荆江河道险工险段崩岸监测技术与预警方法探讨

2018-01-04

水利水电快报 2017年12期

(长江水利委员会水文局，湖北武汉 430010)

周建红

(长江水利委员会水文局，湖北武汉 430010)

近年来，随着长江上游来水来沙条件改变，荆江局部河段河势调整加剧，致使岸坡变陡，崩岸险情时有发生，已严重威胁防洪、航道安全。鉴于此，分析了国内外河道岸坡稳定性预测和崩岸预测研究现状，初步探索了荆江河段崩岸监测技术与预警方法，可为堤防安全、崩岸治理研究和河道管理等提供技术支撑。

崩岸监测；监测预警；崩岸治理；河道管理；荆江

随着长江上游水库群的投入运行，清水下泄、沙量大幅减少，长江中下游河道总体河势基本稳定，但局部河段冲淤幅度较大，其中荆江河段将长时期处于冲刷状态，河床下切，滩槽冲淤与主支汊分流格局可能会发生新的变化。受两岸护岸工程的制约，荆江河段深泓以纵向下切为主，2002年10月～2015年10月，深泓平均冲深2.14 m，最大冲刷深度14.4 m。由于水流顶冲点上提或下移，引起大堤岸坡变陡，在一定程度上加剧了崩岸险情的发生。部分未护段河岸可能因迎流顶冲而发生崩岸；已实施护岸的工程又可能因脱溜而失去其防护作用进而加剧崩岸的发生；同时因长江中下游河段二元结构河岸中的非粘性土层抗冲性很弱，在涨水期和退水期极易发生崩塌。据不完全统计，2003～2015年长江中下游干流河道共发生崩岸825处，累计崩岸总长度约 643.6 km[1]，崩岸已严重影响和威胁长江中下游防洪安全，同时对河势控制、已建岸坡防护工程以及岸线开发利用等都造成不利影响。由于崩岸的发生具有隐蔽性和突发性，对崩岸的监测技术与预警方法研究一直是该领域的研究难题，也制约着长江河道的崩岸预防及河道治理的成功实施。因多方面原因，目前对荆江河道崩岸现场缺乏系统有效的实时监测手段和技术，崩塌地段难以被及时发现和预测，给长江荆江防洪安全带来了十分严重影响。

从2002年开始，长江水利委员会水文局根据长江河势调整变化，水文荆江局对重点险工险段进行了定期巡查和近岸地形观测与分析，对掌握险工段岸坡、岸线变化，初步判断发生崩岸可能性，对避免崩岸险情发生起到了重要作用。近期党中央、国务院高度重视长江崩岸治理与应急度汛工作，现有观测资料及研究成果已不能满足当前防洪安全及长江经济带发展需求，须及早对崩岸险情作出预警预报，提早采取工程措施，避免重大崩岸的发生。因此，亟需在新的来水来沙条件下加强对荆江险工段河道崩岸监测技术与预警方法的研究。

1 崩岸研究现状

1.1 河岸稳定性预测

目前国内外学者对长江河道崩岸机理、岸坡稳定预测及治理措施进行了大量研究，并取得了显著成效[2-6], 同时针对长江河势变化采取了系列工程措施，对稳定河势发挥了关键性作用[7]，还采取非工程措施如崩岸预警方法探索等[8]。其中河岸稳定性预测方面的研究主要包括传统的经验方法、极值假说方法和水动力学-土力学方法，以及人工智能方法如神经网络等[9-11]。各方法分述如下：

(1) 经验方法模拟河道横向展宽及稳定性是建立在分析实测资料的基础上，通过经验关系式来估计河宽变化的大小。经验方法简单，但局限性较大，仅能在资料来源的范围内适用，且未考虑到河岸的几何形态对河道展宽的影响，更为重要的是，这类方法未能考虑河岸冲刷、崩塌的内在力学机理。

