长江九江河段河床演变与崩岸问题研究(徐永年,梁志勇,王向东,李文武,杜英奇)

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长江九江河段河床演变与崩岸问题研究

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徐永年梁志勇王向东李文武,杜英奇
'NA DB3L\3O%T0中国水利水电科学研究院)水利论文%t\9Q~"^o

摘要:河岸由于水流的侵蚀可引起崩岸,而防止崩岸的主要方法是护坡。崩岸的治理应该首先明确侵蚀的部位和机制。本文从机理上对崩岸进行了分析,把崩岸分为四种形式:窝崩、溜崩、条崩和洗崩。对九江江新洲河段河床演变与发展趋势进行了分析,并认为江新洲洲头左缘等处受水流顶冲,岸线崩塌。建议尽快对河段冲刷较大的部位、岸线进行护岸加固。

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关键词:九江河段;河床演变;崩岸;窝崩;溜崩;条崩;洗崩

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作者简介:徐永年(1961-),男,中国水科院高工。
:mglSo2O9^0收稿日期:2000-12-11
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1 前言

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  九江河段河床变化趋势是河槽主流不断南移,形成南刷北淤,河床束窄,河宽最窄处由历史上的20km发展到现在的1.4km。深泓距岸仅70m,河床高程-17m左右,主流逼近南岸,岸脚淘刷严重,造成九江堤岸极不稳定,险情险段频出。江新洲河段河势变化较为复杂,90年代后,江新洲上游左岸边滩不断发展,左汊深泓持续南移,特别是1998年洪水后,南移趋势加剧。1999年在江新洲洲头北岸1km、园林洲1.5km、同兴段200m和新洲总场门前1km等四处发生较为严重的崩岸,最大崩幅达25m,下沉2~3m,严重威胁防洪大堤安全,给工农业生产及人民生活带来巨大损失[1]。目前,江新洲洲头一直被冲淘,每年以6m的速度崩退,最大达每年18m。江新洲南岸的短丁坝群之间的窝崩达19m,丁坝间岸坡陡立,江岸危在旦夕,急需治理。水利论文-Z uP \/{O#G

2 崩岸问题研究水利论文,UFH{VTt

2.1 崩岸问题

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  河岸崩塌与河床演变关系最为密切。崩岸是河床演变过程中水流对堤岸冲刷、侵蚀发生、发展积累的突发事件。根据所在的位置不同可分为海岸、湖岸、库岸、河岸崩塌等。

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  决堤造成洪水灾害:洪水季节崩岸可以直接导致决堤而造成洪水灾害。在日本由侵蚀和冲刷所引起的决堤占全体的10%左右[2]。我国黄河决堤中也占全体的10%左右[3]。在1998年洪水中,长江中下游江堤3 600km中外滩崩岸长度就有1500km,沿江崩岸险情就发生327起,占各种险情的3.4%左右。

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  崩岸导致农田损失:枯季常发生崩岸,如1996年1月3日马湖堤发生决口长约150m、宽80m的窝崩,随后1996年1月8日范围扩大到长960m、宽200m[4]。在水位上升期和下降期也常出现崩塌,如1994年6月11日湖北省咸宁大堤近百公里堤段后退400m,最大崩塌速率为55m/h,1998年10月14日再次发生3小时内崩塌100m的险情[5]。九江大堤自1931年以来后退25次,损失耕地面积3万余亩。

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  崩岸是泥沙来源之一:崩岸险情一旦发生,总是抛石抢险,水下单位抛石量高达每米100~200m3以上,耗资可观且见效暂时,且是河道泥沙的主要来源之一。如黄河来沙高峰年就是晋陕峡谷两侧的黄土崩岸滑塌所产生,而且由于黄土的直立性,多是在水力淘刷悬空后崩岸造成[6]。据1996~1998年遥感调查[7],从武汉至南京划子口约1 479km的江岸,两岸崩塌段占22%,30年来崩岸总面积89.1km2,如平均江岸高差3m,那么崩入长江的泥沙就有267×106m3,如全部淤在长江里,折合淤积量708×106t。这与近三十年内武汉至南京间长江总淤积量770.6×106t比较接近。

