長江中下游典型崩岸類型及關鍵影響因素分析

天然河流和崩塌海灘（又稱崩塌）是一種危害較大的自然災害。世界上大多數(shù)河流都存在這樣的現(xiàn)象，中國長江中下游的崩塌現(xiàn)象尤其嚴重。崩岸屬水土結合的土坡失穩(wěn)破壞,也是河床演變的一種表現(xiàn)形式,類型多樣,影響因素眾多,成因機理十分復雜.影響崩岸的主要因素是自然因素和人為因素,包括岸坡地質、河道地形、水文氣象、人類活動等方面的因素.但是,各因素對崩岸形成的作用極為復雜,往往某些因素對某類崩岸影響巨大,而對其他類型的崩岸影響較小.正確認識這些影響因素及其對崩岸的作用,對研究崩岸發(fā)生機理以及制定有效的預測預防措施,具有重要意義.關于崩岸的影響因素,以往雖有研究,但針對崩岸類型進行的研究則較為少見.為了研究江河崩岸的發(fā)生機理,本文以長江中下游及其他河流典型崩岸實例為依據(jù),分析了崩岸的影響因素及其對崩岸的作用,并針對崩岸類型分析了崩岸的關鍵性影響因素.1影響因素和作用1.1濱河地質1.1.1b.內部摩擦角與黏聚力c的關系沖積河流岸坡及河漫灘一般由疏松沉積土組成,大多為黏土或粉質壤土和砂土,通常厚度較大、垂向分布不均.土體物質組成及分布對岸坡的穩(wěn)定性影響很大,是崩岸形成的主要內在因素.中國科學院地理研究所將長江中下游沿岸土質按黏土與砂土的比例劃分成4類,其中黏土含量最高的Ⅰ類岸坡的穩(wěn)定性最好,而砂土含量最高的Ⅳ類岸坡發(fā)生崩岸的幾率最大.張幸農等對發(fā)生過崩岸的長江同馬大堤廣濟圩丁馬段進行了岸坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬計算,得出了岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs與土體黏聚力c和內摩擦角φ的關系,如圖1所示.從圖1可以看出,當Fs<3.3時,Fs隨著c增大而增大的速率很大,兩者呈良好的線性關系,說明土體黏粒含量越高,岸坡穩(wěn)定性越好.事實上,因地質構造或沉積年代存在差別,許多沖積河流岸坡具有明顯的上覆亞黏土或粉質壤土、下臥中細砂的二元或多元結構特征.如長江中下游多處崩岸段,岸坡上層為以粒徑0.05~0.005mm的粉粒居多,屬河漫灘相,厚度不大;下層為細砂和中砂,粒徑0.1~0.5mm的砂粒占80%左右,顆粒級配較為均勻,孔隙比為0.8~1.0,中等密實度,屬河床相,厚度可達50~60m.美國密西西比河下游與長江中下游極為相似,岸坡土體也具有二元或多元結構特征.具有這種土體結構的岸坡,由于上層黏土和粉質壤土厚度較小,且粉質壤土透水性強、抗沖性差,下層細砂厚度大,但顆粒較為均勻,最易起動和分散搬運,抗沖性能很差,因而坡體特別是坡腳極易被水流侵蝕沖刷,很容易形成穩(wěn)定性差的陡岸高坡.丁普育等認為粉質壤土和細砂還具有可液化的內在條件.Torrey研究了密西西比河下游岸坡穩(wěn)定性與土體二元結構的關系,結果如圖2所示.從圖2可以看出,下臥砂土層厚度Hs與上覆黏土層厚度Hc之比小于0.7時,岸坡處于穩(wěn)定狀態(tài),說明上覆黏土層必須提供足夠的壓力才能保證坡體的穩(wěn)定.