(2) 极值假说方法为模拟河道的横向展宽过程，在泥沙数学模型的基础上，引入附加方程式来预测河宽的变化。这个方程式通常依据某一参数的最大值或最小值来表示，例如水流功率最小、水流能耗率最小、临界切应力和输沙率最大等。这些方法统称为极值假说方法。当前借助于极值假说方法模拟河道横向变形，两个最为典型的模型是张海燕的FLUVIAL.12模型和杨志达的GSTARS模型。极值假说方法模拟河道展宽过程亦具有很大的局限性：它们仅适用于预测河道由不平衡状态向平衡状态的河宽调整，无法预测河道处于不平衡状态下河宽的调整过程。其次，只能估计河宽变化的总量，无法确切估计左右岸的变化情况。另外，这些方法一般仅适用于非粘性河岸的展宽模拟。

(3) 水动力学-土力学方法考虑了河道崩塌的力学机理，采用水动力学模型计算河床冲淤变形，然后用土力学模型分析河岸的稳定性，并计算河岸的崩塌量，适用于非粘性河岸和粘性河岸。武汉大学宗全利、夏军强等人对上荆江4个典型断面的崩岸土体进行了现场取样与室内土工试验[12]，考虑水压力对崩岸的影响以及土体力学性质指标随含水率的变化，提出上荆江二元结构的河岸崩塌计算模式。该种方法克服了经验方法及极值假说方法的局限性，能够体现河道崩塌的内在力学机制，但由于对水动力参数与土体参数的相互作用机制、土体参数的确定与检验等均研究较少，该方法在今后仍需进一步完善。

(4) 人工神经网络方法通过引入人工智能领域的数学方法，建立的基于神经网络的河道崩岸预测方法，考虑因素较为全面。许全喜等2004年建立了基于BP神经网络的河道崩岸预测模型[11]，利用此模型对荆江石首弯道1965～2003年的崩岸情况进行了模拟和预测。该模型能较准确地模拟和预测河道崩岸变化，该模型的建立为河道崩岸的预测预报提供了一个新途径。但值得指出的是，河道崩岸BP网络预测预报模型中训练样本易受实测资料的限制，特别是在河道变化比较剧烈的地方，河道地形等水文资料的长期性与代表性都将直接影响模型的学习精度，进而也影响模型的预测效果。

1.2 崩岸预测

关于崩岸预测问题，目前许多研究者分别采用临界崩塌高度、崩塌临界坡度、粘土层与砂土层崩塌临界厚度比(二元结构河岸)、临界起动流速公式、安全系数等各个临界指标预测崩岸的发生。

(1) 临界崩塌高度[13]。王延贵利用河岸稳定分析的办法，就一般折线边坡河岸的崩塌高度进行分析，同时考虑高水位浸泡及渗流作用的影响，提出了河岸临界崩塌高度的概念，导出了折线河岸临界崩塌高度的一般表达式。在河床冲刷下切或侧向冲刷过程中，河岸发生挫落崩塌时的河岸高度称为河岸临界崩塌高度Hc。实际上该高度代表了一种河岸崩塌的临界状态，相当于河岸崩体的下滑力等于阻滑力，表明河岸临界崩塌高度可以用于衡量河岸的稳定性。河床冲刷后，河岸高度增大，当冲刷后的河岸高度大于临界崩塌高度时，河岸将会发生崩塌。河岸临界崩塌高度主要影响因素包括河岸强度系数 (含内摩擦角)、河床冲刷(河岸高度H及岸坡冲刷坡度)、河岸形态参数、浸泡和渗流参数等，且河岸临界崩塌高度随着河岸强度系数(含内摩擦角)增大而增加，随冲刷坡度、河岸坡度及渗流参数的增大而减小。

河岸临界崩塌高度可用于河床演变数模计算中的河岸稳定性判别指标，当冲刷后的河岸高度等于或大于临界崩塌高度时，需要运用数学模型进行河岸的崩塌计算。

(2) 崩塌临界坡度[14]。窝崩或条崩均多发生于二元结构河岸，且其崩塌过程首先表现为近岸河床冲刷，随后下部砂土层受到水流掏刷，岸坡变陡从而失稳坍塌。在岸坡变陡的过程中，存在崩塌临界坡度，当砂土层的实际坡度达到崩塌临界坡度时，下层砂土层坡度失去稳定，上层粘土层随之悬空而发生崩塌；而当下层砂性土层实际坡度小于崩塌临界坡度时，河岸则将维持稳定状态，不会发生崩塌。

