结宏观河道演变特征，预判近期演变趋势，为易崩段作出定性指导，即判断崩岸的环境和条件在转好、转坏抑或保持相对平衡。可采用相对简单易行的因子分析法进行具体分析，先分析各因子，最后归纳汇总。采用由分到总的分析方法，具体分析流程见图2。

以扬中河段为例，宏观河演主要结论如下：扬中河段进口段由于上游大港水道的稳定少变，五峰山节点的长期控导以及历年来的河道整治工程，宏观河势得到控制，河道平面形态及两岸岸线总体基本稳定。

1998年以后太平洲左汊嘶马弯道，在连续实施的护岸整治工程作用下，左岸崩退基本得到扼制，嘶马弯道河势总体基本稳定，顶冲点位置总体变化不大，但局部岸坡较陡，深槽贴岸，仍需要加强关注。

为改善落成洲两汊分流比，航道部门进行了落成洲守护工程，工程完工后，落成洲右汊分流比增加趋势有所减缓。

嘶马弯道到二墩港是主流过渡段，二墩港至泰州大桥一侧为右支水流顶冲位置，不同水文年顶冲位置上下略有移动，总体不超过现有的范围。嘶马弯道以下水流分左右槽下行，近些年以来河道主泓由以往的大水趋中、小水分边逐渐演变成以靠扬中侧右槽为主的格局，右槽水流动力增强，深槽发展迅速。二墩港至小决港鳗鱼沙水域，近期演变过程中的主要变化是：心滩以上分流点的上提、下挫，而左、右两支深泓线摆幅较大。在大水年份里，随着分流点下移，一般水文年里分流点上提。在鳗鱼沙滩头守护后，以上变化幅度和趋势减缓，分流点在大水年下移幅度减小，左右两支主流走向仍将贴岸下行。长期来看，随着河床的自动调整作用，深泓线横向摆动变化幅度将趋小。

崩岸段今后较长时间内仍将保持主流顶冲、前沿深槽贴岸的态势，由于该段未进行系统的护岸和岸线守护，因此，二墩港至泰州大桥一侧的岸线守护非常必要和迫切，演变趋势与来水来沙条件密切相关。目前，冲刷坑最深已至-50 m以下，进一步下切的幅度有限，若后期来水以中、小水为主，则深槽范围及变化会相对较小;若来水较大，则深槽范围会进一步扩大，在本次岸线守护应急治理工程完成、局部岸线抗冲性得以提高后，深槽的扩大方向将会以向外侧及下游侧延伸为主，因此，需加强大桥下游段，尤其是近岛段的水下地形监测。

4.2 局部河演分析

局部河演分析采用测次新、比例大的测图资料，目的在于定量分析险工段当下河势环境：近岸冲刷量、冲刷厚度、深槽逼岸距离、坡脚是否掏刷以及在不同水沙组合作用下近岸险工段局部范围内冲淤变化规律，最终结合水文情势预判各段的稳定性及变化趋势，为易崩段处理提供重要参考。视崩岸段险情变化，初步判断各段相应对应措施：维持常规监测、加密监测、进行防护加固工程。采用相对简单易行的因子分析法，见图2。

以扬中河段为例，通过2019年汛前实测河道地形及断面资料与近期大比例地形及断面资料对比分析得到如下结论。

通过2019年汛前实测资料套汇近期资料，总体上险工段近岸平面变化不大，二墩港崩窝及小炮沙崩窝略有回淤，平面上近期变化较大处在：①落成洲洲头右缘近岸坡陡、水深，最深点下切;②丰乐桥段出现坑洞地形，最深点2018-2019年枯期内下切幅度达到7.5 m;③太平洲洲头有岸线冲退，深槽逼岸扩大趋势;④夹江大桥下游小炮沙右汊内-25 m槽相隔较近，下游两处深槽冲刷扩大联通。

近期省、市两级险工段断面变化较大处为落成洲右汊右岸TPZL-CS3+800断面，2017年以来TP-ZL-CS3+800断面持续冲刷形成冲刷坑，目前最深点高程为-36.4 m。

近岸局部大比例地形冲淤显示，2018-2019年枯水期内，左汊内太平洲左缘近岸河床两头淤积，中间微冲，整体呈微淤。指南村崩窝内进一步回淤;夹江内整体冲淤平衡，小炮沙左汊兴隆弯道段持续微淤，其余部位普遍微冲，洲头右缘处冲刷相对较大，平均冲深达到0.30 m;炮子洲右缘近岸整体微淤，平均淤积厚度0.05 m。

