冲积河流崩岸机理、数值模拟及预警技术研究进展

夏军强，邓珊珊

(武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072)

1 研究背景

崩岸是冲积河流河床变形的重要组成部分，大规模崩岸现象的发生不仅影响局部河段的河势稳定，而且威胁堤防、取水口及桥梁等重要涉水工程安全，增大防洪压力，并可能造成大量滩区耕地塌失。在我国长江中下游及黄河下游河段，崩岸现象尤为突出。据不完全统计，近60余年来长江中下游累计崩岸长度达1 600余km[1]。三峡工程运用后长江中下游干流河道共发生崩岸险情937处，累计崩岸长度约701 km，尤以荆江河段最为严重[2]。在河床持续冲刷过程中，因岸坡变陡、主流顶冲或深泓贴岸，长江中游的石首与七弓岭弯道段以及下游九江与扬中河段等都出现了严重的崩岸险情[2-6]。2017年4月19日长江干堤洪湖段的燕窝虾子沟堤段发生严重崩岸险情，崩岸长75 m、宽22 m，距堤脚最近仅14 m，直接威胁大堤安全。在黄河下游河段，三门峡水库蓄水拦沙运用期间，花园口至高村河段约200 km2的滩地发生崩退，花园口至东坝头河段二滩之间的宽度增加近1 000 m[7]。小浪底水库运行后，黄河下游河床冲刷，滩岸崩退，1999—2018年下游游荡段河段尺度的平滩河槽宽度增加近183 m[8]。

崩岸现象发生的机理十分复杂，影响因素繁多，且属于河流动力学及土力学的交叉学科问题[4,9]。自1980年以来，国内外不少学者开展了崩岸的研究，揭示了不同河流崩岸的影响因素，包括水流冲刷、土体表面侵蚀、植被覆盖及渗流侵蚀等，并提出了不同崩塌模式下岸坡稳定性的计算方法[10-12]。随着对各类影响因素的深入认识，崩岸模拟技术也由经验方法逐步发展至基于动力学过程的不同维度的数学模型，并逐渐在模型中量化了各类因素对崩岸的具体影响[12-16]。随着上游水库的运用，长江中下游和黄河下游河段崩岸现象突出，影响河道防洪与航运，由此国内关于崩岸的研究开始从基础理论拓展至工程实践。崩岸监测预警成为近期研究的热点问题，研究者提出了结合现代信息及测量技术(无人机航空摄影、三维地形扫描、多波速测深系统及全球卫星导航系统等)的崩岸监测方法[17-20]，以及崩岸预警等级的划分方法[21-23]。然而现有崩岸监测预警技术尚不完全成熟，崩岸机理与数值模拟方法研究也存在仍待解决的关键问题。本文总结了国内外研究在崩岸机理、数值模拟及监测预警方面的进展，并分析了其中仍待解决的科学和技术问题。

2 崩岸机理研究现状

崩岸机理研究是崩岸数值模拟及监测预警的基础，故首先从崩岸类型、力学机理及影响因素3个方面，对崩岸机理的研究现状及进展进行总结。

2.1 崩岸类型

崩岸是指在近岸水沙与河床边界的相互作用下，河岸受到各种因素影响而发生的土体崩塌现象，是冲积河流横向变形的主要方式[9]。崩岸类型多样，在河流工程界通常按其平面形态与崩塌力学模式来划分[24-27]。

按平面形态可将崩岸分为洗崩、条崩和窝崩[24-25, 27]。洗崩是指局部河岸表层或小范围土体受水流或风浪侵蚀淘刷形成的剥落或流失,分布广且发生频率高。条崩则为长距离河岸土体的大幅度崩解或塌落，且多出现在沿岸水流强度大、土质抗冲性能较差且分布均匀的河段(见图1(a))。窝崩为河岸大面积土体的崩塌，崩塌长度和宽度相当，少则数十米，多则上百米，其形成与河岸土质分布不均及特殊的水流结构(环流、横流或斜流等)密切相关[26-27](见图1(b))。