實測地質資料表明,長江下游彭澤馬湖堤崩岸段和九江市城區(qū)防洪堤潰口處的Hs與Hc比值分別為1.49~1.0和1.67~0.77,說明這2段岸坡處于非穩(wěn)定狀態(tài).這與Torrey的結論相吻合.1.1.2.滲流造成的崩岸岸坡土體下層細砂密實度不高、透水性強,易形成入河方向的連續(xù)大比降滲流.大比降滲流會沖刷坡面和淘刷坡腳,地下水連續(xù)滲透也會使岸坡土體出現(xiàn)彌漫現(xiàn)象,甚至產生管涌,導致岸坡失穩(wěn)崩塌.如岸坡土體中存在薄弱層,滲流會促使土體沿薄弱層產生深層滑動,引起大規(guī)模崩塌破壞.因此,地下水滲流是崩岸形成的外界動力因素.Hagerty結合滲流形成的管涌與水流沖刷,分析了岸坡破壞的過程與發(fā)生機理,并區(qū)分了與其他純水流沖刷崩塌破壞的差別.我國長江中下游因地下水滲流形成的管涌而導致的崩岸事件很多.“’98大洪水”期間,九江城市堤防潰決與崩岸現(xiàn)象類似,其主要影響因素是堤身和堤基缺陷所形成的滲流管涌.1.2岸坡局部地形a.河勢形態(tài).河勢決定了岸坡沖淤的性質.彎道凹岸、汊道分流和匯流處,一般主流貼岸形成強烈沖刷,易出現(xiàn)崩岸現(xiàn)象.長江中下游大多數(shù)崩岸均發(fā)生在此類岸段上.b.岸坡局部地形.岸坡土體是否會產生重力破壞取決于岸坡局部地形.崩岸段一般為高大陡坡.例如:長江中游荊江段黃水套、石首段碾子彎,下游安慶段六合圩、彭澤段馬湖堤等處,岸坡坡比在1∶1.5~1∶2之間,岸坡高度在10~20m之間;美國密西西比河下游Greenwille彎道崩岸段坡比也在1∶2左右.依據(jù)土坡穩(wěn)定理論,由粒徑0.2mm左右細砂組成的岸坡,無任何干擾情況下的水下穩(wěn)定坡比僅為1∶1.8左右,因而上述岸坡均處于極限穩(wěn)定狀態(tài)或假性穩(wěn)定狀態(tài),發(fā)生崩岸現(xiàn)象是必然的.1.3坡腳部.3.4崩岸段a.河道水流動力.河道縱向水流形成的貼岸沖刷和頂沖,橫向環(huán)流、豎向回流或平面回流等副流形成的岸邊淘刷,是崩岸形成的最主要外界動力因素.長江中下游絕大多數(shù)崩岸段,如宿松河段王家洲和江凋圩、望江河段六合圩、官洲河段廣成圩、蕪當河段東梁山下端以及南京河段燕子磯、江都河段嘶馬彎道等岸段,均處于水流貼岸和頂沖,或存在明顯環(huán)流和回流作用之處,縱向水流流速一般在1.5m/s以上,甚至高達2.5~3.0m/s,回流流速也在1.0m/s左右.按照泥沙理論,坡腳處砂土抗沖臨界流速僅在0.5~0.75m/s之間.由此可見,上述崩岸段水流流速已遠大于坡腳砂土的抗沖臨界流速,因而會出現(xiàn)嚴重侵蝕,將導致崩岸事件的發(fā)生.b.河道水位.岸坡土體性質和地下水滲流與河道水位變化關系密切.洪水期岸坡土體因長期浸泡水中而達到飽和狀態(tài),其中孔隙水壓力很高,抗剪強度下降.汛后河道水位快速下降,土壓力增大,并形成非恒定大比降滲流,對岸坡穩(wěn)定性的不利影響持續(xù)加重.長江中下游崩岸實例資料表明,90%以上的崩岸發(fā)生在枯水期或汛后,尤其是大水年之后表現(xiàn)尤為明顯.