河道崩岸评估方法研究进展

李 享 邓彩云 李凌云

(长江科学院水利部江湖治理与防洪重点实验室,湖北 武汉 430010)

1 引 言

崩岸是河床演变过程中水流对堤岸冲刷、侵蚀、发展积累产生的突发事件。江河岸坡崩塌不仅引起河道平面形态的改变,使上下游河势调整产生变化,而且对航运、防洪、灌溉以及沿江两岸的生产生活带来不利影响,严重时更会危及人民群众的生命财产安全。据不完全统计,2003—2021年长江中下游干流河道共发生崩岸1044处,累计崩岸总长度超746km[1],且多数崩岸具有隐蔽性与突发性,必须引起足够的重视。若能提前发现或预测险情并进行预防处理,就可以减轻甚至避免崩岸灾害造成的损失。由此可见开展崩岸评估对于“努力实现从注重灾后救助向注重灾前预防转变”有着重大作用。为此一些学者开展了崩岸评估方法的研究,取得了多方面成果,但由于崩岸通常是多种因素耦合作用下的结果,现有的研究深度尚难以完全准确地表达崩岸机理的内在关系,因此目前还难以建立一套完善的崩岸评估方法。

2 崩岸类型和影响因素

从崩岸机理的研究角度出发,对崩岸类型进行合理划分是崩岸评估工作的基础。根据崩岸的形态特征,余文畴等[2]将长江中下游河道崩岸形式大致分为窝崩、条崩和洗崩3种类型(见图1)。张幸农等[3-4]认为崩岸存在浅层崩塌、平面崩塌、圆弧滑动崩塌及复合式崩塌等4种岸坡失稳破坏模式,并将崩岸归纳为侵蚀型、坍塌型、滑移型和迁移(流滑)型4种类型。

图1 不同形态特征的崩岸

对于不同类型的崩岸,如何识别其关键影响因素及其对崩岸的作用直接关系到崩岸评估结果的科学性和准确性。鉴于影响崩岸的因素众多,相互间作用机理十分复杂,国内外学者采用多种途径及方法对崩岸问题进行了研究,对崩岸成因所持的观点和理论也不尽相同。总体来说,崩岸的宏观影响因素主要包括3个方面(见表1):一是水流动力条件;二是河道边界条件;三是人为因素[5-6]。

表1 崩岸影响因素

Osman等[7]和Thorne等[8]认为水流动力条件是崩岸的主导因素,坡脚冲刷使岸坡变陡、近岸床面下切使河岸高度增加是引起河岸崩塌的主要原因。余文畴等[5]进一步分析认为崩岸的水流动力条件主要包括近岸水力条件、泥沙运动条件以及次生流影响等。金腊华等[9]从河流动力学角度探讨了堤岸天然形态、水文条件及局部河势对崩岸的影响。

河道边界条件既包括近岸河床、河岸物质组成与结构的微观边界条件,也包括滩槽高差、岸坡坡比等河岸几何形态的宏观边界条件。不同土体组成的河岸,其物理力学特性和失稳破坏类型与机理也不同。Millai等[10]在对砂砾石河岸的稳定性研究中,认为泥沙中值粒径及休止角等河岸土体参数对其稳定性有一定影响。Julian等[11]对黏性土河岸的水力冲刷进行了研究,分析了黏粒及粉砂含量对黏性土起动的影响。杨怀仁等[12]在分析荆江二元结构河岸稳定性时,发现河道的抗冲性将会随着岸坡上层黏性土淤积深度变厚而增强。Darby等[13-15]考虑的影响河岸稳定性的边界条件因素,包括岸坡坡度、土体组成及其分层情况以及渗流作用等。Simon等[16,19]指出土体内孔隙水压力和基质吸力等是影响河岸抵抗水流冲刷的主要因素。张幸农等[20]认为土体物质组成及分布、岸坡局部地形对河道的稳定性影响很大,是崩岸发生的主要内在因素。

近些年来,随着长江两岸的经济发展,人类活动对河道崩岸的影响日益增大。对河道崩岸有直接影响的人为因素主要包括兴建水库和拦水坝等挡蓄水建筑物、近岸河床采砂、江边兴建码头、丁坝等突出涉水建筑物以及在近岸江滩上堆卸货物等[21]。如河道内采砂(见图2)以及在近岸江滩附加荷载等都容易诱发和加速崩岸的发生。