不同的河型和土质条件下，河道主流流路、顶冲位置及角度、沿程流量过程及大小均存在差异，因此造成了不同的岸坡形态。每个河段、每个断面都有自己不同的岸坡变化范围，即每个断面都有自己的最陡坡度。虽然并非每个断面的最陡坡度都非常接近临界岸坡(如深泓贴岸情况下，其坡度可能较陡；而深泓离岸较远时，其坡度可能较缓)，但如果把一定条件下各个断面砂层最大坡度中的最大值作为临界坡度的逼近值，将其作为崩岸判别指标则是可以接受的，也是较为合理的。李义天等[16]通过稳定岸坡来逼近临界坡度，用稳定岸坡代替临界坡度作为评判是否发生崩岸的临界条件。其中稳定岸坡的概念具体定义为，一定条件下(流量、河型、土质等)各个断面中砂层最大坡度中的最大值。如果资料系列较长，包含了不同水沙系列条件下的各河段坡度变化，则由此确定的稳定岸坡就会更逼近于临界坡度。

由于缺乏崩岸河段在河岸坍塌时的原型实测资料，因此虽然用上述临界坡度来衡量河岸的稳定性较为合理，但其确定却存在很大困难。

(3) 粘土层与砂土层崩塌临界厚度比(二元结构河岸)。我国长江中下游彭泽县马湖堤崩岸处的上覆粘土与下层砂土的厚度比为 0.67～1.0；江西省九江市城区防洪堤崩岸处的对应的厚度比为0.6～1.3。美国密西西比河流域的岸坡也呈二元结构，上覆为粘土层，下卧为砂土层。Viotor.H.T等人通过研究发现，上覆粘土层Hc和下卧砂土层的厚度Hs比值R大于1.4时坡体保持稳定[17]。因此，长江上粘土层与砂土层崩塌时厚度比与密西西比河流域得到的结论基本吻合。

(4) 窝崩边坡临界起动流速公式。冷魁认为窝崩大多数发生在汛后或枯季，并且提出了边坡临界起动流速公式，指出当河道边坡某处垂线平均流速大于起动流速且某一高程的深槽向岸边楔入时，此处土体开始出现坍塌，窝崩随之发生[15]。

由于崩岸问题的复杂性，这些临界指标在预测实际崩岸现象时都有一定的局限性。除此之外，在土工研究领域，一直采用安全系数作为评价岸坡或建筑物结构稳定的成熟指标。对于自然河岸及已护岸线的崩塌过程，在水流动力等外部因素作用下，将导致土体内部因素的变化，最终导致的结果是河岸土体安全系数的变化，进而发生坍塌。因此，采用安全系数作为岸坡崩塌的临界指标具有其合理性，也是目前易于操作和可行的方法。

2 崩岸监测技术与方法

2.1 等级划分与确定

根据河段的险要地位和大堤外滩宽度不同，将险工段划分为重点险工险段和一般险工段两种类型。重点险工险段一般为滩宽小于50 m、一级堤防段或对交通、厂矿、港口、重要工程或城市等产生重大影响的堤段，分1、2级；其余次重的险工险段为一般险工段，为3、4级。等级越高，监测频次就越多。根据历年险工护岸巡查统计与河道演变分析，2017年后续可能发生崩岸的河段有：

(1) 上荆江。① 枝江河段的同勤垸、洋溪镇(右岸)、昌门溪至董市(左岸)、七星台至大埠街(左岸)，崩岸监测初定为4级，松滋口口门附近的偏洲高滩(右岸)，监测初定3级；② 沙市河段的学堂洲(左岸，初定2级)、腊林洲(右岸，初定2级)；③ 公安河段的文村夹(左岸，初定3级)，青安二圣洲(左岸，初定3级)、南五洲(右岸，初定2级)，茅林口(左岸，初定3级)。

