强水沙变化下长江安徽河段护岸失稳及防护研究

李金瑞 方娟娟 丁兵

摘要：长江下游安徽河段存在较多的岸线险工段，受近年来沙量锐减及2016年大洪水的影响，岸线及护岸建筑物坡脚冲刷加剧，部分岸线及护岸出现了失稳现象。结合安徽省工程河段水文、地质、地形等资料及河道演变特性，分析了护岸建筑物失稳区域的断面变化特征，研究了护岸工程适应性及失稳破坏机理、防护对策及效果。结果表明：河岸二元土质结构及近岸深槽大幅冲刷是崩岸的主要原因，2016年大洪水加快了崩岸的发生;从防护布置、标准、型式、结构设计等方面制定应急修复、补充完善工程防护对策，实现了2017～2019年成功度汛，总体守护效果较好。研究成果可为探索三峡工程运行后新水沙条件下的崩岸治理方法提供参考依据。

关 键 词：水沙变化; 护岸工程; 破坏机理; 防护对策; 长江安徽河段

中图法分类号： TV14

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.12.002

0 引 言

穩固的护岸工程和堤防工程体系是沿江地区经济社会发展必不可少的安全保障[1-2]。护岸工程的实施会使工程范围内的横向河床发生变形，但近岸未防护处的纵向与垂向冲刷加剧，深泓刷深并内移，进而使护岸工程发生调整;对于不同材料与结构形式的护岸工程，其调整变化、适用能力与破坏机理不同[3]。长江中下游河道崩岸随河岸地质条件不同而呈不均衡分布，大洪水年崩岸范围和强度有明显增大趋势，年内崩岸主要发生在汛期和汛后退水期。护岸失稳主要与自然因素中的水流动力条件、河床边界条件以及可能的人为因素等有关，目前该方面的研究还有待深入[4-7]。

受三峡工程运行后长江中下游来水来沙变化及河势调整影响，长江干流安徽河段崩岸频繁发生。防洪仍然是长江治理开发和保护的首要任务[8]。为维护岸线和河势稳定，保障防洪安全，根据国家相关部门批复，2015～2018年实施了安徽省长江崩岸应急治理工程[9]。工程实施过程中，受2016年长江流域大洪水冲刷影响，长沙洲、新大圩、秋江圩等护岸工程局部发生水毁崩岸。本文通过水毁情况现场调查，结合工程河段水文、地质、地形等资料，开展强水沙变化条件下河道演变和护岸工程失稳破坏机理及防护工程适应性分析，研究提出护岸工程水毁后防护对策措施，并针对后续实施的防护工程，分析其防护效果。研究通过总结提升强水沙变化条件下崩岸治理技术，可为探索三峡工程运行后新水沙条件下的崩岸治理提供技术支撑。

1 河段及水沙条件

1.1 河段概况

长江干流安徽河段位于长江下游，上起宿松县段窑，下迄和县驷马河口，河道全长416 km，河段内安徽省长江崩岸应急治理工程是国家172项重大水利项目中长江中下游干流河道治理的子项目，治理范围涉及九江、马垱、东流、安庆、太子矶、贵池、大通、铜陵、黑沙洲、芜裕和马鞍山等11个河段。安徽省长江崩岸应急治理工程新大圩、长沙洲和秋江圩护岸段分别位于芜裕河段上段大拐段河道右岸、贵池河段长沙洲左缘中下段和太子矶河段铁铜洲汊道出口段河道右岸扁担洲外滩。

1.2 三峡工程运行前后水沙变化

据统计，长江大通站以下干流区间入江流量约占大通站流量的3%左右，大通水文站的流量、泥沙特征基本代表长江下游来水、来沙特征。三峡水库蓄水前，大通站多年平均径流量、输沙量分别为9 052亿m3、4.27亿t。三峡水库运行以来，2003～2018年该站年均径流量8 597亿m3、输沙量1.34亿t，与蓄水前均值相比，来水略偏枯5%，来沙减少了68%（见图1）。

1.3 2016年长江洪水特点

2016年梅雨期长江流域发生中下游型区域性大洪水，长江中下游干流水位超警戒范围、超警戒持续时间均为1998年以来少有，呈现出中下游干流水位高、高水持续时间长、多条支流特大洪水并发等主要特征[10-11]。2016年长江干流大通站实测年径流量为10 450亿m3，与多年平均值、近10 a平均值、上年值比较，偏大17%、偏大20%、增大14%;实测年输沙量为1.52亿t，与多年平均值、近10 a平均值、上年值比较，偏小59%、偏小17%、增大31%[12]。2016年长江大通站最高水位15.64 m（吴淞高程），超过警戒水位1.24 m，最大流量为70 800 m3/s，年径流量为1998年以来的首位，大于45 000 m3/s（河段平滩流量）的时间达到120 d，而输沙量与前几年相比变化不大（见图2），大水的造床作用显著[13-14]。

