河流崩岸研究成就与发展趋势

2021-04-12曹运江姜威振耿世明

湖南水利水电 2021年1期

石林，彭浩，秦成，唐海，曹运江，姜威振，耿世明

（1. 湖南省水利水电科学研究院，湖南长沙 410007；2. 湖南科技大学资源环境与安全工程学院，湖南湘潭 411201）

引言

崩岸是指河湖沿岸土体或岩体受水流冲刷，在重力作用下稳定型降低，从而发生滑坡、崩塌和崩落的一种常见的地质现象[1]。几乎在全世界河流中都会发生不同程度的崩岸，如美国的密西西比河、日本关东地区的鬼怒川沿岸等地都曾发生过严重的崩岸。与我国相比，西方发达国家对崩岸研究相对较早，20 世纪70 年末，Frydman 等[2]对河岸进行研究，并分析河岸失稳与坡体位移与应变的关系；到了80 年代，英国学者millar[3]也进行了坡体内摩擦角与颗粒粒径对河岸稳定性的研究；美国学者[4]以密西西比河崩岸问题为研究背景，开展了影响坡体稳定性因素的理论与试验研究；90 年代至今，更多国外学者[5～7]对河流崩岸机理展开全面系统研究。

随着经济提升与科研学者的努力，近年来我国在崩岸机理研究上取得了较大的成就。夏军强等[8]讨论了岸滩侵蚀机理及其主要影响因素，并建立了岸滩侵蚀速率的经验关系式；尹国康[9]通过理论分析，采用土坡失稳计算理论，对河岸变形规律进行研究；冷魁[10]分析了长江下游窝崩的特点及形成过程，并提出对应的防治建议；张幸农等[11～13]对崩岸展开研究，对崩岸类型进行系统分类，并在崩岸形成过程、影响因素等研究区域取得巨大成果。我国是河流崩岸灾害较为严重的国家，崩岸极大威胁了国家经济发展建设与沿岸居民的生命财产安全。为有效应对及防范河流崩岸，本文对国内崩岸研究成就进行归纳总结，并列举出崩岸防治措施及其特点，指出了目前对崩岸研究的不足，并提出了未来进一步研究的发展趋势。

1 河流崩岸研究方法

1.1 河流崩岸室外研究方法

河流崩岸具有分布性广、破坏性强以及具有突发性的特点，同时还受地震、天气以及人为因素的影响，因此灾害的发生不以人的意志而转移。为进一步研究河流崩岸形成机理，许多专家学者通过对河流实地调研，获得了较客观实际的科研资料，并对崩岸现象进行了深入研究，概况起来有以下几种方法：

1）人工崩岸巡视法。人工巡视崩岸是使用最广泛的户外方法，科研技术人员通过水陆交通工具对河流冲刷破坏河岸进行巡视调查。若发现堤岸产生裂隙、滑动、松动破坏现象，对该堤岸破坏形态进行测量、拍照记录，并分析崩岸破坏程度并采取相应措施防范治理，持续关注其后续进展，避免进一步造成人员财产损失[14～15]。

2）无人机航空机测法。随着无人机与摄影技术的不断进步，无人机在崩岸调查中扮演者不可缺少的角色。航空无人机承载高清度数码相机，可以更大范围地进行灾害巡视，弥补了人工巡视法的不足，同时还可以快速获得河岸地貌监测数据，具有效率高、精度高、成本低等优势[16～17]。

3）河岸边界结构监测。科研人员采用钻孔法对河岸不同位置进行多次钻孔取样，分析河岸土体颗粒级配、土壤成分、孔隙度以及含水量等因素变化。还可通过仪器设备对土体表层应力进行测量，以此来分析河岸浅层地质构造及表层应力变化，并为崩岸进一步研究提供数据。对采用一些支护的河岸，可利用声呐仪和浅地层剖面仪进行探测，分析支护后岸坡变形情况[18～19]。

4）多模态传感器方法。采用多种测量和监测仪器对崩岸地形、坡度、沉积物组成、水动力、浅层沉积结构等要素的监测和稳定性预测。多波束测深仪、三维激光扫描仪、浅地层剖面仪等多模态传感器系统已被应用沉积地貌和水动力特征进行研究，通过区域三维地形地貌构建，结合河岸水文环境，可对区域崩岸进行发展趋势估评[20]。

1.2 河流崩岸常规试验法

室内常规试验在河流崩岸的研究中最为常用，试验人员可选取良好的试验环境，可控制崩岸的试验变量，消除无关因素的影响，且与室外试验相比更加安全。

宗全利等[21]通过对崩岸土体进行现场取样，结合室内土工试验，综合分析得出崩岸土体的颗粒组成及力学性质，提出了在不同时期上荆江河岸稳定安全系数计算公式。岳红艳等[22]通过室内概化模型试验，研究二元河岸崩塌机理，并得出了河岸发生崩岸的原因。余智囊等[23]以淮北大堤治理为背景，通过现场模拟实验与摩擦特性室内实验，确定了软体排布与大堤土体之间的摩擦系数。

河流按水位的变化可分为枯水期、高水期和退水期，随水位变化河岸土体会处于干湿交替变化状态，这一状态也是崩岸发生的高峰时期。王军等[24]通过室内土工试验、河岸土体取样以及数值模拟等方法，对土体干湿交替变化下河岸稳定性影响进行研究。结果表明：河岸土体在干湿交替状态下稳定性主要受粘聚力影响，土体粘聚力越大，河岸稳定性安全系数越高。