(2) 下荆江。① 石首河段：左岸的古丈堤、合作垸、向家洲、北碾子湾未护段、金鱼沟下游未护段、中洲子下游未护段，崩岸监测初定2级；右岸的北门口、寡妇夹、鹅公凹至塔市驿段，处于迎流顶冲段，崩岸易发多发，监测初定3级；其他如渊子口、柴码头、调关等，虽处于迎流顶冲，但已进行多次守护，近年来岸坡较为稳定，监测初定3级；② 监利河段：左岸的太和岭至铺子湾、沙夹边、天星阁、盐船套至团结闸、反咀、姜介子、八姓洲、荆河垴等处，近年来崩岸多发，监测初定2级；③右岸的新沙洲、天字一号、洪水港、荆江门、张家墩、七弓岭等均为主流贴岸段、水流顶冲段和近岸河床冲刷剧烈的岸段，都有可能发生新的崩岸，监测初定2级。

由于局部河段河势不断变化调整，迎流顶冲点可能上提或下移，崩岸范围随时可能发生变化，因此在监测过程中，须根据河势变化情况，对崩岸监测范围和测量时机及时进行动态调整。

2.2 常规监测方法

采用以护岸巡查为面，以重点险工段水下地形监测为点，以点带面，点面结合。护岸巡查主要通过现场查看河道主流线、水流顶冲点、漩涡等变化情况，了解迎水护坡面是否有裂缝、剥落、滑动、隆起、松动、坍塌、冲刷等变化情况，查看背水坡及堤内脚是否有散渗、渗水坑、管涌等发生，初步判定潜在崩岸险情发生的可能性。对有潜在崩岸险情的，则及时进行水下地形监测。为提高水下测量工作效率和保障成果质量，高水期时多采用多波束测深系统，中枯水期宜采用单波束测深，水下横向测量宽度宜过河道主流深泓线。

2.2.1 监测要素

(1) 近岸河床变化监测：在监测河段内，进行1∶2 000半江地形测量。水下地形由测时水边至深泓外100 m，但最宽不超过400 m，最窄不小于350 m(测时水边至江心)；陆上地形从水边测至大堤内脚。汛前、汛期和汛后各观测1次，对特殊水情加密测次。

(2) 崩岸段局部流场观测：采用ADCP走航式在监测崩岸段中部断面及上、下游 0.5 km断面进行半江流场观测，重点监测近岸水流。每年主汛期监测3～4次，汛前汛后各监测1次，较大洪峰涨落过程必须监测1次，崩岸发生、发展期间适当加测。宜与地形测量同步观测。

(3) 悬移质泥沙含沙量分布观测：在流场断面上，布置3～5线按6点法提取水样，掌握近岸含沙量的分布及崩岸上下游含沙量特性的变化情况。

2.2.2 其他监测

(1) 来水来沙条件监测：利用上游河段水文、水位站监测成果。包括水位涨落率、洪峰过程、沙峰过程及来量等。

(2) 河道边界条件监测：近岸河槽部分的床沙、河岸土壤成分结构、级配、孔隙度及含水量监测，可采用内部形态观测造孔的土柱样品进行分析。

(3) 波浪观测：在布置监测断面上观测波高、周期、波向、波型、水面情况等，辅助要素为风速和风向，采用目测或浮球式加速度型测波仪、声学测波仪和重力测波仪等自记测波仪观测。

(4) 地下水及渗流监测：河岸地下水位、渗流(压)、孔隙水压力监测，以及配套监测河道水位。主要测量大堤中地下水水位和压力，一般与沉降观测配套测量。按照渗压计埋设要求，将测量线引至地面备用。当测量时将渗压记录仪连接计数，可用自动记录仪测量渗压；利用电阻温度计进行地下水温监测。