1.4 水沙变化对河道冲淤影响

根据有关研究成果，三峡工程运用以来，由于上游来沙量大幅减小，对应长江中下游河道呈现出一系列的新变化，具体表现为：① 长江中下游干流河段（特别是宜昌至大通河段）河床冲刷剧烈，三峡水库蓄水以来的河床冲刷强度远大于蓄水前;② 河道深泓近岸及迎流顶冲段冲深幅度大，岸坡普遍变陡，崩岸频率和强度加剧;三峡工程蓄水运用后，长江中下游河道将长距离、长时间地处于受冲刷的状态。特别是经过2016年长江大洪水，上游来水来沙条件的改变有可能强化这一趋势[15-16]。长江安徽河段总体河势处于基本稳定状态，局部区域在调整之中，大水大沙年局部区域河床变化较为剧烈;三峡工程运用以来，新大圩、长沙洲所在的芜裕、贵池河段总体表现为冲刷，近年冲刷幅度呈增大趋势;秋江圩所在的太子矶河段总体表现为淤积，2011年后由淤转冲[17]。

2 工程适应性及破坏原因分析

安徽省长江崩岸应急治理工程共治理崩岸26处，护岸总长度50.5 km（见表1）。工程于2019年12月通过竣工验收，分两期实施，一期为2015年汛后至2016年汛前，二期为2016年汛后至2017年汛前。护岸采用干砌混凝土预制块和干砌块石水上护坡型式、以及抛石和混凝土铰链排水下护脚型式。工程实施后总体守护效果较好，稳定了现有岸线，完善了防洪工程体系，对维护长江安徽河段河势稳定、提高抵御崩岸灾害能力、保障防洪安全、促进沿江经济发展等方面具有重要作用。工程实施过程中，局部段长沙洲、新大圩、秋江圩等护岸工程发生了水毁（崩岸）。

2.1 水毁崩岸情况

新大圩护岸位于芜裕河段上段，C段工程长940 m，采用水上散抛石护坡和水下抛石护脚型式，2016年5～6月实施。工程完工后仅一个月，2016年7月24日工程区下游发生强烈水毁，崩岸长250 m、宽150 m，见图3（a），崩窝距离后方八凸圩堤不足15 m，崩岸直接危胁防洪安全。

长沙洲段护岸位于贵池河段，长2 840 m，采用水上干砌混凝土预制块护坡、混凝土铰链排和抛石护脚型式，2015年10月至2016年6月实施。在2016年大洪水作用下，护岸前沿深槽纵向冲刷最大下切5～6 m，9月份工程区下段混凝土铰链排护岸区发生水毁险情，见图3（b）。两处崩窝长度分别为60 m和40 m，系排梁崩断，混凝土块护坡坍塌;4处累计长约200 m的系排梁基础濒临淘空，混凝土铰链排下层河岸冲刷流失，排体悬挂在系排梁上，极有可能造成新的崩塌险情。

秋江圩段护岸位于太子矶河段，拟护岸长4 080 m，采用水上干砌混凝土预制块护坡、水下混凝土鉸链排和抛石护脚型式。在2016年大水作用下，正在准备施工的秋江圩C段发生数处崩窝，岸线犬牙交错。混凝土系排梁放样发现转折处较多且需大量削坡，通过地形测图分析，枯水位以下岸坡较陡，5.0～-5.0 m高程区间坡度在1.0∶1.8～1.0∶2.6，难以保证混凝土系排梁及铰链排稳定，见图3（c）。

