三峡工程蓄水后荆江河段岸坡稳定及防护对策研究

水电2006国际研讨会三峡工程蓄水后荆江河段岸坡稳定及防护对策研究何广水,姚仕明，黎礼刚，廖小永长江科学院，湖北武汉，430010摘要:三峡水库蓄水运用后，位于坝下游的荆江河段来沙量大幅度减少，引起荆江河道较剧烈的冲刷调整，近岸河床的水下岸坡变陡，河岸稳定出现了不同程度的隐患，局部河段甚至发生了岸坡崩塌险情，影响荆江河段防洪工程的安全运行。针对河道岸坡稳定存在险情隐患的具体情况，本文提出了相关对策。关键词：三峡工程；荆江河段；岸坡稳定；防护对策1前言荆江位于长江中游，上起枝城下迄洞庭湖口的城陵矶，全长约326km，以藕池口为界分上、下荆江。由于二十世纪九十年代以来，特别是2003年6月三峡工程蓄水运用以来，长江上游来沙量进一步大幅度减小，位于坝下游的荆江河段出现了较剧烈的冲刷调整。本文根据三峡水库蓄水运用后荆江河段实测资料，结合以往的河道研究成果和岸坡勘探成果资料，对荆江河道岸坡的稳定性进行分析研究。分析认为：水库蓄水运用以来引起自上而下发展的沿程冲刷对荆江河道岸坡稳定的影响是长时期的；可能出险的地段分布较多；荆江护岸工程需要适当维护加固。2河道概况上荆江为微弯分汊型河道（图1），长约161km,由枝江、沙市、公安、郝穴河段组成；下荆江上起藕池口，下迄城陵矶，自然情况下为典型的蜿蜒型河道，现为限制性弯曲河道，长约165km，由石首河段、沙滩子自然裁弯段、中洲子人工裁弯段、上车湾人工裁弯段、盐船套至荆江门、熊家洲至城陵矶段组成（图1）。荆江河段的径流和泥沙主要来自宜昌以上的长江干流，区间有清江、沮漳河等支流入汇，右岸沿程有松滋口、太平口、藕池口、调弦口（已于1959年建闸控制）经荆南河网分流入洞庭湖。荆江河段水、沙量沿程递减，荆江与洞庭湖出流在城陵矶汇合。四口多年（1950～2003年）3平均分流量911亿m、占长江来水量（枝城站）的20.2%，多年平均悬移质泥沙输沙量1.12亿t、占长江来沙量（枝城站）的22.4%，四口分流分沙量逐年呈减少趋势；下荆江裁弯,葛洲坝与三峡水利枢纽蓄水运用加速了四口分流分沙减少的进程。沙市、监利水文站分别为上、下荆江的水文控制站，根据1950～2005年的实测流量资料统计分析：沙市站、监利站多年平均33分流量分别为3936亿m、3578亿m。多年平均悬移质泥沙输沙量分别为4.25亿t、3.60亿t。由于20世纪90年代以来，特别是2003年6月三峡工程蓄水运用以来，长江上游来沙量进一步大幅度减小，沙市站和监利站年输沙量从1998年的6.04亿t、4.07亿t减小到2005年的1.32-----------------------------作者简介：何广水（1964--），男，湖北武昌人，长江科学院河流研究所高级工程师，从事河流工程研究，电话02782829870电子信箱hgswh@126.com1066 水电2006国际研讨会亿t、1.40亿t，与多年平均悬移质泥沙输沙量比较,2005年沙市站和监利站年输沙量下降幅度分别为:69%和51%。沙市监利枝江公安石首枝城盐船套至枝江河段沙市河段公安、郝穴河段石首河段沙滩子段中洲子段上车湾段荆江门段熊家洲至城陵矶段上荆江河段下荆江河段图1荆江河道示意图3河道岸坡稳定的影响因素分析荆江河道岸坡稳定的影响因素有：来水来沙条件、护岸工程、地形和地质条件等。在天然条件下，地形、地质条件对岸坡稳定起着决定作用；在目前荆江河道岸坡已实施了系统的护岸工程的条件下，护岸工程的安全运行对岸坡稳定起着决定作用。护岸工程是按边坡稳定原理设计、实施的河岸防护措施，通过削坡减载改善枯水位以上边坡的应力条件；抛石（或袋装卵石、砂、土）还坡改善枯水位以下边坡的应力条件；对岸坡实施工程防护措施，改变岸坡的边界条件等来保证护岸工程段的岸坡稳定。