图1 不同类型崩岸的照片Fig.1 Different types of bank erosion

按力学模式可将崩岸分为浅层崩塌、平面滑动、圆弧滑动及悬臂式崩塌[26-27]。浅层崩塌一般发生在坡度平缓的非黏性土河岸，崩塌强度相对较小。平面和圆弧滑动则多发生于黏性土层较厚的河岸(见图2(a))，前者崩塌沿平面形成；后者破坏面多为包含对数螺线面和平截面的复合面，通常可达到坡脚处，甚至会延伸至坡脚以外，形成大规模崩塌[27]。悬臂式崩塌通常发生在二元结构河岸，特点是上层为较薄抗冲性较强的黏性层(黏土或根-土复合层)，下层为较厚抗冲性差的非黏性层(粉沙或细沙)(见图2(b))。下层非黏性土体易受近岸水流横向淘蚀造成上层土体悬空，直至发生绕轴、张拉或剪切破坏[26]。窝崩和条崩的力学模式可以是浅层崩塌、平面滑动、圆弧滑动及悬臂式崩塌中的任意一种。

图2 不同类型崩岸过程示意图(平面、圆弧滑动及绕轴崩塌)Fig.2 Schematic diagram of different types of bank erosion processes

2.2 崩岸发生的力学机理

平面滑动和圆弧滑动的发生通常是由于坡脚土体的起动切应力小于水流切应力，而导致下部土体流失，岸坡变形，继而导致由重力与孔隙水压力形成滑动力与由河道侧向水压力及黏聚力等形成的抗滑力之间的平衡被破坏，从而失稳[11,28](见图3中的(a)、(b))。该类河岸崩塌可采用破坏面上的稳定安全系数来表示，即最大抗滑力与实际滑动力的比值，当其小于临界值时，则认为河岸会发生崩塌，反之维持稳定。

悬臂崩塌则在于下层非黏性土层土体起动切应力小于水流切应力，水流淘刷致使下层土体流失，上部土体悬空，继而导致破坏面上力或力矩平衡被破坏[26,29-30]。其中绕轴崩塌是由于重力形成的外力矩与土体抗拉及抗压应力形成的抵抗力矩之间的不平衡(见图3(c))；张拉破坏是由于重力与抗拉力间的静力不平衡；而剪切崩塌主要是由于悬空体破坏面上重力与黏聚力间的不平衡。悬臂崩塌的稳定性可基于悬臂梁临界平衡理论，确定临界条件下的悬空宽度。当实测悬空宽度超过该值时，认为上部土体会发生崩塌，反之则维持稳定[31]。

图3 不同崩塌模式下的力学机理Fig.3 Mechanical mechanism of different erosion modes

窝崩发生的力学机理较为复杂，且尚不明确，但水流动力条件分布不均、岸滩结构的不连续性及抗冲能力分布不均通常是其发生的主要原因[32-33]。当局部岸段土体的抗冲能力突然减弱，水流切应力大于土体临界切应力，导致土体被剧烈淘刷，形成楔入的深槽，深槽逐步发展并形成回流，其形态及强度等随着窝崩的发展而不断变化(见图4)。回流的形成，导致窝塘内存在较高水流切应力，从而致使大量土体继续坍塌，且滑落的土体不断被回流分解并输送至窝塘口门，再由主流输送至下游[34-35]。

图4 窝崩内部水流结构[16]Fig.4 Flow regime in the pit-slide erosion[16]

2.3 崩岸影响因素

根据崩岸影响因素性质的差异，可将其分为河岸边界条件及动力条件。前者主要涉及河道形态、局部岸坡形态、河岸土体组成、植被覆盖及护岸工程等多因素，后者主要涉及河道水流对近岸河床及河岸土体的侵蚀、重力侵蚀及河岸土体内部及表面动力过程(渗流、冻融及干燥等)造成的侵蚀等。