近岸坡比统计结果表明，2019年汛前扬中市环岛近岸坡比大于1：2，坡高在10-15 m范围的有23处，这些部位处于崩岸风险相对较小;有15处近岸坡比大于1：2，坡高在15-20 m之间，这些部位有一定的崩岸风险;有9处近岸坡比大于1：2，坡高超过20 m，这些部位崩岸风险相对较大。

5 数学模型计算研究

为了分析河道水流对易崩险工段的影响，本次计算模型选择DHI公司的MIKE21平面二维水流运动数学模型进行研究[9]。

以扬中岛为例，重点阐述研究思路并介绍所得结论。

5.1 基本资料及计算工况

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

（2）水流。模型采用计算河段2017年8月的实测水文资料进行率定，采用计算河段2017年2月的实测水文资料进行验证计算。水文测验布置见图3。所采用的基本资料有时效性要求，且水文测验时间与地形测绘时间不宜偏差太大，以保证模型计算的精度。

（3）计算工况。计算工况的选择需要具有崩岸预警的针对性，高流量级下易发生大水直接冲垮堤岸;平滩流量造床作用明显，险工段区域河床易发较大冲淤变化;水位快速消落期迎水坡水位快速下降，水压力的分项抗滑力减小，堤后高水位渗流力作用下易发崩岸;枯水位下易发生滑坡性崩岸。数学模型应充分考虑这些因素，直接分析各工况下险工段区域水位、流速的分布，为崩岸预警提供指导，间接为岸坡稳定分析计算提供边界条件。计算工况见表2。

5.2 模型计算成果

数模计算初步结果表明，主流线随流量级不同而变化，除左汊进口段及落成洲左汊外摆幅相对较大外，整体摆幅不超过断面河宽10%（见图4），主流路线大致一致，约43%断面处出现随着流量增大主流趋向扬中岛一侧，较明显的部位有洲头左右缘、小炮沙左汊出口段、落成洲右汊出口段，这些部位应预防大流量级下主流对环岛近岸河床冲刷导致的岸坡失稳，在滩地狭窄区域甚至直接冲垮洲堤。近岸单宽流量和近岸断面形态及总流量级有关，近岸坡陡水深处，单宽流量要显著大于坡缓水浅处;整体上近岸单宽流量随着流量级上升而增大，但局部段也有接近甚至反超现象，如ZC5断面处（崩窝区）30 000m3/s流量级下近岸流量甚至大过防洪设计水位下流量，也说明这几个部位水流相对集中。从计算流速场结果来看环岛近岸流速基本随流量级升高而增大;从沿程分布来看，30 000m3/s流量级下落成洲洲头右缘及对岸太平洲洲头左缘近岸流速仍有0.8 m/s，太平洲洲头左右缘及泰州大桥左汊大桥下游侧近岸流速在0.7 m/s左右（图5），说明这些部位沿岸水流长期处于较大流速作用下，近岸河床处于易冲区。

6 岸坡稳定分析计算

对岸坡稳定进行定量评估，计算工况可参照GB 50286-2013《堤防工程设计规范》[10]的要求，同时针对崩岸易发的因素展开，如：高水位下只要考虑背水坡滑坡，枯水位下考虑迎水侧滑坡。采用总应力法和有效应力法进行计算，其中稳定渗流期抗滑稳定分析采用有效应力法，水位降落期采用总应力法计算，计算方法可选用瑞典条分法或简化的毕肖普法[11]。根据岸坡稳定影响因素的分析，考虑岸坡各种不利情况，确定堤坡稳定分析的工况。限于篇幅不举例说明。

7 险工段定级

7.1 影响因子综合评估

首先根据宏观河演及水动力分析成果（各流量级下都处于水流顶冲的区域、深槽贴岸区）确定重点防崩岸段。再结合局部监测分析成果确定一级预警段具体范围，通过汛前监测反映持续处于冲刷状态且近岸坡陡流急、坡高大、坡脚掏刷，近岸滩地狭窄、防护薄弱、岸坡稳定计算安全富余系数较小的断面。水文情势则作为相对独立的因子，即水位的快速涨落、持续高低水位的作用时间，不影响预警段的定级判断，只是在程度上影响各段崩岸的风险，同等情况下，持续高低水位时间较长或者水位波动过快，会增加各段的失稳风险。

二级预警段一般在一级预警段上下游分布，对于宏观河势处于冲刷状态，但汛前监测反映近岸河床有所回淤、坡陡流急、坡高相对较小、坡脚稳定区域，数学模型计算表明近岸单宽流量、流速随水位级降低而减小，近岸滩地相对较宽、有护岸工程或码头工程掩护段。三级预警段为宏观河势处于冲淤平衡状态，监测反映近岸河床无明显冲刷、陡坡高差相对较小、坡脚外有较宽滩地，数学模型计算表明主流离岸相对较远、近岸单宽流量及流速随水位级降低而明显减小，近岸滩地较宽、有护岸工程或者码头工程掩护段。