从荆江护岸的效果来看：按设计标准实施的护岸工程，在一段时期内，一般都能保证护岸工程段的岸坡稳定；因河势调整引起局部护岸工程段近岸河床的较大变形，对水下工程要进行及时加固。影响岸坡稳定的地质条件包括：地质构造、岸坡土体组成、土体岩性、地下水等，其中最主要的因素是岸坡土体组成和土体岩性。虽然最初构造单元及断裂构造决定了岸坡的起始物质组成，但经历了相当长时期的地质作用以后，岸坡的稳定状态就直接取决于岸坡土体组成和土体岩性，其中土体组成至关重要。一般来说荆江岸坡物质组成有三种形式，其中基岩质和硬质2粘土(Q、Q3的老粘土等)组成的岸坡稳定性较好，而新近沉积的岸坡稳定状态较差。且不同的结构型式稳定情形又不一样，单一的粘性土层岸坡、双层结构及多层结构中粘性土较厚的岸坡的稳定性又高于单一的砂性土层岸坡、双层结构中粘性土较薄(<5M)及多层结构中砂性土较厚的岸坡；同时土体的物理力学性质、渗透特性等又有相当影响，当土体长期处于饱和时，其土体强度指标(c、φ值)降低，岸坡的稳定性也随之降低；岸坡的稳定系数与坡高成反比，与水上及水下坡比成反比。地下水对岸坡的稳定有相当的影响，不同的地下水类型，补给量(大气降雨的地表入渗，地表渊塘入渗)的大小、排泄是否通畅、排泄速度的快慢以及不同季节与江水之间的补排关系等等，都会导致静水压力及动水压力的变化，从而影响到岸坡稳定状态的变化。来水来沙条件对河道岸坡稳定的影响是通过冲淤变化改变河道地形、尤其是改变近岸河床地形条件，使水下岸坡变陡，河道岸坡的应力状况发生变化，当超出了临界应力状况，就会发生崩岸险情。来水来沙条件是引起近岸河床冲淤变形的主要因素，地质条件是抵抗近岸河床冲淤变化的要素，护岸工程改善了近岸河床的地质条件，加强了近岸河床的抗冲性。因此，近岸河床的冲淤变化是河道岸坡稳定性变化的表现形式，是影响护岸工程的安全运行的要素，在现1067 水电2006国际研讨会有的河道边界条件下，对岸坡稳定起着决定作用。4河道冲淤变化的时空分布4.1河道冲淤变化特点近四十年来，荆江河段经历了中洲子（1967年）、上车湾（1969年）两处人工裁弯以及沙滩子（1972年）自然裁弯，葛洲坝与三峡水利枢纽蓄水运用的影响。裁弯引起自下而上的溯源冲刷，水利枢纽蓄水运用引起自上而下的沿程冲刷。根据1957～2004年实测地形资料计算成果，下荆江裁弯以前，荆江沿程各河段冲淤交替变化，下荆江裁弯后（1967—1991年），上、下荆江河床普遍冲刷，冲刷主要发生在枯水河槽，其中，公安、郝穴、石首河段冲刷较剧烈，至1991年裁弯影响已渐趋消失。葛洲坝工程蓄水运用引起了坝下游河段的沿程冲刷，剧烈冲刷区自上而下发展，其中1991～1993年以近坝段的枝江河段冲刷量最大，年均冲刷强度达317.3万m/a·km。1998年以来，荆江来沙量减小幅度较为明显，尤其是2003年6月三峡工程蓄水运用以来，荆江来沙量大幅度减小，荆江河段的冲刷调整幅度进一步加强。根据1998年9月、2002年10月和2004年8月实测地形资料计算，1998～2002年上荆江333冲刷约2107万m,下荆江淤积约2200万m；2002～2004年上荆江冲刷约1427万m,下荆江3冲刷约3767万m。上荆江的冲刷主要在中枯水位以下河槽，洲滩有冲有淤，其中，关洲洲面冲刷，江口洲右缘冲刷、大幅度崩塌，三八滩被冲刷切割、滩面高程大幅度降低；突起洲洲头冲刷、左缘冲刷崩塌，其它洲滩冲淤变幅不大。