图2 河道内采砂

3 崩岸评估方法研究进展

在崩岸影响因素认知和崩岸机理研究的基础上,许多专家学者尝试从不同角度和方法对崩岸评估开展研究,大体可划分为基于经验的评估方法、基于力平衡分析的岸坡稳定计算方法、基于岸坡崩退的数值模拟评估方法和河岸稳定性综合判断评估方法这4类评估方法。一些评估方法虽未能达到应用级层面,但对推动崩岸评估方法研究的日臻完善都是有益的尝试,下文对这4类崩岸评估方法研究成就进行介绍。

3.1 基于经验的崩岸评估方法

在人工巡查、近岸地形测量的基础上,采用经验进行岸坡稳定评估作为最直接的评估方法,广泛应用于沿线河道管理部门的定期巡检和监测任务中。长江沿线各属地河道管理机构会定期组织工作人员沿长江巡查岸线现状,结合对某些险工段近岸地形变化的重点监测,评估岸坡稳定性。例如张家港长江治理工程管理处[22]对其管辖范围的河岸险工段进行定期巡视、监测。长江水利委员会长江科学院、水文局[23]等也多次组织专家学者对长江进行人工实地巡查。

通过定期巡查、监测可以及时直观地了解局部河势调整(如主流贴岸程度、顶冲角度及其位置变化等)、岸坡外观状态(如自然岸坡坡度、护岸工程完好程度等)、近岸河床的冲淤变化情况等,通过自然(成因)历史分析、条件类比、专家系统决策等方法,依靠评估者多年积累的丰富经验判断崩岸发生的可能性,并总结得到经验性的河岸稳定性判别依据。如李义天等[24]提出以稳定坡比作为判别崩岸的指标。唐金武等[25]研究指出长江中下游稳定坡比取值范围为0.23～0.45。

3.2 基于力平衡分析的岸坡稳定计算方法

大量学者在对河道崩岸成因、发展过程以及影响因素等崩岸机理展开分析和试验研究的基础上,从土力学角度分析岸坡变形过程中驱动力与抵抗力的平衡关系,建立了基于力平衡分析的岸坡稳定性计算方法。

据目前认识,剪切破坏、拉伸破坏和绕轴崩塌是河岸变形崩塌中常见的三种力学破坏机制[26],不同破坏模式中驱动力和抵抗力有不同的表现形式。相关学者针对不同岸坡土体结构与崩塌模式,分别以临界抗剪强度、临界抗拉强度作为河岸稳定性分析标准,提出了相对河岸高度[7]、临界挂空长度[26]及临界崩塌高度[27-28]等河岸稳定性判别指标,并通过引入土力学中的边坡安全系数概念,开展岸坡稳定性计算,构建稳定性判别模型。经典的Osman-Thorne模型(见图3)提出了河床冲深、河岸侵蚀后退过程中较陡岸坡稳定性分析方法[7,13]。对于坡度较缓的河岸,则采用瑞典圆弧滑动法[29]、Bishop法以及Morgenstern-Price法来分析其稳定性[30]。Simon对Osman-Thorne模型进行了优化并逐渐发展成为BSTEM模型[17,31]。王延贵等[32-33]分析了折线型河岸发生初次崩塌和二次崩塌的稳定性,得到了河岸崩塌高度的计算公式。

图3 Osman-Thorne模型河岸崩塌临界力平衡分析

在实际应用中,尹国康[34]通过理论分析,采用土坡失稳计算理论,对河岸变形规律及河岸崩塌进行研究。宗全利等[35]对上荆江典型断面的崩岸土体进行现场取样并进行室内土工试验分析,研究崩岸土体组成及其力学特性,计算得出了不同水位和不同地质条件下的河岸稳定安全系数。王延贵等[36]采用模型试验结合理论分析的方法对冲积河流的崩退模式和崩退速率展开研究,提出了多种崩退模式,并根据崩塌临界状态推导了不同崩退模式下的崩退速率计算公式。段金曦等[37]对不同河型河道崩岸的特点以及崩岸机理进行分析,提出了考虑河岸动水压力对崩岸作用的抗滑稳定性计算公式,并利用河道深泓离岸距离和水深来判定河道岸坡稳定性。