美國密西西比河下游大多數(shù)崩岸也發(fā)生在枯水期,同樣證明了河道水位變化對岸坡穩(wěn)定的影響.c.風浪.江河、湖庫水面寬闊,易產生風浪.風成波浪在岸坡附近破碎,會對岸坡形成沖擊而造成崩塌.即使波浪不在岸坡附近破碎,也會順岸坡向上爬升,對坡面產生沖刷.d.降雨.強降雨使岸坡內地下水位增高,入河滲流比降增大,從而使?jié)B流破壞作用加強.另一方面,當降水量超過岸坡土壤入滲能力時,會形成地表徑流,地表徑流會對坡面產生侵蝕,即所謂面蝕,情況嚴重時,面蝕逐步發(fā)展成溝蝕,甚至重力侵蝕,最終導致岸坡失穩(wěn).e.凍融和干燥.凍脹會使岸坡土體內部孔隙和裂縫中存在的凍結水成為冰晶體,土體結構變松,黏性土小團粒分開,土壤顆粒或團粒結構的黏聚力和內摩擦力降低,岸坡表面沖蝕和失穩(wěn)的可能性增大.融冰后同樣會使土體結構變松,抗剪強度降低,河岸穩(wěn)定性降低.干濕循環(huán)可使黏土含量較高的土壤發(fā)生收縮與膨脹,能促進土塊形成,土塊之間會產生干燥裂縫,會對岸坡穩(wěn)定產生不利影響.1.4酶解矛盾a.船舶航行.船舶航行引起的船行波會對岸坡產生強烈拍擊和沖刷,顯著增加岸坡表面沖刷和大體積塌陷的可能性;螺旋槳激蕩會增大局部流速,對底部岸坡產生嚴重沖刷.英國有關河流的觀測資料表明,船舶航行引起的岸坡側蝕率可達0.35m/a.我國也有多條河流出現(xiàn)過嚴重的船舶航行沖刷塌岸事件.b.人為工程.在沖積河流上,清水通過攔河建筑物下泄后會對壩下河床產生沖刷,使岸坡坡腳淘刷更嚴重、高度增加更明顯,從而導致崩岸事件的發(fā)生.這種情況在國內外許多河流上都發(fā)生過.岸坡上丁壩、橋梁墩臺等工程布置不當,也可能引起局部岸坡強烈沖刷,導致崩岸事件的發(fā)生.因而,人為工程被視為河道崩岸形成的重要影響因素.c.人工挖沙及人為荷載.近岸附近的人工挖沙會產生與水流沖刷岸坡同樣的效果,使坡度變陡,增加岸坡失穩(wěn)破壞的可能性.即使局部人工挖沙,若挖除坡腳,也可能會導致重大崩岸事件的發(fā)生,而且挖沙機械振動還可能成為砂土流滑(或液化)的誘因.岸坡上的填土、重物和機械振動等形成的荷載,會增加二元結構土層上部土體自重的斜向分力,若下部砂土層存在薄弱面層,則易出現(xiàn)滑坡或崩塌現(xiàn)象.d.植被.良好的岸坡植被可提高土壤的抗剪強度,并使土壤產生一定的抗拉強度.人類活動往往會破壞植被,植被破壞易導致岸坡沖刷和崩塌加劇.岸坡上的樹木雖會對岸坡的穩(wěn)定起促進作用,但也易被洪水沖倒或狂風拔起,沖倒或拔起時會松動土壤結構,對岸坡穩(wěn)定產生不利影響.1.5沖淤對岸坡局部形態(tài)的影響上述分析表明,崩岸的影響因素是多方面的,并且某些因素錯綜復雜地交織在一起,形成了既相互制約又相互影響的關系.例如,最早的河勢形態(tài)由地質構造產生,形成的邊界條件決定了岸坡的沖淤性質,水流動力則塑造了岸坡局部地形,導致河道崩岸、展寬,沖淤不僅改變了河勢形態(tài),而且也使得岸坡土體的組成與分布發(fā)生改變,反過來新的河床邊界條件又影響水流動力的變化,如此循環(huán)反復,相互制約又相互影響.