2.3.1 河岸边界条件

通常情况下河道弯曲程度越大，水流顶冲作用越强(尤其是在凹岸侧)，崩岸发生的频率越高。Begin[36]提出了弯道凹岸受到的单位冲击力与河道曲率半径与河宽(R/W)的比值的函数关系。代加兵等[37]的研究表明黄河毛不拉及陶乐河段的塌岸量与河流弯曲度呈现正相关关系。局部岸坡形态是近岸水沙运动塑造的结果，但从短时段尺度来看，也是决定后续是否会发生崩岸的主要因素之一。崩岸段通常为高大陡坡，如长江中游荆江段崩岸区岸坡的坡比在1∶1.5～1∶2.0之间，河岸高度介于10～20 m[38]。此外，对具有不同土层组成的河岸而言，黏性土河岸的稳定性一般大于二元结构河岸，后者又大于非黏性土河岸。原因在于：黏性土层越厚、黏粒含量越高的河岸，其整体的抗剪及抗冲性更强。如土体的起动切应力(抗冲性)随着黏粒含量的增加而增加，且可采用黏粒含量的多项式函数关系进行估计[39]。Torrey[40]研究了密西西比河下游岸坡稳定性与土体二元结构的关系,发现当下卧砂土层厚度与上覆黏土层厚度之比<0.7时, 岸坡基本处于稳定状态。部分研究者则侧重于河岸带植被覆盖对崩岸过程的影响，包括植被生长造成的土体内部含水率和基质吸力等的变化，及植被根系加筋作用引起的根-土复合体抗剪强度的增长[13, 41-42]。

护岸工程的实施不同程度地改变了河岸的边界条件，并使得相应区域的流速场等发生改变。通常情况下，护岸工程前缘会发生较为剧烈的冲刷[43]，继而很可能导致护岸工程的损毁。另外，护岸工程损毁过程还与护岸材料及结构型式等有关，通常可将护岸工程分为散粒体、排体及刚性体。散粒体护岸以抛石护岸为代表，其损毁模式通常包括块石直接被水流带走、平移滑动、抛石层塌陷及河岸土体的塌陷[44]。其中平移滑动主要是由于河岸坡度较陡或坡脚被水流侵蚀，引起大量块石下滑，或由于抛石不均形成空白区，在水流淘刷下，块石大量下滑[43-44]，而抛石层塌陷及河岸土体的塌陷多是由抛石层或土体内部过剩的孔隙水压力引起[44]。排体护岸的水毁与排体头、尾部及前沿的冲刷程度密切相关，若冲刷过于严重，排体会出现下滑或拉断等的现象，或者发生翻卷及局部破坏[45]。刚性体护岸工程的损毁原因则与其无法适应水流冲刷作用下的河床变形有关[43]。由此可见，护岸工程的实施可有效地维持河岸的稳定，但其自身的损毁过程十分复杂，而现有研究对于定量评估护岸工程实施后自身稳定性的研究较少。

2.3.2 动力条件

通常情况下，水流冲刷是冲积性河流崩岸现象发生的最主要驱动因素，因此较早的研究中通常将崩岸现象的发生仅归结于河道水流的冲刷过程。重力作用对河岸土体侵蚀与河岸边坡的形态有关，而后者又由水流冲刷来塑造。因此，基于河流平衡态的研究认为河道展宽的程度取决于水沙特征因子，如造床流量或平滩流量等[46-47]，而基于动力学过程的研究则认为河岸土体的横向冲刷速率与水流剩余切应力存在幂函数关系[11,48]。随后的研究开始关注河岸内部及表层的动力过程，例如河岸内部渗流过程引起孔隙水压和基质吸力的变化及其对土体颗粒的侵蚀作用[49-52]，又如由冻融及干燥等造成的河岸土体的流失[53-55]。Karmaker等[30]通过试验研究分析了渗流侵蚀对二元结构河岸崩塌过程的影响，并建立了河岸崩塌时间与渗流比降的经验关系。Henshaw等[55]分析了冻融次数对英国Severn源区崩岸过程影响，指出崩岸速率随着冻融次数的增加而增大。

水流运动是崩岸过程最主要的驱动因素，而后者对前者同样存在反馈作用，且主要表现为：①大幅度崩岸致使河宽明显调整后，可能会改变相应区域的河势，致使主流摆动，水流流速降低；② 崩岸形成的坡脚堆积体，一方面对近岸河床起着一定掩护作用，一方面又改变了局部水流结构，加剧局部河床的冲刷。余明辉等[56]曾基于概化水槽试验结果指出：崩塌体临水面周围，尤其是上、下游区域，水流紊动强烈，易形成较大剪切力区，且崩塌体的体积越大，引起的剪切力变化也越明显。