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  崩岸具有持续性:崩岸是由于水流顶冲淘刷或主流贴岸冲刷引起,堤外无滩将直接导致堤防溃决,严重威胁堤防的安全。如湖北省黄岗地区巴铺大堤的外滩自1959年到1989年一共后退1.3km。目前,外滩仅100m,严重威胁着大堤的安全。又如长江荆江河段每年以30~50 m的速度后退,而此河段距洞庭湖仅1.2km,如不及时防护,长江有切入洞庭湖的危险[6]。崩岸趋势一旦形成后果严重。

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2.2 崩岸形式及机理水利论文2h_ J\ P{Cj

  崩岸从破坏形式上可分为滑落式和倾倒式。滑落式崩岸的破坏过程是以剪切力破坏为主,分为主流顶冲产生的窝崩和高水位状态下的溜崩。倾倒式崩岸的破坏过程主要是拉裂破坏,可分为主流顺岸贴流造成的条崩和表面流入渗产生的洗崩。水利论文)V)t#I!l^UDn

  窝崩:由于窝崩多发生在河弯的迎溜顶冲部位,主要是在水流冲刷能力很强和土质抗冲性能很差的条件下,且护岸抗冲强度又不连续,才有可能形成楔入的深槽。尤其是位于上下游均有较强抗冲能力的河岸,其间更易发生局部淘刷、形成楔入的深槽[7]。有时,河堤坡面采用了防护,堤脚局部护坡基础埋深不足,导致护坡内部的土体从基础下部流失,由于水流不断淘刷根石部位的床沙,在根石部位形成巨大的冲刷坑,致使根石翻滚流失,出现淘空现象而造成窝崩。窝崩的平面形态一般呈“窝状”或“鸭梨状”,窝体平面宽度接近或大于窝口的长度,如图1所示。

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  溜崩:洪水季节一般持续高水位,河岸长时间浸泡后,土体强度下降,沿着某个滑动面向下溜崩。在水位快速下降过程中,由于土体内部渗透水流外渗,渗透水压力引起河岸溜崩。如图2所示。江岸多由细砂和壤土组成,渗透系数小,压缩性大,抗剪强度低,由高水位向低水位转化时,上部堤岸水压力消失,土体失稳。渗透水向堤外渗出,而形成“管涌”,导致细颗粒流失,土体结构破坏。

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图1 崩破坏模式平面图水利论文xn)Y7ep,OR9@D D
Fig.1 Pattern I of bank failures

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图2 模式图水利论文^m9C-I? jc
Fig.2 Pattern II of bank failures水利论文{.M?W eG hq

  条崩:由于主流贴近河岸对坡脚造成冲刷,临空面增大或者形成陡坎。对自然河岸来说,当上部地层是固结程度较高的粘性土,而坡脚地层是较为松散的砂土时,常常造成淘空而引起沿河岸整体产生崩塌。对这种上下土层土质强度相差较大的河岸,容易形成条崩。如图3所示。坡脚长期处于水下,坡脚组成是以粉细砂为主的情况下,抗剪强度极低,抗滑阻力接近于0。在底部环流的影响下,水流不断冲蚀坡脚,致使坡脚淘空,上部岸坡失稳是形成条崩的主要原因。水利论文$n2~ |pP#UL_-s

  洗崩:堤岸长期承受波浪作用,当堤防顶部发育有张裂隙或张裂缝被雨水充填时,而引发堤防崩岸。这种由波浪或雨水冲洗形成的崩塌称为洗崩。如图4所示。在高水位时波浪越过堤顶,冲刷堤面,形成堤面浅沟状侵蚀。靠近坡面1m左右范围为非饱和区,存在负孔隙水压力,在负孔隙水压力作用下岸坡处于稳定状态,但不断受到波浪冲刷和暴雨侵蚀浅沟,负孔隙水压力消失发生洗崩。

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  以上4种崩岸形式中,窝崩和条崩的强度最大,主要分布于弯道顶部和下部;溜崩多处于高水位向低水位过渡期;条崩多位于深泓近岸,且平行于岸线不直接顶冲的河段;洗崩主要位于江面开阔河段,特别是河口段,受风浪洗刷而崩塌的较多。因此研究崩岸的形式以及崩岸机理非常重要。崩岸不只是局部问题,而且与河床演变的发生、发展有着密切的联系。崩岸又是全局性的问题,影响因素很多,深入研究河床演变与崩岸突变过程将是问题的关键。根据具体河性和崩土情况,全面考虑河势的整治,稳定主流流向,研究出因地制宜的既经济又安全的治理措施。