3.3 基于岸坡崩退的数值模拟评估方法

随着计算机技术的发展,结合断面尺度的崩岸模型和河道尺度冲淤演变模型的数值模拟评估方法逐渐应用于崩岸模拟评估中。

夏军强等[38-39,41]和王英珍等[40]以Osman与Thorne(1988)[7]提出的河岸稳定性分析方法为基础,运用多尺度模拟方法将河流动力学与土力学结合,提出了荆江河段河岸土体物理特性与抗剪、抗冲及抗拉强度三大力学特性的量化指标,建立了上、下荆江二元结构河岸稳定性的计算方法,揭示了坡脚冲刷、潜水位变化等因素对岸坡稳定性的影响;提出了河岸崩退过程的多尺度模拟方法(河岸崩退数学模型计算流程见图4),将崩岸力学模型与水沙数学模型耦合,不仅能模拟河道内水沙输移及床面冲淤过程,而且还能模拟不同二元结构河岸的崩退过程。假冬冬等[42]基于水动力-冻胀/冻融耦合作用下的岸坡崩塌三维受力模式,考虑纵向相邻土体和冻胀对土体开裂等作用开展三维数值模拟分析,对季节性冰冻区河床冲淤和岸坡崩塌过程有较好的模拟效果。

图4 河岸崩退数学模型计算流程

3.4 河岸稳定性综合判断评估方法

近年来,鉴于河道岸坡稳定性与水沙动力、边界条件、水文气象、人类活动等多方面的影响因素存在复杂的非线性关系,而现阶段崩岸机理尚难以全面揭示和表达不同影响因素之间的物理作用机制,一些研究者提出了对不同类型崩岸关键影响因子进行组合赋权值作为河岸稳定性判数的综合评估方法。

何广水等[43]、邓彩云等[44]分析河岸现状、地质和护岸边界条件、河势变化、近岸河床冲淤和岸坡坡比变化等因素,构建了河岸稳定性监测分析与评估方法。该评估方法将河岸稳定性评估指标体系分为目标层、属性层和指标层3个层次(见图5),综合考虑了岸线现状、以河势变化为主的动力条件和以岸坡地质与护岸完备性条件为主的边界条件等岸坡稳定性影响因素。以近岸河床冲刷程度和坡度变化情况为主的岸坡稳定性变化过程等因子,结合大量实测资料对各指标的量化分值进行探讨和加权赋分。参考河道行洪安全管理惯例和气象预报提示惯例,根据综合评估结果构建了蓝色、橙色和红色预警的三级崩岸风险划分方法(见表2),目前该方法已经实际应用于荆江河段岸坡稳定性评估,也取得了较好的应用效果。

表2 崩岸风险等级划分

图5 河岸稳定性评估指标体系结构

孙启航等[45]、徐芳等[46]用实测断面及水文资料,采用层次分析法,建立层次结构模型,构建判断矩阵,由两两比较判断矩阵得到崩岸影响因素的一组权重值,继而得出哪种因素起主导作用,并得出各崩岸影响因素主导崩岸时的影响权重值。

曹双等[47]从引发崩岸的主要因素出发,建立综合评估法,详细介绍了各因子的评估技术手段、要求等,并以扬中河段为例,计算了高流量期、平滩流量造床期、水位快速消落期及枯水期三级崩岸预警区的分布情况。

刘东风[48]总结了安徽省长江崩岸预警方法,基本流程包括摸清河岸基本情况、分析河势变化趋势与近岸变化程度、计算岸坡稳定性系数、分析崩岸发生可能性与崩岸造成的危害程度、拟定崩岸预警区,划分崩岸预警分级标准。

舒星等[49]在层次分析法的基础上结合熵权法对临江岸坡稳定性展开研究。基于临江岸坡水位监测信息,分析影响临江岸坡安全的主要影响因素,构建临江岸坡安全性模糊综合评价模型和安全评判多层结构体系,对不同评价因素的指标集划分评判等级。