下荆江的冲淤变化主要发生在中枯水位以下的河槽，受河势调整的影响，下荆江主流线的平面位置的变化影响弯道深槽上下部位的冲刷和淤积；下荆江河槽的冲刷主要发生在石首河段、盐船套至荆江门、熊家洲至城陵矶段深槽的中下部，冲刷并向下游发展；沙滩子自然裁弯段、中洲子人工裁弯段、上车湾人工裁弯段深槽的上中部冲刷，并伴随出现相关滩地岸线的崩塌；其它部位的深槽出现不同程度的淤积。4.2险工段近岸河床冲淤变化万里长江，险在荆江。荆江河段险工段主要分布在河流弯道的凹岸和过渡段的主流线贴岸地段，岸线崩塌是发生险情的主要表现形式。根据2004年8月至2006年6月荆江险工段近岸河床实测地形资料对比分析，三峡工程蓄水运用以来，部分险工段的近岸河床严重冲刷，冲刷的部位主要分布在距设计枯水位以外30～80m的坡脚,冲刷的部位随着主流线平面位置的变化而变化,水下岸坡进一步变陡，一些地段出现了险情隐患。类似险情隐患的地段，上荆江主要有：林家垴地段、尹家河地段、龙潭寺、涴市河弯查家月堤段、沙市河弯凹岸中下段、公安河弯凹岸上中段、文村甲上中段、郝穴河弯凹岸上中段、覃家渊上中段；下荆江主要有：茅林口段上段、北门口下段、北碾子湾中下段、金鱼沟上中段、连心垸段、中洲子上段、铺子湾段、洪水港中下段以及天字一号、荆江门、七弓岭、观音洲下段。三峡工程蓄水运用以来，荆江河段险工段近岸河床冲刷分布范围较广，冲刷幅度较大，2004年8月到2005年6月期间，龙潭寺（桩号14+740断面）最大冲刷深度达12m；文村甲(桩号734+920断面)最大冲深幅度8.9m；天字一号（桩号25+900断面）冲刷深度达9.5m，水下岸坡有所变陡，变化最大处（桩号25+340）由2004年8月的1:2.0变陡为2005年6月的1:1.1。荆江河段险工段近岸河床冲刷的发展，直接形成岸线稳定和防洪安全的隐患，2004年春季，文村甲段出现了较大的崩岸险情，危及荆江大堤的防洪安全；2006年春季，天字一号段出现了较大的崩岸险情，危及岳阳长江干堤的防洪安全。4.3河道的冲淤变化趋势［5］根据长江科学院的数学模型计算成果，三峡工程蓄水后，坝下游河段的冲刷是长期的、1068 水电2006国际研讨会长距离的，邻近坝址的荆江河段，河道冲刷调整较为剧烈，冲刷部位主要分布在荆江险工段的枯水河槽，也就是护岸工程段的近岸河床。与2002年9月地形比较（下同），三峡工程蓄水后3至2022年末，在宜昌枯水流量5500m/s相应水面线以下的枯水河槽（下同），上荆江将冲刷4.8833亿m，下荆江冲刷8.05亿m。其中，2003年6月至2009年末，上荆江的冲刷强度较大；2009年末至2022年末，下荆江的冲刷强度较大。3三峡工程蓄水后（2003年6月）至2009年末，上荆江枯水河槽将冲刷3.71亿m，其中，陈家湾至郝穴段枯水河槽刷深较多；沙市河段的荆43-荆46，枯水河槽平均刷深3.2～3.6m，公安河段（荆51-荆55）平均刷深2.7～3.3m，郝穴河段（荆66-荆69）将刷深2.0～3.1m。下3荆江枯水河槽冲刷2.16亿m；其中，下荆江的天星洲至石首（荆89-荆96）枯水河槽将刷深2.7～11.0m，监利段的乌龟洲（荆143～荆144）枯水河槽将刷深3.7～4.8m，洪水港下（荆168）枯水河槽将刷深5.1m左右，熊家洲（荆175～荆176）枯水河槽将刷深5.5m左右。5维持河岸稳定的技术措施三峡工程蓄水后，荆江河段出现了较大的冲刷调整，荆江河岸稳定出现了险情隐患。在现有的护岸工程体系、地形、地质和来水来沙条件下，维持荆江河岸稳定，要以遵循荆江河道冲淤变化规律为前提，因势利导，兼顾上下游、左右岸的关系，控制关键影响河段的河势稳定，以此达到控制稳定弯道水流在不同水文年洪枯水期顶冲部位的范围和主流线贴岸下行的过渡段的主流线平面位置的变动范围，尽可能不形成新的险工段，并对于近岸河床出现冲刷调整的护岸段（原险工段），进行适当加固。