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图3 崩破坏模式图水利论文;H+V)?,DPm] ZT]0R
Fig.3 Pattern III of bank failures水利论文Hu$q#\J5~*n

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图4 洗崩破坏模式图水利论文G's)N V4u8`1PP`/V
Fig.4 Pattern IV of bank failures水利论文j3~[]6J(Rd7V

3 崩岸与河床演变的关系

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  影响崩岸主要有两方面。一方面是各种影响因素的作用及这些作用的持续时间。另一方面是河岸的高低及组成情况。崩岸主要取决于河流水流的变化程度。与纵向变形一样,横向变形也贯穿于河床演变的全过程。横断面变形可以通过河型来反映。崩岸就是河道渐变积累到一定时达到质变的过程。崩岸的决定因素是水流作用力与河岸抗冲力。二力之大小取决于近岸流速、河槽的相对曲度、断面形态与边界组成条件。水利论文F ~ w }Q z

  河型受来水来沙过程影响很大。来水过程对河槽几何形态起着相当的作用,其影响可以从来水流量和流量变幅两个角度来讨论。来水流量较大时,水流惯性也较大,因此河流将易于保持顺直;反之则容易弯曲。流量变幅较大时,一方面在汛期可以出现较大的洪水,水流易于顺直而切滩,另一方面在非汛期出现较小的水流,使主槽更容易堆积,从而易形成游荡性河流。

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  一定的河床边界条件在来水来沙过程的作用下,形成了具有不同断面形态和平面形态的河流。从河型成因角度出发划分河型是分析研究河床演变现象的前提,因此按照来水来沙搭配与河床和河岸边界条件,将河型分成单股弯曲、单股顺直、多股分汊、多股游荡四种类型的河流[9]

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4 九江河段河床演变与崩岸研究水利论文0`&W]I;Hd4wY8Q,~$Z

  九江河段从大树下到小孤山,长度约92km。其中,江新洲河段为分汊型河道,河道逐渐放宽,左右两汊环抱着江新洲,左右两汊均有一定程度的弯曲,左汊河道长22km,汊内有邓洲;右汊河道长19km,汊内沿上而下交错分布着官洲和新洲,右汊下端有鄱阳湖入汇。水利论文Nl"Z#~#x*C

  江新洲河段左汊主流在汊道入口处紧贴江新洲的洲头段;段窑以下,深槽贴靠左岸,常常造成江岸崩塌,以靠近汊道出口的汇口附近最为剧烈,在江新洲出口处主流也紧靠洲尾段。洲头和洲尾段主流逼近,崩塌严重,洲堤多次退建。水利论文Ei2C:C-FNF

4.1 水沙特性和边界条件水利论文B'J;Q @Lan"e3Y

  据汉口站资料,多年平均流量为23 340m3/s,最大流量为76 100m3/s,最小流量为2 930m3/s。年内最小流量一般出现在1月份,汛期5~10月份径流量占全年径流量的71%左右。多年平均输沙量为4.21亿t,多年平均悬移质含沙量为0.594kg/m3。汛期输沙量占全年的80%左右。

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  河岸物质为疏松沉积物,多具有二元结构的特征。上部为粘土或亚粘土,左岸下部为细沙、中沙或沙砾,右岸下部为沙土。左岸的抗冲性较差,右岸较稳定。两岸河漫滩均为全新时期河流冲积的产物,河床的直接边界由疏松沉积物组成,厚度一般约50m,从上游往下游递增。河床主要是细沙与中沙,床沙中值粒径约0.15mm。水利论文;@ w"U'QN"BY

  江心洲组成物上部亚沙土、亚粘土层中夹有沙、粘土、淤泥,下部为粉细沙,抗冲能力较差。河床沉积物以细沙为主,分汊前细沙一般占65%~75%,汇合后占80%~95%。分汊前右岸河床质粒径偏粗,有时大于15mm的粒径占6%~30%,这些卵石或砾石往往分布于深槽及靠近右岸地带。水利论文.U-n N'F,|lP'Cg