7.2 影响因子分析及快速判断

崩岸预防的综合评估法考虑了所有影響因子，是相对科学合理的方法，但难点在于建立定量的判断模型、确定各因子的影响权重。本文在定性分析的基础上，尝试量化分析，至少在各因子内部及局部因子之间建立量化分析关系。

各影响因子的关系错综复杂、相互交织影响，不同时机主次矛盾也会相互转化。如：水动力的主流贴岸区，往往也是深槽贴岸段，如太平洲左缘二墩港至小决港一带、小炮沙左汊弯顶区域;涨水期间岸滩失稳，往往是主流冲刷或掏刷为主导因素，退水期及枯水期失稳的主要因素往往是临水侧水位较低，抵抗下滑力下降或孑L隙水应力来不及消散的岸坡稳定性失稳，主导因素为土力学范畴。

对于汛前的崩岸预警，其主要影响因素在于水流动力及河势稳定，水文情势可作为外部放大或缩小影响量，不影响各段的相对稳定性排序，地层条件、岸坡稳定在涨水期可视作次要因素。

太平洲左缘一带指南村崩窝、铁匠港、新韩通船厂上下游区域及小泡沙左汊弯顶区域长期为主流贴岸、深槽逼岸、坡陡流急区域，也是崩岸预防的重点岸段，而具体的起止断面号则是根据汛前监测成果对比分析得到，如冲刷较大区域、坡比陡峻及坡高较大区域。丰乐桥段由于航道治理工程控制落成洲右汊的发展，连续丁坝群下游区域河床冲刷剧烈，威胁岸滩稳定，故该段也作为一级预警段。

太平洲洲头处于分水主流顶冲区，长旺弯道、六圩港弯道及炮子洲左缘区域，近岸流速相对较大，存在零散的大小深槽，这些区域总体属二级预警段的分布区，具体部位则是根据2019年汛前实测资料进行断面套比、冲淤分析、坡比、坡高进行统计分析，确定具体起止点。

7.3 成果展示

对综合分析生成的各险工段情况应简洁、明了地予以展示，有助于直观、清晰地掌握各险工段动态情况。考虑图表结合展示，通过图明确展示各段分布情况，如险工段三级区分位置、桥隧分布、断面形态、断面流速等信息;表应详细标注位置、长度、滩宽、码头设施、护岸工程、主流离岸距离、对策建议等信息，便于防汛减灾等部门专业人员查阅和使用。以扬中岛为例，2019年汛前监测重点段及辖市段54 km中一级崩岸预警段情况见表3。

8 结语及展望

崩岸的诱因很多，形成的机理也很复杂，目前的研究水平尚未能完全揭示，相关的研究大多从几个主要诱因出发，如河势分析、水动力分析、岸坡稳定性分析等，在预警水平上也不能完全做到量化分析，无法精准预测崩岸发生的时刻及尺度。对易崩岸段进行适量频次的大比例地形监测并及时进行分析预警是预防崩岸发生的有力手段。本文从引发崩岸的主要因素出发，建立综合评估法，对各因子的评估技术手段、要求等做了详细介绍，并展示了相关输出成果。该方法采用的技术手段常规通用，具有可操作性，能满足预警分析的时效性要求;考虑相对齐全，主要因子无缺失，分析从整体到局部，采用系列资料，着重当前资料，各独立因子基本都能做到量化分析，得到的结论可靠，可作为防汛减灾工作的技术依据。

人类活动影响因素中，护岸防护工程距离险工段最近，对险工段稳定作用最明显。险工段区域一般都有各类加固工程，某些重点险工段甚至有多次加固。经过多年运行，抛石类防护工程有所滑落冲失，或被淤泥掩埋，沉排类也有散排、碳化损坏的情况。从监测手段上来看，很难对水下防护工程进行测绘;从分析手段上看，即使防护工程状况清楚，技术上也较难评估其对岸滩稳定的贡献，特别是沉排、抗滑桩类，且计算工作量大，所耗时间周期较长，难以满足时效性要求。此项基础资料可采用调查、收集设计资料等方式获得，评估采用定性分析与量化分析相结合的方式。

本文虽对崩岸几个主要影响因子的分析方法做了阐述，但未能建立各因子之间的相互影响关系，未能科学确定各因子的权重，各因子独立分析能做到量化分析，但综合分析仍以定性为主。下阶段可在深刻把握崩岸机理的基础上，通过大量崩岸案例分析，建立各因子之间相关关系，进而确定各因子权重，综合分析也提升至量化分析水平，对各险工段进行科学排序。

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