4 崩岸评估方法综合评述与分析

4.1 不同类型崩岸评估方法具体评述

上述从不同的角度和方法开展的崩岸评估研究对崩岸评估工作的日趋完善起到了推动作用,现对其进行评述分析。

基于经验性的崩岸评估方法对崩岸的预测效果依赖于大量实测资料的统计分析和长期工程实践中积累的经验,受限于评估者的经验和学识,不同评估者得出的结论可能存在较大差异。然而,经验性方法具有能较快得出评估结果的优点,尤其是河道水流和边界条件处于无时无刻的发展变化过程中,开展岸线巡查和重点河段监测仍然十分必要,根据巡查和监测结果可迅速判断河岸的稳定性并及时预警突发性崩岸,对控制崩岸危害程度至关重要。

岸坡稳定性计算法具有物理机理清晰的优点,但同时对计算条件均进行了或多或少的简化,存有多种假设条件,往往成为制约计算结果与实际情况一致性的关键。稳定计算过程中需要用到大量诸如裂缝深度、内摩擦角、水下休止角、渗压等相关参数,而这些参数往往需要采用经验法和室内实验资料进行参数率定获取,且所获参数与现实情况通常存在一定出入,导致应用于实际河道崩岸预测时可能与实际情况存在一定差异。

得益于电子信息技术计算能力的提高,数值模拟评估方法具有低成本、速度快、大尺度等诸多优点,还能突破时间和空间的限制开展评估研究。基于岸坡崩退的数值模拟评估方法能够预测不同水沙组合条件下较长河段内的床面冲淤及河岸崩退过程,还能给出河岸崩退的沿程分布情况及崩退强度。但对实施有护岸工程的岸坡和人类活动诱发的崩岸,需进一步优化嵌套在河床冲淤模型中的断面尺度崩岸模型。

河岸稳定性综合判断评估方法可较为全面地考虑不同类型崩岸的关键影响因素,同时将各影响因素间的相互作用作为“黑箱”进行封装,是对岸坡稳定性评估研究的有益尝试,该方法具有较强的可操作性,部分评估方法已经运用到工程实践中,取得了较好的应用效果[50]。但在进行综合评判时,未能科学确定各因子的权重,仍需经验评估和判断。

4.2 崩岸评估方法存在的系统性问题

不同类型的崩岸评估方法均有一定的研究和应用价值,但各类评估方法仍存在以下几个系统性的问题:

a.崩岸机理研究不够深入,崩岸影响因素之间的耦合作用难以确定。崩岸的发生属于内因与外因相互耦合作用下的产物。而现有崩岸机理研究工作大多是基于河流已发生崩岸现象的影响因素分析或经验性总结。虽然也有基于概化物理模型的试验研究,但考虑的因素不够全面,概化的合理性也存在疑问,研究深度尚不能从崩岸机理的层面上来量化各崩岸影响因子之间的相互作用,以及定量分析各因子对岸坡稳定性影响程度。

b.崩岸主导因素的权重无法确定。在评估过程中存在着崩岸主导因素难以量化的难题,且在量化过程中也会带有主观色彩,从而影响量化的准确度。

c.计算过程存在大量简化。由于天然河道河岸组成较为复杂,无论是进行岸坡稳定计算还是进行数值模拟计算都需要对计算过程的方法进行一定的简化,与实际情况有所出入,计算结果的精确性也无法完全保证。

5 结论与建议

历经数十年发展,崩岸评估方法形成了基于经验评估、稳定计算、数值模拟、综合判断等多角度的研究体系,其中既有定性分析也有定量计算,在实际运用中均取得了丰硕的成果。基于前文所述,对今后的崩岸评估研究工作提出以下建议:

a.加强崩岸机理的理论研究。目前对于崩岸机理的理论研究还不够透彻,各崩岸因素之间的耦合作用难以厘清。崩岸评估的研究工作建立在崩岸机理的研究基础之上,加强崩岸机理的理论研究对崩岸评估工作至关重要。

b.重视河道实测资料的收集与分析。对河道实测资料提供的相关数据进行分析整理,掌握河道崩岸的时空分布规律,同时也能根据相关资料数据对河道崩岸评估的成果进行对比,以此来验证评估方法是否准确合理。

c.开展多学科交叉研究。影响崩岸的因素众多,涉及水力学、土力学、河流动力学、河床演变学等多个学科的研究内容,亟须融合多学科方法与技术开展崩岸评估研究工作。