河岸崩岸形成过程受众多因素影响，较为复杂。王路军[25]在收集分析长江中下游崩岸研究资料的基础上，通过室内概化模型试验，对不同的崩岸影响因素进行研究，最终模拟出崩岸形成过程并提出其预防处理措施。张幸农等[26]以崩岸河流原沙为实验材料，建立大型室内概化坡体模型，研究了崩岸破坏范围及破坏程度。党详[27]通过建立概化模型水槽试验，对二元结构河岸崩塌机理进行初步研究。王延贵等[28]通过模型试验对冲积河流岸滩崩塌进行研究，模拟出河岸崩塌的过程，并推导出一系列河岸稳定性公式。

流滑型崩岸具有破坏强度大，形成速度快等特点，假冬冬等[29]通过土工离心模拟试验和水槽试验，对该类型崩岸进行研究，并初步测定流滑型崩岸侧蚀模式下的侧蚀系数，为今后该模式的研究提供参考依据。

上述学者研究岸坡崩塌试验手段表明了崩岸研究多以室内概化模型试验为基础，通过控制土层厚度比例、土层参数、坡脚角度以及流速等影响参数研究河岸崩岸机理，这也是目前考虑较全面的试验方案。

1.3 河流崩岸数值模拟法

数值模拟与常规试验都是科学研究的重要方式，与常规试验相比，数值模拟能突破地形条件的限制且具有成本低、较直观、运算快等优点。在很多情况下无法进行科学实验，但能通过数值模拟还原崩岸现场情况，使研究人员对崩岸的发生有了更直观的认识。

杨涵苑等[30]以若尔盖盆地黑河崩岸为背景，通过野外勘察、理论模型试验以及数值模拟等多种研究方法，分析该河流拐角处断面的崩岸过程，采用BSTEM模拟其断面崩岸后的形态，与实地勘察结果大致吻合。秦亚斌[31]在运用数值模拟研究水位下降对岸坡稳定性问题时，同时考虑了流固耦合理论与强度折减法，较真实地反映了水位与河岸稳定的关系。

崩岸按其形态可分为条崩、洗崩和窝崩，其中窝崩破坏程度大且数值模拟难度较大。假冬冬等[32]针对长江中下游窝崩问题，分析其机理及力学形式，建立三维窝崩数值模拟进行研究分析，最终模拟结果与现场实测结果大体一致。

河流崩岸的发生受多种因素的影响，为探究河流水位变化速率对崩岸的影响。周瑞丽等[33]以长江河岸为研究对象，采用数值模拟的方法针对河岸条崩现象进行了分析，研究结果表明，仅在水流冲刷下，坡脚首先会产生破坏，但河岸还需一定时间才会发生崩岸现象。肖毅等[34]在前人的二维水沙模型的基础上，考虑了植被影响因素，改进后的模拟更好地反应了河流的演变过程，为今后的多因素模拟增加了参考依据。

以上数值模拟试验都较好地还原了真实条件，而且试验后的成果与预测的结果大体一致，虽然考虑的因素不够全面，但为后续河流崩岸的边界条件研究打好了基础。河流崩岸数值模拟应尽可能确定崩岸的边界条件，并界定每个因素的影响条件，从而为预测崩岸与河流崩岸的防治确定方向。

2 河流崩岸防治措施

保持河流沿岸的稳定是防治河流崩岸的关键要点，目前河流崩岸治理，归纳起来大致有以下8 种[35～45]，见表1。崩岸防治需特别注意以下几点[46]：

1）保证河岸形态结构的稳定。陡峭的河岸如果长期受到不均匀的水流冲击，会加大河岸崩岸发生的概率。崩岸发生后河岸在短时间内形成的临界状态的稳定性差，也极易在水流冲击作用下再次发生崩岸。

2）保证坡岸加护材料的牢固性与稳定性。在进行坡岸加护时，可以采用质量较大的材料以防被水流冲走。

3）保证岸坡及河底土壤的稳定性。在岸坡加护的同时，需要加强岸坡及河底等根基位置土壤本身的稳定性。

4）加强重点区域的河岸观测。持续性的河流崩岸观测可在一定程度上发现相关迹象，为崩岸发生提出警告与防治。

3 存在问题及发展趋势

3.1 存在问题

在我国崩岸研究中，多数专家与学者通过室外科研调查、室内实验与数值模拟对河流崩岸进行了分析，同时取得了较好的科研成果，但也还存在一些问题，需要进一步研究和探讨。在理论研究方面，河流崩岸试验需综合运用多学科进行研究探讨，但目前在理论试验研究中学科交流不够全面，理论研究不够透彻。在崩岸室外试验方面，试验研究技术较为缺乏，试验手段相对单一，且受试验资源限制，试验模型个数不足，试验效果不够显著。崩岸调查多在河流局部范围进行，很难做到河岸全方位调查，不能掌握整条河流的具体情况。在试验结果的适用性上，多数崩岸试验以某一区域河流研究为背景，所得试验结果在其他区域无法很好适用，缺乏总体性研究；一些数值模拟采用了二维模型计算，计算结果与三维模型会有一些偏差，且模拟参数设置因人而异，很难成为科学依据，只能起辅助作用。在崩岸治理技术的使用上，一些崩岸治理手段因造价成本高，应用推广难度大；部分治理手段对周围生态具有潜在的破坏性，使用范围及后果有待明确。