又如,河道水文與氣象因素、人為工程與水流動力因素等,也相互影響.表1給出了崩岸各影響因素的性質、作用和相互之間的關系.2影響因素的類型和關鍵因素依據(jù)長江中下游崩岸實例,可將崩岸類型劃分為侵蝕型、坍塌型、滑移型和流滑型4種.以下分別論述各類型崩岸特征及關鍵性影響因素.2.1天然河岸岸坡侵蝕成因岸坡未形成大規(guī)模崩塌,僅表層土受到侵蝕并出現(xiàn)剝落.這種崩塌俗稱洗崩.在長期侵蝕積累下,岸坡形態(tài)雖有一定改變,但穩(wěn)定性尚好,岸線緩慢后退.在天然江河中普遍存在,成因簡單,由河道水流、風浪或船行波、地表徑流直接侵蝕引起,當侵蝕外力大于岸坡土體抗沖臨界力時即會出現(xiàn).因而,其關鍵性影響因素是岸坡土體組成和侵蝕外力.2.2圓型、騎馬型崩岸坡大塊土體分多次傾倒、塌落或崩解,塌落土塊垂直位移遠大于水平推移,岸坡呈現(xiàn)漸進式破壞,形成與岸線平行的長距離條帶狀崩塌(俗稱條崩),或形成向岸坡內側楔入的半圓型或馬蹄型崩塌(俗稱窩崩).條崩長度在數(shù)十米至數(shù)千米之間,深度也達幾十米;窩崩長度和深度相當,少則數(shù)十米,多則幾百米,最終塌落土體體積可達數(shù)十萬立方米,甚至上百萬立方米.崩岸規(guī)模較大,發(fā)生頻率高,大多出現(xiàn)在退水期或枯水期,沖刷強度大、抗沖性差、洪枯水位落差大的岸坡較容易發(fā)生,長江以中游居多.成因主要是岸坡受嚴重侵蝕后變成高大陡坡,或坡腳被淘空,在土體自身重力、裂縫及滲流多種因素作用下發(fā)生倒塌.因而,其關鍵性影響因素是岸坡土體組成、河道水流動力、岸坡局部地形以及地下水滲流.2.3崩岸的成因分析岸坡大面積土體整體滑動后形成崩塌,破壞土體水平位移大于垂直位移.崩塌雖然可能會間歇地多次出現(xiàn),但均具有突然性.土體破壞形式既有線狀也有窩狀,以窩狀居多.崩岸雖然發(fā)生頻率低,但規(guī)模巨大且突發(fā)性強,會出現(xiàn)數(shù)十萬立方米甚至上百萬立方米的土體整體崩塌破壞,大多出現(xiàn)在退水期或枯水期,長江中下游均有實例.成因復雜,主要原因是岸坡土體中有潛在的連續(xù)軟弱面(或層),地表存在明顯的拉裂縫,并且滲流和雨水侵蝕裂縫明顯.因而,其關鍵性影響因素是岸坡土體組成,地下水滲流和降雨是重要的誘導因素.2.4流滑型崩岸fso-ro岸坡土體在水流劇烈沖刷下斷斷續(xù)續(xù)地發(fā)生崩落,土體破壞形式一般為窩狀.某種程度上與坍塌型崩岸相似.主要區(qū)別是坍塌型崩岸是在沖刷過程中出現(xiàn)的崩塌破壞,而流滑型崩岸是沖刷形成高大陡坡后出現(xiàn)的崩塌破壞.事實上,許多坡比大于1∶2.5的緩坡同樣會出現(xiàn)流滑型崩岸.崩岸規(guī)模較大,發(fā)生頻率高,大多出現(xiàn)在高水期,在長江以下游水深流急的岸段居多.成因主要是近岸流速較大,坡腳受到嚴重侵蝕,崩落土體被水流迅速分散搬運并破壞了其后部土體的平衡條件,如此連鎖反應,導致土體崩落不斷出現(xiàn),且破壞程度逐漸增大,往往自坡腳處逐級向后溯源破壞,形成所謂的流滑(flow