河道堤防冲刷隐患评价体系研究以宁波市奉化江河段为例

郭巨海，张舒羽，2，程文龙，唐子文

（1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.浙江同济科技职业学院，浙江 杭州 311231）

1 问题的提出

沿江堤防工程是城市防洪工程体系的重要组成部分，然而部分堤防由于河段地质条件较差、河流动力较强，在季节性洪水过程作用下，容易出现堤脚淘刷、堤身失稳等堤防安全问题。张翼等[1]和王延贵等[2]对弯曲河道河岸淘刷、崩退机理进行探讨，指出弯道进口处的凸岸、弯道及其出口处的凹岸都属于高剪切力区，河岸淘刷严重，其中凹岸岸脚处的剪切力最大、淘刷最严重。张芳枝等[3]分析河流冲刷作用对堤岸渗流和变形的影响，提出渗透流速的最大值出现在堤脚，冲刷作用使堤岸的渗透流速有所提高，并使堤岸坡脚沿外江方向的水平位移明显增加，越靠近坡脚，外江方向水平位移增加的幅度越大。

近年来随着城镇化进程的快速推进，城市防洪堤建设标准不断提高、建设长度不断增加，由于堤防工程沿程不同河段河势特征、地质条件、人类活动等影响因素存在差异，开展沿江堤防安全综合评价意义重大。国内已有不少专家学者对河道堤防安全评估开展相关研究，汪自力等[4]从堤防工程安全评价的含义、影响堤防工程安全的主要因素等方面对堤防工程安全评估方法进行系统的探讨，李青云等[5-6]结合长江中下游堤防的特点和破坏机理，初步建立长江中下游堤防安全评价的理论框架，提出堤防安全评价的流程与方法。介玉新等[7]将层次分析法应用于堤防的安全评价中，较为全面地考虑影响堤防安全的主要因素，反映堤防的综合安全状况。康业渊等[8]应用层次分析法、遗传算法以及集值统计法，构建堤防安全综合评价模型。雷鹏等[9]针对堤防不同的破坏模式应用模糊理论对堤防安全进行综合评价。蔡新等[10]利用灰色理论构建堤防安全风险评价指标体系。现阶段堤防安全评价能较为准确全面地评价堤身安全，其参数多基于堤身结构、堤基特性等，影响因子较多，因此对基础数据的要求相对比较高。这些方法在影响因子数据不易获取或堤防较长而导致参数调查工作量大时，应用受到一定的限制。

本文从河流动力学角度筛选容易获取数据的隐患评价因子，并应用层次分析法，构建堤防冲刷隐患点评价指标体系，结合二维水流数学模型，对堤防进行冲刷隐患位置初步排查，为汛前重点河段排查、布防提供科学决策的参考依据。本文以宁波市奉化江为例，分析评价2016年奉化江江道冲刷隐患点分布，排查结果与实地踏勘结果吻合良好。研究成果可作为潮汐河口堤防隐患初步排查的辅助手段，从一定程度上减少人工隐患巡查的时间成本和经济成本，为管理部门筛查堤防冲刷隐患提供技术支撑。

2 奉化江概况

宁波市奉化江自方桥三江口以下至甬江三江口全长约26.4 km，多年平均径流量为16.4亿m3，河道上宽下窄，最宽处220 m，最窄处仅93 m[11]。河段内河道比降小，河势蜿蜒曲折，河湾分布密集（见图1）。2016年前仅宁波市区及周边段内建设有防洪堤防，上游河段内多为自然岸线，洪水期河道漫滩，局部边坡失稳时有发生。近2 a来，奉化江干流两岸逐步建成20 ～ 100 a一遇标准的防洪堤，其中宁波三江口至鄞州大桥为100 a一遇，鄞州大桥至绕城高速为50 a一遇，绕城高速至方桥三江口为20 a一遇，到2017年干流防洪堤全线封闭。洪水期水流归槽，沿线防洪能力显著提升。然而由于该河段26.4 km范围内分布有近20处河湾，部分弯道曲率半径较小，洪水期冲刷风险较高。

图1 奉化江（方桥三江口—甬江三江口）河段示意图

3 河道冲刷隐患评价体系

本文采用层次分析法（AHP）构建河道冲刷隐患评价体系，基本思路:首先筛选能够反映隐患点特征的评价指标，其次由于筛选不同指标量纲、单位存在一定差异，需要对指标数据进行标准化处理，便于后期综合分析评价，标准化之后依照专家意见确定各指标在综合指标中所占权重，最后结合综合评价公式对各断面进行隐患点排查。

考虑到江道堤防冲刷隐患评价涉及影响因素较多[12]，本文从河流动力角度出发，选取河道深泓线距堤防距离、河道断面最深点高程、近岸流速、弯道水面横比降、近岸冲刷幅度作为指标参数，并给出不同指标标准化过程。

河道深泓线距堤防距离:若深泓线离堤防越近，冲淤对堤防的影响越大，增大堤脚冲刷的风险；反之，若深泓线离堤防越远，冲淤对堤防影响相对较小。结合三江河道深泓线特点，以深泓线离堤防距离占断面河宽百分比作为评价指标，评价指标评分见表1。其中标准化评分越高表明该位置深泓线离岸越近，越有可能存在隐患，评分最大值为1.0，最小值为0.0。