4.2 江新洲分汊段的河床演变

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  江新洲的形成至今约600年左右。江新洲原本叫张家洲,近几年才改称江新洲。江新洲是由蔡家洲、叶家洲、团洲、邓家洲等逐渐淤长合并而成。水利论文CMzOhcV@

  左右汊深泓线从九江大桥以下开始分离,左汊深泓线从1980年到1987年明显北移,左岸边滩萎缩;1987年以后,深泓线逐步南移,其中1992年到1998年南移幅度较大,上下范围最长,在左汊内深泓线几乎从左岸移到了右岸。1992年以来河势不断向单极发展,左岸边滩发展迅速,使得江新洲左汊进口主流贴靠江新洲北缘,河势发生了根本性的变化,对江新洲洲堤威胁日趋严重。1995年与1993年地形图相比,靠近江新洲洲头北缘的深泓南移7到8m,河槽冲深5m左右;特别是1998年大洪水以来,深泓进一步逼近洲头北缘,5m等高线普遍南移,洲头下游2km范围内最大南移250m,并且存在明显的南移趋势,已经危及洲堤的安全。如图5所示。水利论文%R@c'{t$~ w8R

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图5 江新洲河段深泓线的变化
/x Z8uQv @!h0Fig.5 Thalweg shift in Jiangxinzhou river reach水利论文_%b-I#n y&XW%j5Q-n"@

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图6 江新洲汊北缘近十年等高线变化
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Fig.6 Contour changes during the last 10 years on the left channel of Jiangxinzhou branch

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  对比1999年、1998年和1993年地形图,在桩号15+000以前,近岸100m宽度范围内,1993年等高线均在0m或5m以上,到1998年已经冲深到-5m,局部到-10m;1999年虽然靠近洲头北缘桩号14+400到14+500的-10m等高线消失了,但是-5m等高线范围明显扩大。从1998年的50m宽扩展到1999年的100m宽度,长度也有所加长,从桩号14+300上移至14+200。不仅如此,而且这种主流靠近北缘的趋势正在从进口向下游延伸。如图6所示。

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  对比各断面变化图可知,1993年左汊北缘附近*.咛玻*1993年以来左汊北缘附近逐渐形成深槽,其中1998年大洪水的作用应是很大的,最大冲深约15m,一般冲深10到15m。1998年大水以来,近岸深槽有冲有淤,深泓则进一步贴岸,对堤岸造成威胁。如图7所示。

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4.3 江新洲洲头发展趋势分析

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  (1)江新洲河段分流比变化水利论文n E zF+hd"W:y@

  江新洲左右汊的分流比从30年代以来基本上是稳定的,维持在各占一半左右。1998年以来江新洲左汊进口边滩显著淤长,致使主流右移,这可能减少左汊的分流比,增大右汊的分流比。左汊分流比的降低会加剧左汊边滩的发展,使左汊河势发生相应的变化;右汊分流比的增大也会给右汊带来一些新的变化。另外,鄱阳湖水沙特性的变化也会对分流形势产生影响。水利论文2@'w(K [\

  (2)江新洲河段河床演变趋势

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图7 江新洲左汊北缘水下断面变化
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Fig.7 Changes in cross-sections of the left channel of
"he.m])I.N*hA0Jiangxinzhou branch水利论文 j!z%q3D8u

  左汊的演变发展基本上符合弯道的演变规律,即凹岸冲刷,凸岸淤积,在左汊进口附近,上有左岸边滩,下有洲头边滩,上下浅滩交错,河床冲淤多变。但1992年以来由于左岸边滩淤长,洲头浅滩萎缩,主流逼近洲头,并逐渐沿洲头北缘向下游发展,至1999年已经发展到桩号16+000,左汊河势进一步弯曲。这种河势变化将可能使左右汊分流比发生变化,使右汊分流比加大,左汊分流比减少;左汊分流比的减少会进一步加剧左汊进口边滩的发展,近期会使洲头遭受冲刷的情况恶化,长期下去会影响左右汊的发展与演变。另外,左汊的河床演变将随来水来沙的变化及过渡段深泓左右摆动而变化。当来水来沙过程发生某种变化,使江新洲左汊进口段主流切滩时,还有可能恢复左汊进口上下浅滩交错发展的局面。水利论文sTBr{2z E