综上可知，崩岸机理复杂，影响因素繁多，且各类因素之间相互作用。例如：河道形态约束水沙运动过程，后者塑造了局部岸坡形态，而崩岸现象又致使近岸水流结构作出改变；河道水位升降影响着河岸内部渗流过程，后者侵蚀河岸土体颗粒，并改变了土体内部孔隙水压及基质吸力分布，继而影响河岸土体的物理力学特性；局部河床冲刷导致护岸材料发生滑移变形，渗流作用致使护岸工程发生局部破坏或整体塌陷，而护岸工程又改变了河床冲刷及渗流的发展过程。然而，现有研究对于如何准确描述这些因子间的相互作用尚不完全清楚。

3 崩岸数值模拟技术研究现状

崩岸数值模拟技术可分为基于经验方法及基于动力学方法的崩岸过程模拟，前者通常以河床演变学为基础，构建崩岸特征参数的经验计算关系，后者则结合河流动力学与土力学理论，实现水沙输移与崩岸过程的耦合模拟，故此处分别介绍两类崩岸模拟方法的研究现状。

3.1 基于经验方法的崩岸模拟

3.2 基于动力学过程的崩岸模拟

基于动力学过程的崩岸模拟技术以水沙数学模型为基础，耦合河岸稳定性分析模块，用于模拟河床的纵向与横向变形过程。这类方法具有较强的动力学机制，可用于计算崩岸的发展过程[16,29,63-65]。

3.2.1 水沙数学模型

水沙数学模型主要包括水沙输移与床面冲淤计算两部分，已出现很多比较成熟的一维至三维数学模型如：美国陆军工程兵团开发的HEC-6一维模型，丹麦水利所的MIKE21二维模型、代尔夫特水力学所提出的Delft3D模型等。早期模型多基于平衡输沙假设，随后引入了非均匀沙不平衡输移理论，并考虑了全沙(悬沙及推移质)的输移过程[66-67]。结合研究区域的特征，不少研究者对模型进行了改进，如考虑多沙河流浑水与床面交换对流量的影响、非黏性沙与黏性沙冲刷过程、植被对水沙运动的影响及异重流运动等[68-71]。然而，尽管水沙数值模拟技术已取得了较大的进展，但在长距离非均匀沙不平衡输移过程的计算中，仍存在较多关键性问题有待解决，例如：河道阻力随时间及空间的变化、非均匀沙分组挟沙力计算公式(挟沙力级配调整)以及恢复饱和系数计算等[72-74]。

3.2.2 崩岸模型

基于力学过程的崩岸数学模型以土力学及河流动力学理论为基础，将水沙输移及床面冲淤计算与土体力学平衡分析相耦合，从而实现崩岸过程模拟。这类方法具有较强的力学机制，能反映崩岸的发展过程。其中断面尺度及一维尺度的崩岸模型分别以美国农业部(USDA)提出的BSTEM和CONCEPTS模型为代表，两者均被大量应用于科学研究及工程设计[75-77]。BSTEM模型可考虑坡脚冲刷、孔隙水压、植被等因素对崩岸的影响，而CONCEPTS则将BSTEM模型与一维水沙动力学模型进行了耦合。然而，BSTEM模型中关于孔隙水压的计算较为简单，暂仅依据假设或实测(输入)的潜水位值进行计算。Klavon等[77]对BSTEM模型进行了评估，指出该模型有必要进一步考虑土体抗侵蚀能力在时间及空间上的变化和植被根系对土体抗剪特性的影响，并耦合渗流过程计算模块。