(5) 人类活动影响调查：近岸河床采沙、滩面取土、已建和正在兴建的突出建筑物、近岸江滩上附加荷载等情况的调查，半月1次。

2.3 远程实时监测

采用自动安全监测设备对河岸近岸的变形进行实时监测，主要包括水平位移监测、垂直位移监测及裂缝监测等。

2.3.1 外部变形监测

采用GNSS、垂线坐标仪、电容式测读仪等专用仪器监测，其中水平位移和垂直位移是监测护岸崩岸表面的位移情况，预埋监测控制网点，以测量标点的位置移动量来判断岸坡的稳定性。护岸崩岸监测点埋设应能反映河岸变化特征。各监点可采用视准线法和大气激光准直线法进行水平位移监测，也可采用全站仪或静态GNSS监测；垂直位移观测采用精密水准测量(二等及以上水准测量)方法进行测量。裂缝监测是对河岸裂缝进行位置、长度、宽度、深度和错距等监测，以了解裂缝的发展变化情况。

2.3.2 内部变形监测

对河岸内部位移及变形进行沉降、倾斜和土压力等监测。对有护岸的河岸，还进行坡面蠕动、滑移、接缝监测，应力、应变及温度监测。采用仪器主要有多点位移计、土地位移计、沉降仪、滑动式测斜仪、测缝计、电测水位计、渗压计、土地压力计、混凝土应变计、钢筋测力计和电阻温度计等。

(1) 沉降观测：在监测点用钻机打孔，孔径约100 mm，埋设专用塑管，塑管按上密下疏的原则，隔2～4 m固定1个磁环，填埋好后待7 d左右用沉降观测仪测量各磁环的位置作为初始值，以后隔7 d、15 d、1个月(开始间隔短，以后时间长)观测1次，对磁环位置进行对比，判断沉降情况。若变化速率加大时加密观测。

(2) 倾斜监测：监测内部的位移变化，与沉降观测布设在同一个断面上，也是采用钻孔测量的方法，钻孔的要求同沉降观测，只是塑管上无需固定磁环。测量时只需将探头放入管底，往上拉动探头，每隔0.5 m记录1个测量数据。第一次测量完后将探头交换方向再接照上面的方法测量1次，取2次的平均值为最终的测量值。与初始值对比分析岸坡内部位移改变情况。

(3)缝隙监测：对地表已经产生裂缝的河岸，监测裂缝的发展变化情况。将测缝计安装在裂缝或接缝处，引出电缆线，分别测量裂缝或接缝处前后、左右、上下的位移量，将各处接缝计的引出电缆线集成到一处接入集成箱，仪器可定时将监测数据进行远传。

(4) 压力监测：在两个监测断面上埋设土压力计，进行侧向和垂向压力监测，了解压力随河流水位及河岸内部变形的变化规律。仪器埋设后，引出电缆线，同测缝计、渗压计引线一样接入集成箱，定时将监测数据进行远传。

(5) 应力、应变及温度监测：在有护岸的监测断面上，进行护岸应力、应变及温度监测，研究护岸河段在水流及河岸土壤压力作用下的崩岸发生发展规律，为护岸工程技术研究积累基础资料。

3 预警方法

(1)指标确定。以长江崩岸发生的可能性、崩岸可能造成的危害程度为尺度，将崩岸预警划分为1、2、3、4级[8]。其中，1级为最高级，发生崩岸可能性很大，造成的危害程度大，要求当地政府做好预警区宣传和警示工作，落实每天不间断巡查和每周1～2次地形监测，转移受崩岸威胁的群众；2级为次高级，发生崩岸可能性很大，造成的危害程度较大，要求当地政府做好预警区宣传和警示工作，落实每周不间断巡查和每月1～2次地形监测，必要时转移受崩岸威胁区内群众； 3级为中级，有发生崩岸的可能性，需要做好预警区宣传和警示工作，落实每月巡查1次；4级为低级，有发生崩岸的可能，落实每年巡查4次，主要安排在4、7、9、11月进行。

(2)资料分析。分别利用多个测次河道监测数据，以及已有历史资料，从河势、近岸变化趋势出发，分析评估各测次岸坡的稳定性和崩岸发生的可能性，以及崩岸造成的危害程度，对荆江河道崩岸进行初步预测预警。计算与分析的内容包括岸线变化、深泓线变化、典型断面变化及坡比等。

(3)预警发布。根据巡查、预警指标和分析计算结果进行崩岸预警预报，编制监测预警简报，发送给相关单位及部门。崩岸预测方法与防治思路见图1。