2.2 破坏原因分析

新大圩段和长沙洲段护岸水毁、秋江圩段崩岸主要有以下几方面影响因素。

（1） 河岸地质条件差、抗冲性差，是崩岸发生的内在因素。

新大圩、长沙洲、秋江圩三段河岸均为二元结构，上部为淤泥质粉质黏土或粉质壤土，下部为粉细砂，岸坡稳定性差，河岸抗冲性能差。

（2） 河势调整变化，水流顶冲或贴岸冲刷，是崩岸的自然因素。三峡工程运用后，黑沙洲中汊在枯水期间断流，右汊分流比基本稳定在60%左右。近期受上游黑沙洲河势变化调整影响，新大圩崩岸所在的芜裕河段进口段水流右摆，进入潜洲右汊的水流切割潜洲右缘，致使潜洲右缘冲刷后退，潜洲右汊口门展宽，入流条件改善，汊道冲刷发展，水流直接顶冲新大圩弯道段（新大圩段断面变化见图4（a））。近期受上游河势变化调整影响，三峡工程运用以来长沙洲崩岸所在的贵池河段长沙洲左汊分流比呈增加之势，由2003年的31.1%增加至2006年9月的50.6%，水流贴岸带居中下延，新长洲头冲刷后退，新长洲与长沙洲间汊道入流条件改善，汊道冲刷发展，水流顶冲长沙洲左缘中段后贴岸下行，致使长沙洲左缘中下段持续冲刷后退（长沙洲段断面变化见图4（b））。三峡工程运用后太子矶河段铁铜洲右汊内西港几近衰亡，中高水位西港分流比不足右汊流量的5%，东港占据了超过95%的右汊流量。受河势调整影响，秋江圩崩岸所在的太子矶河段在铁铜洲尾汇流后居右下行，贴右岸冲刷秋江圩扁担洲一带河岸，该段自20世纪90年代后期以来持续冲刷后退（秋江圩段断面变化见图4（c））。

（3） 来水来沙变化及大洪水作用，加速了崩岸发生发展。

三峡水库运行以来，与蓄水前均值相比，来沙减少了68%，沙量的大幅减少主要发生在汛期5～10月间。来水来沙的变化对河道的冲刷和淤积具有重要的影响。计算表明，近年来新大圩、长沙洲、秋江圩三段护岸工程所在的河段冲刷幅度呈增大趋势。2016年长江大洪水，水位高、流量大、持续时间长，造床作用显著，加速了河道冲刷发展，尤其是水流顶冲或贴岸冲刷地段表现更加明显，一定程度上加速了崩岸的发生发展。

（4） 河床竖向冲刷发展，岸坡变陡失稳，崩岸是必然结果。

新大圩、长沙洲河岸防护后，河道横向冲刷受阻，在大洪水强烈冲刷作用下，河床向竖向冲刷发展，新大圩和长沙洲护岸前沿深槽分别竖向冲刷下切4 m和5～8 m，坡脚冲刷岸坡变陡，护岸工程水毁前局部陡坡在1.0∶1.5～1.0∶1.7;秋江圩段近年来持续冲刷崩退，下部粉细砂抗冲能力弱，上部粉质黏土抗冲能力相对较好，致使岸坡下部较上部冲刷速度快，岸坡变陡，局部陡坡1.0∶1.8左右。岸坡变陡至不稳定坡度，在水流冲刷扰动下失稳崩塌是必然结果。

（5） 护岸工程适应性。

水上护坡的防护效果主要受岸坡地质和护脚运行状态的影响，其中水下护脚工程运行状态的影响至关重要。新大圩、长沙洲段水上散抛石护坡和干砌混凝土预制块护坡面坍塌坡，均是受到护脚破坏导致下部坍塌的影响。

抛石护脚工程适应河道变形能力相对较强，但整体性较差[18]。新大圩段为历史崩岸剧烈段，近期受上游河势调整影响，河道冲刷发展，水流直接顶冲新大圩弯道段，整体抗冲性相对较差的抛石护脚在冲刷剧烈区域随岸坡的冲刷变化而调整，稳定性降低直至失稳坍塌。混凝土铰链排护脚整体性好，容易控制工程数量和质量，护岸效果好，但对岸坡的地形要求较高。长沙洲近期受河势调整变化，水流顶冲或贴岸冲刷，近年来河床竖向冲深、岸坡变陡（局部达1.0∶1.7），导致铰链排稳定难以保证，下部土体掏空崩塌，从而引起岸坡崩塌。崩塌成因归纳如表2所列。

3 防护对策措施及工程效果

3.1 防护对策制定

根据护岸工程破坏原因及适应性分析，对新大圩、长沙洲、秋江圩三处水毁（崩岸）区提出并实施了相应的防护措施。

新大圩修复工程于2016年12月至2017年1月底实施，包括上下游抛石裹头、崩窝内沉树及散抛石护坡。2017年汛后至2018年3月在已护工程下游侧又实施了新大圩补充完善工程，主要包括崩窝区水下抛石护脚加固、崩窝沉树促淤等。鉴于该段为历史崩岸段且近期仍呈冲刷发展态势，根据《长江中下游平顺护岸工程设计技术要求（试行）》，水下抛石护脚由原设计宽度60 m调增至80 m，抛石区深泓侧加抛防冲备填石20 m3/m。