基于局部网格可动技术或冻结法，耦合二维及三维水沙动力学模型与断面尺度崩岸模型，不少研究实现了局部更为精细的崩岸过程模拟[12,14,78]。但多维崩岸数学模型相对复杂且计算量大，因此通常对崩岸机理进行了较多的简化，考虑的影响因素相对较少。部分近期关于崩岸模拟的研究逐步增强了对多类影响因素的综合考虑。如Rousseau等[15]考虑了水沙运动、植被、潜水自由面变化(渗流)及坡脚堆积多个因素的影响，对崩岸过程进行了模拟，但是该研究中采用了简单的指函数关系来计算潜水自由面的变化过程，仍不能准确地反映潜水自由面随河道水位升降等因素的变化过程。因此如何更为准确地模拟水流冲刷、渗流及河道水位变化等过程间的相互作用仍是崩岸模拟技术需要解决的关键问题。另外，现有数学模型通常适用于天然岸段的河岸崩退过程，而很少可直接用于计算护岸段河岸的崩退过程。

4 崩岸监测预警技术研究现状

监测预警技术在山洪、泥石流等自然灾害领域应用较广[79-81]，但目前在河流崩岸方面应用较少。建立冲积河流的崩岸监测预警机制首先需要解决2个关键技术问题，即崩岸监测和崩岸预警指标确定及等级划分。

4.1 崩岸监测技术

崩岸测量方法一定程度上取决于研究者所关注的时间及空间尺度。从地貌学角度，研究者通常关注于长河段长时段(>100 a)的崩岸过程。采用的手段主要基于沉积特征、植被特征以及历史资料(记录、报告、遥感影像)等。然而从河流动力学及实际工程应用角度而言，崩岸监测通常关注于短时间尺度内(一场洪水过程或汛期内)的崩岸过程，需要更为精确的测量结果，关注焦点也通常局限于局部河段。因此通常采用的方法包括重复断面地形测量、重复平面位置测量和河岸变形监测。

在断面地形测量方面，通常采用全站仪、电子水准仪、单波束测深系统、多波束测深系统等仪器开展水下和陆上地形测量[82]，继而通过对比不同时刻的地形数据，来获取相关崩岸信息，如河岸高度、坡度及坡脚冲刷幅度等。这类测量所需要的人力和时间成本较高，通常不能做到实时的大范围精细测量。在平面位置测量方面，则可采用数字航空摄影技术，例如利用无人机航空摄影技术获取不同地形特征的平面坐标，从而实现对局部岸线调整的观测[17-18]，以及基于遥感影像提取监测河段地形地貌信息，反映岸线变化过程[83]。该类监测方法所需要的时间成本相对较低，但受限于无人机航空摄影频次及遥感影像采集频次。河岸变形监测通过埋设多点位移计、沉降仪以及压力计等设备来测量土体内部的位移或变形[17]，结合网络通讯技术，可实现数据的实时采集与传输，用于实时分析险工段河岸的稳定性。然而，受野外条件的限制，这些设备的安装、维护及布置存在较大的难度，因此现阶段在实际工程中的应用相对较少。

除了崩岸现象本身，崩岸监测还需包括其主要影响因子的测量，比如河道来水来沙条件及局部水流运动特点。在沿程各水文断面开展的流量、含沙量及水位等过程的测量及各水位断面的水位过程测量，可用于实时分析研究河段的水位涨落、洪峰过程及河段整体冲淤情况。走航式声学多普勒测流技术可测得局部河段(尤其是急弯和分汊段)的水流结构，对于研究局部复杂水流条件对崩岸过程的影响具有重要意义，但受限于时间及人力成本，通常仅能获得特征流量下的水流结构。由于崩岸成因复杂且具有突发性等特点，崩岸监测需要开展的内容较多，对于大江大河，要实现全覆盖实时监测具有很大的难度，因此多以局部重点段监测为主，同时可利用遥感技术等兼顾一般岸段的崩岸监测。