  (3)上游来水来沙变化的影响

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  三峡工程开始蓄水后,推移质拦蓄在库内,下泄悬移质沙量大为减少,粒径变细,改变了进入下游河道的水沙条件,从而可能引起下游河道发生一系列变化。据长江中下游干流治理规划报告[12],武汉到九江河段在三峡水利枢纽运用的前30年内,河床主要表现为淤积,此后,河床淤积转为冲刷。

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  三峡水库开始蓄水后对该河段的影响不可忽视,特别是对分汊型河段河床演变的影响将是比较明显。近期该河段已经开始发生一些变化,如人民洲支汊的淤积,江新洲左汊河势的变化等。三峡水利枢纽运用后对本河段河床演变可能会产生以下几个方面的影响:(a)泥沙淤积的影响会改变分汊型河段的分水分沙状况,对分汊型河段的稳定性产生影响。(b)河床冲刷的影响会引起滩岸的崩塌与后退,再加上本河段岸坡的抗冲性较差,河床冲刷将加大岸坡治理难度。(c)河势变化除了对河床冲淤产生影响外,还会对下游河势产生影响,从而影响主流、深泓,乃至河型。水利论文 H9rX uM5D

5 结语与建议

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  对九江河段河床演变与发展趋势的分析认为:上段人民洲分汊型河段主流摆动与分流比变化较大,河床冲淤变形剧烈;中段单股型弯道下段深槽下切,岸坡较前冲深变陡;下段江新洲分汊型河段左汊深泓线大幅度南移,使江新洲洲头左缘等处受水流顶冲,岸线崩塌。水利论文7BR!H5JB5~^z$i r v

  崩岸可分为四种类型,窝崩、溜崩、条崩和洗崩。窝崩一般发生在分汊河段,溜崩出现在持续高水位状态,条崩是低水位长期淘刷的结果,洗崩是波浪拍岸、雨水汇集形成的管涌等。  江新洲洲头北缘堤岸位于分汊河段,多次出现窝崩,水位较低时常出现条崩。建议尽快对河段冲刷较大的部位、岸线进行护岸加固。具体部位、护岸长度及护岸标准宜据最新实测地形资料确定。水利论文 d&D3N9IEwA"D!F

参 考 文 献水利论文"pX| a/L.U

[1] 江西省水利厅。长江干流江西河段及鄱阳湖区有关情况介绍。1998年4月。水利论文8PW_4pe.S

[2] 尚村和也。河川堤防の土质工学の研究。日本京都大学博士论文。1971年。水利论文FEM O2\Mco

[3] 刘汉龙等。堤防崩岸机理及其对策探讨。堤防加固技术研讨会论文集。1999年。水利论文)] TH"Uo%YA@PcK

[4] 金腊华等。长江马湖堤崩岸形态及影响因素的初步分析。泥沙研究,1998,(2)。水利论文pD [&j%Y$C(A7i

[5] 陈祖煜,孙玉生。长江堤防崩岸机理和工程措施探讨。堤防加固技术研讨会论文集,1999年。

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[6] 黄士良等。长江中下游环境地质问题及对防洪工程的影响。中国地质灾害与防治学报,1999年。水利论文A0rYnAh5S

[7] 唐日长主编。泥沙研究。葛洲坝工程丛书(2).水利电力出版社,1990年。

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[8] 梁志勇,徐永年等。引水防沙与河床演变。中国建材工业出版社,2000年。

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[9] 杨光荣等。江西省九江市长江河道近期河势演变分析报告。1999年。水利论文"V;D#IeMP

[10] 吕汉荣。长江九江河段河床演变及其与鄱阳湖关系分析。长江河道研究科研成果汇编,第二集,1991年8月。水利论文 \,IFC-l

[11] 周本立等。长江下游张家洲河段河床演变分析。1991.水利论文R#to:Z Umn2]

[12]水利部长江水利委员会。长江中下游干流河道治理规划报告。199712月。

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* 参加本项工作的还有张德茹、祁伟、刘葳、王力。

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