长沙洲段修复工程于2016年12月至2017年2月实施，主要包括抛石还坡固脚，干砌混凝土预制块护坡修复，崩窝上下游及前沿抛石固脚、窝内散抛石。2017年汛后至2018年11月又对长沙洲下段原混凝土铰链排区长1 380 m实施补充完善抛石加固工程，主要为解锁已实施的铰链排与系排梁解锁，自系排梁新大圩粉质壤土粉细砂8～10>15较差崩窝（250 m×150 m）距后方八凸圩堤不足15 m二元结构，上部为粉质壤土或粉质黏土，下部为粉细砂，抗冲性差三峡工程运行后，河段总体表现为冲刷，近年冲刷幅度呈增大趋势近期河势调整，潜洲右汊冲刷发展，新大圩地处右汊弯道凹岸顶点，水流顶冲强烈河床竖向冲深、岸坡变陡，局部陡坡1.0∶1.5三峡工程运行后，下游来水来沙条件改变，来沙量锐减，尤其是汛期5～10月间沙量大幅度减少，对河道冲淤变化有重要影响;2016年大洪水持续时间长，造床作用强，加剧了河道冲刷水下抛石护脚适应河道变形能力相对较强，但整体性较差，新大圩段为历史崩岸段

长沙洲粉质壤土粉细砂夹砂壤土2>15差系排梁和铰链排沉入水中，混凝土预制块护坡坍塌严重二元结构，上部为粉质壤土或粉质黏土，下部为粉细砂，抗冲性差三峡工程运行后，河段总体表现为冲刷，近年冲刷幅度呈增大趋势近期河势调整，新长洲与长沙洲间汊道冲刷发展，长沙洲左缘水流贴岸冲刷河床竖向冲深、岸坡变陡，局部陡坡1.0∶1.7三峡工程运行后，下游来水来沙条件改变，来沙量锐减，尤其是汛期5～10月间沙量大幅度减少，对河道冲淤变化有重要影响;2016年大洪水持续时间长，造床作用强，加剧了河道冲刷水下混凝土铰链排护脚整体性好，但对岸坡地形要求较高，长沙洲近年来河床竖向冲深、岸坡变陡（局部达1.0∶1.7）秋江圩淤泥质粉质黏土粉细砂12>15差岸坡冲刷后退，出现数处近百米的连续崩窝二元结构，上部为粉质壤土或粉质黏土，下部为粉细砂，抗冲性差三峡工程运行后，河段总体表现为淤积，2011年后由淤转冲近期河势调整，水流贴右岸扁担洲（秋江圩外滩）冲刷河床竖向冲深、岸坡变陡，局部陡坡1.0∶1.8三峡工程运行后，下游来水来沙条件改变，来沙量锐减，尤其是汛期5～10月间沙量大幅度减少，对河道冲淤变化有重要影响;2016年大洪水持续时间长，造床作用强，加剧了河道冲刷外侧向深泓抛石、增设防冲备填石，局部陡坡段抛石还坡。

秋江圩C段护岸工程原水下方案为混凝土铰链排护脚。该段近年来岸坡崩塌严重，导致岸坡曲率过大，岸坎均陡，加之长江安徽河段2016年冬季水位较正常年份平均偏高2.0～2.5 m，原设计混凝土系排梁及铰链排无法施工。综合考虑后变更为水下抛石护脚方案，水下抛石宽为70 m，外侧设防冲备填石。工程于2017年汛前完工。2017年汛后至2018年汛前又对秋江圩下段进一步实施了水下抛石补充完善工程。

3.2 防护效果分析

新大圩和长沙洲修复工程實施后，经过2017年长江洪水考验，工程区内近岸河床岸坡及前沿深槽总体相对稳定，局部略有小幅淤积，工程效果较好（见图5）。但是，新大圩护岸范围以外局部形成陡坡，深槽冲刷下切且向下游发展，水流冲刷贴岸带向下游延伸，下游段岸坡仍有冲刷后退;长沙洲护岸范围以外江中侧深槽有所回淤，下游段岸坡及深槽仍呈冲刷后退态势。完善工程实施后，工程岸坡总体稳定，深槽部位冲刷幅度减小，经过2018，2019年洪水考验，达到了预期防护效果。

秋江圩修复工程实施后，工程区总体相对稳定，局部略有小幅崩退;前沿深槽冲淤变化不大，相对稳定，工程效果较好。但是工程下游水流冲刷强度较大，深槽部位仍然继续冲刷，岸坡仍冲刷后退，水下抛石补充完善工程后，经过2019年洪水考验，工程区岸坡稳定，深槽部位冲刷幅度减小，防护效果较好。