4.2 崩岸预警指标及等级划分方法

现有预警等级划分方法以实测地形资料分析为主，通过深泓及河岸坡度、高度等特征指标的变化来判定崩岸危险区域并评估其预警等级。部分研究以崩岸可能性大小或河岸稳定性的程度来确定预警等级[21,84]，或结合崩岸对沿岸人民生命财产安全等的危害程度来划分崩岸预警等级[17,22,85-86]。例如，李义天等[21]选取河岸坡比为预警指标，预警过程包括临界坡度确定、深泓冲刷深度预测及河岸稳定性分析3个方面。该研究基于一维水沙输移及床面冲淤数学模型预测了研究河段断面平均冲刷深度，并基于经验关系，预测了深泓的冲深幅度，继而修正各断面河岸形态。对比预测坡度Sa与临界坡度Ss的大小，将护岸方量<100 m3/m且0.9Ss≤Sa设为预警岸段，其中0.9Ss≤Sa≤Ss设为警戒岸段，Sa>Ss设为危险岸段，其余为一般岸段。

荆江市长江勘察设计院和长江科学院提出了基于分值评估体系的崩岸预警方法[84]，其核心内容在于通过设立条件特征、冲刷过程及岸线状况特征三大条款及相应的子条款，并基于大量实测数据评估岸坡在这3方面获得的分值，进而确定加权后的综合分值，由此判断一般、二级设防、一级设防及警戒4类预警岸段。该方法考虑了河岸土体组成、渗流、河床冲刷及护岸工程等多重因素的影响，但各条款分值的评估未有明确的标准。

另外，刘东风等[22]提出结合河道演变分析、近岸断面套绘、岸坡稳定计算等方法，开展长江崩岸预警工作，并依据崩岸可能性及危害程度将崩岸预警划分成Ⅰ—Ⅲ等级。曹双等[23]提出了崩岸预警综合评估方法，包括河演分析、水流运动数学模型计算及岸坡稳定性分析等方面，但各类方法预测指标不一致，各类方法间的耦合问题还有待解决。可见，现有崩岸预警指标不统一，等级划分手段多样且等级设定存在明显的差异，各方法获取的结果较难相互转化，且均存在较强的经验性。需要寻找更为合适的崩岸预警方法，并且融合经验方法及数值模拟等多种手段，提高崩岸预警的准确度。

5 结论与展望

冲积河道崩岸研究从机理—数值模拟—监测预警， 形成了由基础理论研究向工程应用技术研究的发展。 在机理方面， 现有研究对不同类型崩岸的力学机理及不同影响因子的具体作用开展了定性及定量分析， 揭示了不同河道崩岸现象的主要控制因素， 同时为崩岸数值模拟技术奠定了基础。 另外， 将崩岸力学模型与一维至三维水沙数学模型耦合， 实现了不同尺度的床面冲淤与崩岸过程的耦合模拟， 可用于计算崩岸的发展过程等。 结合现代测量技术开展的崩岸监测工作， 为崩岸机理及模拟提供了大量的基础数据， 同时也服务于崩岸预警技术。 由此可见， 冲积河道崩岸研究已取得较大的进展， 但仍存在以下关键科学及技术问题有待解决：

(1)不同崩岸影响因素间的相互作用关系及其量化方法。崩岸现象的发生通常是在多因素的共同作用下发生的，对于不同的河段，其主导因素可能存在区别，因此研究各类因素的相互作用关系对于明确不同河段崩岸现象的发生机理具有重要的意义。此外，如何有效刻画不同类型护岸工程水毁过程的力学机理并给出变化水沙条件下的稳定性计算方法也有待解决。

(2)崩岸数值模拟技术对机理的简化及对河岸土体特性等数据的需求一定程度限制了其在实际工程中的运用，如何有效地在模型中更为全面地考虑崩岸发生的机理及刻画河岸边界条件的沿程变化过程等值得探讨。

(3)如何综合利用现代测量及信息技术，实现点-线-面结合的崩岸监测工作。崩岸现象成因复杂，崩岸监测涉及的要素较多，因此通常以局部重点岸段的监测为主。然而崩岸现象具有突发性，因此如何结合数字航空摄影技术等现代技术，实现不同尺度下的崩岸监测工作，是需要解决的问题之一。

(4)崩岸预警等级划分指标体系的确立及划分标准。在崩岸数值模拟及监测的基础上，开展崩岸预警工作，需要对模拟和监测结果进行提炼与整合，确定预警指标，同时还需考虑预警河段工程布置、人口分布及河势情况等。因此，需要提出一套有效的预警指标体系，并给出相应的等级划分标准。