表1 河道深泓线距堤防距离标准化评分表

河道断面最深点高程:若河道最深点高程越低，则越不利于堤防稳定；若河道最深点高程较高，则对堤防稳定性影响越小。结合三江河道最深点高程特点，以断面最深点高程作为评价指标，评价指标评分见表2。其中标准化评分越高表明该位置最深点高程越低，越有可能存在隐患，评分最大值为1.0，最小值为0.0。

表2 河道断面最深点高程标准化评分表

近岸流速:若河道内近岸流速较大，则越易发生堤脚冲刷，产生堤防失稳破坏；相反，若近岸流速越小，堤脚冲刷相对较小，结构亦较安全。本研究中采用现状堤线1%频率洪峰流量下最大近岸（0 ～ 40 m范围内）流速作为评价指标，计算时分别取各河段内最大、最小流速作为极值，各断面近岸流速通过公式（1）计算得到标准值。其中标准化评分越高表明该位置流速越大，越有可能存在隐患，评分最大值为1.0，最小值为0.0。

式中:A为指标标准值；U为各断面近岸流速（m3/s）；Umax、Umin分别为各河段内近岸流速最大值、最小值（m3/s）。

弯道水面横比降。在河道弯道处由于水流过弯时的离心作用，凹岸侧水流往往会有一定程度的抬升，在大流量洪水过程中，由于流速增加显著，水面抬升也相对较大。河道内水位抬高越大，弯道环流作用越强，水流对堤岸的淘刷也越明显。本文中采用现状堤线1%频率洪峰流量下弯道水面横比降作为评价指标，计算时分别取河段内最大、最小水面横比降作为极值，各断面横比降通过公式（1）的计算得到标准值。其中标准化评分越高表明该位置弯道水面横比降越大，越有可能存在隐患，评分最大值为1.0，最小值为0.0。

近岸冲刷幅度。洪水期堤防近岸冲刷幅度能够较直接地反映堤防受洪水影响程度，本研究通过二维数学模型计算近岸水流流速以及水深，再依据GB 50286 — 2013《堤防工程设计规范》计算冲刷深度，如公式（2）～（3）所示作为评价指标，公式（2）为护岸冲刷深度公式，公式（3）为张瑞瑾公式。结合三江河道特点，评价指标评分见表3。其中标准化评分越高表明该位置近岸冲刷幅度越大，越有可能存在隐患，评分最大值为1.0，最小值为0.0。

式中:hs为冲刷深度（m）；H0为冲刷处水深（m）；Ucp为近岸垂线平均流速（m/s）；n为与防护岸坡在平面上的形状有关的系数，n = 0.16 ～ 0.25；Uc为泥沙起动流速（m/s）；d50为床沙中值粒径（m）；γs、γ为泥沙与水的容重（kN/m3）。

表3 河道近岸冲刷深度标准化评分表

在计算综合系数时，各因素对隐患点评价的贡献不同，因此需要确定相关指标所占的权重值。因素权重确定采用主观赋权法，主要依据专家对研究对象的经验，确定奉化江河段各指标权重值（见表4）。

表4 河道隐患点评价系数权重表

河道隐患点评价系数综合评价模型为:

式中:f(S)为河道隐患点评价系数；ωi为隶属于评价系数的第i个指标的综合权重值，0.0≤ωi≤1.0，且Σωi= 1.0；Xi为隶属于评价系数的第i个指标的经过标准化过程的指标值。

将综合评价分值＞0.5的作为重点排查河段，综合评价分值越高，冲刷隐患风险越大。

4 奉化江河段河道隐患评价

基于上述评价方式，本文结合实测水文、水下地形资料及二维数学模型计算结果对2016年奉化江河道冲刷隐患进行综合评价，部分特征断面综合评分见表5。基于上述综合评价系数计算结果，可以得出弯道河道凹岸位置普遍评分较高，存在洪水期冲刷隐患，奉化江河段高隐患区域分布见图2。通过分析可知，奉化江自方桥三江口至甬江三江口河段内多数隐患点集中于上游急弯段凹岸位置，如36# ～ 38# 弯道断面、33# ～ 34# 弯道断面、17# ～ 18# 弯道断面，以上几处断面位置深泓离凹岸较近，洪水期弯道流速较大，综合评分相对较高，存在冲刷隐患。铜盆闸以下段隐患点位于3#、8#弯道凹岸位置。此外，甬江三江口附近由于河道较窄，洪水期流速较大，易产生堤脚冲刷，综合评分相对较高，亦存在冲刷隐患，奉化江河段隐患段总长度约11.8 km。

结合实地踏勘，评分较高处河道堤防确有存在一定堤脚淘刷及护岸损坏等险情，表明应用河道隐患综合评价能够较好的对河道险工险段进行初步排查，为堤防管理部门提供一定技术支持与决策依据。

图2 奉化江段（方桥三江口—甬江三江口）冲刷隐患分布示意图

5 结 语

本文基于层次分析法，从河流动力学角度，构建河道冲刷隐患评价体系，选取河道深泓线距堤防距离、河道断面最深点高程、近岸流速、弯道水面横比降、近岸冲刷幅度作为指标参数，并给出不同指标标准化过程，进而提出河道冲刷隐患综合评价方法。以奉化江（方桥三江口 — 甬江三江口）河段为例，利用河道冲刷隐患评价体系进行综合评价，分析表明该河段隐患点主要集中于上游横涨、铜盆闸等急弯段凹岸及甬江三江口附近河道较窄处，评价结果与实地踏勘结果吻合良好。