4 结论与建议

4.1 结 论

（1） 三峡工程运用以来，上游来沙量大幅减小，新大圩、长沙洲所在的芜裕、贵池河段总体表现为冲刷，近年冲刷幅度呈增大趋势，秋江圩所在的太子矶河段总体表现为淤积，2011年后由淤转冲。2016年长江干流大通站实测年径流量为10 450亿m3，最大流量达70 800 m3/s，大于河段平滩流量的时长达到120 d，而输沙量变化不大，大水造床作用显著。

（2） 新大圩、长沙洲、秋江圩崩岸主要与河岸地层条件、河床冲刷、水沙条件以及护岸型式适应性有关。河岸地质呈二元结构，存在较厚的粉砂、细砂层及近岸深槽的大幅冲刷，是造成崩岸的主要原因，2016年大洪水起到了加快近期河道冲刷进而造成崩岸的作用。

（3） 新大圩、长沙洲、秋江圩护岸水毁修复及完善工程实施后，近岸河床岸坡总体相对稳定，工程实施后护岸范围内前沿深槽冲淤变化不大。在水沙条件变化、水流常年贴岸冲刷、地质条件较差的情况下，经过2017～2019年长江大洪水考验，工程实施后总体守护效果较好。

4.2 建 议

（1） 护岸工程抑制了河道的横向发展，在河势未改变、水流冲刷强度不变的情况下，已护岸区河道将向竖向发展，河道将冲深下切。因此对于护岸工程设计，应在河势演变分析基础上，以最不利因素状况研判河床可能的最大冲刷深度，综合确定防护标准，以此确定足够的防护宽度，并适当考虑增加防护区末端（深泓侧）防冲备填石量。另外，考虑水流顶冲部位变动因素，护岸长度也要留有一定富余。护岸工程设计应根据河势演变及近岸岸坡陡缓程度、水流冲刷强度、河岸地质组成、河岸有无防护及平缓程度等边界条件，选择适合的防护型式。在河道冲刷剧烈、河势变化大的区域，建议在数学模型计算和物理试验研究的基础上，进行多种方案比选，选取合适的水下护脚工程型式。

（2） 长江中下游尤其是安徽河段，河岸地质组成大多呈二元结构，抗冲性差，在水流长期冲刷下，岸坡逐渐变陡较易导致失稳崩塌。此类地质结构的河岸应以足够的防护范围，严格控制工程防护均匀度，以形成有效的防护覆盖层为主要控制因素。

（3） 建议加强崩岸、护岸区的运行情况及上下游一定范围内的监测和分析，以便发现问题及时采取防护措施;特别是遇大水年作用后的观测更为重要，可丰富对崩岸治理的进一步认识，为探索三峡工程运行后新水沙条件下的崩岸治理方法提供参考依据。

（4） 建议加强工程河段河道崩岸与河势控制关系的深入研究，尽早开展相应河段综合治理工程。

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（编辑：谢玲娴）

Study on instability mechanism and protective measures of bank protection project in Anhui section of Changjiang River under strong water and sediment changes

LI Jinrui1，FANG Juanjuan2，DING Bing2

（1.Yangtze River Course Management Bureau of Anhui Province，Wuhu 241000，China; 2.River Research Department，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Abstract：

In Anhui section of the lower reaches of the Changjiang River，there are many dangerous sections along the coastline.Affected by the sharp decline of sand transport in recent years and the great flood in 2016，the erosion to the coastline and the slope toe of the revetment building has intensified，and some coastlines and revetments have become unstable.Combined with the hydrology，geology，topography and other data of the engineering river section in Anhui province and the analysis of the river evolution characteristics，we analyzed the variation characteristics of section in instability area of bank revetment buildings，and studied adaptability and instability damage mechanism，protection countermeasures and protection effect of bank protection project.The results showed that the main reasons for bank collapse were the dual soil structure of the river bank and the large scouring of the deep channel near the bank.At same time，the occurrence of bank collapse was accelerated by the flood in 2016.The emergency repair and supplementary engineering protection countermeasures were formulated from the aspects of protection layout，standard，type and structural design，which realized the successful flood control from 2017 to 2019，and the overall protection effect was good.The results can provide a reference for exploring new bank collapse control methods under new water and sediment conditions after the operation of the Three Gorges Project.

Key words：

water and sediment change;bank protection project;failure mechanism;protection countermeasures;Anhui section of Changjiang River