5.1稳定河势措施河势的定义是河岸线与河道主流动力轴线平面位置的相对关系。除局部地段有崩岸险情发生外，目前，荆江岸线总体上基本稳定。因洲滩不稳定，引起局部河段主流线平面位置变化较大，使文村甲、北门口、北碾子湾、天字一号等局部地段出现新的险工段，岸线崩塌后退、并向下游发展。因此，在现有的河道边界、水沙条件下，稳定荆江河势，应首要控制荆江河道内的洲滩的演变。三峡工程蓄水运用以来，关洲洲面及左汊的冲刷，引起位其下游的上百里洲头（林家垴）地段岸线大幅度崩塌；江口洲右缘的大幅度崩退，引起龙潭寺地段顶冲点上提，近岸河床严重冲刷，平工段变成险工段；三八滩被冲刷切割、淤积重组，引起沙市河弯中下段主流线进一步靠岸下行，近岸河床严重冲刷，平工段变成险工段，并引起沙市、公安河弯之间的过渡段主流线向左岸方向大副度摆动，文村甲段出现崩岸险情；石首河段的洲滩变化，引起北门口、北碾子湾段主流线顶冲点下移，并进一步靠岸下行，北门口中下段、北碾子湾中下段岸线大幅度崩塌；乌龟洲右缘的大幅度崩退，引起其下游的铺子湾地段顶冲点上提，平工段变成险工段，并引起其下游的天字一号地段主流线进一步靠岸下行，天字一号下段进岸河床严重冲刷，2006年春季该地段出现大范围的岸线崩塌险情。因此，维持河岸稳定，关键在于控制河势的变化，固滩整治工程通过改善洲滩的边界条件，引导洲滩朝有利于河势稳定的方向演变，稳定洲滩是控制河势变化的有效途径。三八滩剧烈冲刷变化是引起上荆江局部河势发生较大变化的主要根源，乌龟洲右缘大幅度崩退是引起下荆江局部河势发生较大变化的主要根源。因此，控制荆江河势首先需要对变化剧烈的岸线及洲滩进行及时守护，以达到稳定河势的目的。［1］5.2护岸工程加固措施20世纪50年代以来，先后对荆江河段的47个险工段实施了新护工程和加固工程，完成护1069 水电2006国际研讨会岸长度266km，护岸工程的材料结构型式主要以干砌块石、预制混凝土块护坡；抛石护脚为主。3按河段划分，上荆江河段完成护岸长度约120km，累计完成抛石量约1031万m；下荆江河段完3成护岸长度146km，完成石方1616万m。其中，在1998年大水后长江重要堤防隐蔽工程中，3整个荆江河段实施新护和加固的岸线约110km，完成抛石量626.41万m。据抛石资料统计分析：333荆江护岸工程平均水下抛石量99.5m/m，部分地段平均最大437m/m，部分地段平均最小9m/m，沿线分布差异很大，存在较多的薄弱地段；加之，因崩岸水毁，部分水下抛石护岸工程失效，有效的工程量比统计量小。从荆江护岸工程段近岸河床演变特点和荆江水下抛石护岸工程的水毁机理来看：抛石带外边缘近岸河床冲刷，水下局部岸坡变陡，引起水下抛石工程崩塌，从而出现水毁；抛石带自身的调整，形成局部空档，空档自下而上的发展，在枯水平台附近形成吊坎，引起枯水位以上岸坡崩塌；护岸工程只能抑制河床的横向变形，稳定弯道水流在不同水文年洪枯水期顶冲部位的范围，而纵向冲淤变化过程，仍与护岸前基本一致。因此，护岸工程的加固部位：横向分布为抛石带外边缘和枯水平台外边缘附近；纵向分布为枯水位时贴流区的上端点至洪水位时贴流区的下端点区间内。适合用于荆江护岸加固工程的技术方案有：散抛块石、散抛预制砼块、网模卵石复合材料。散抛块石工程造价低，施工、维修简便。但是，施工质量控制难度较大，开山采石对环保有一定的不利影响；散抛预制砼块的单位成本较高，施工后的维护加固不便；网模卵石复合材料的单位成本比散抛块石便宜，网模可标准化加工，施工质量容易控制。卵石取材容易，取之于河床，用之于河道工程，不存在环保问题，是比较理想的生态型与环境友好型的护岸材料。因此，相比而言，网模卵石复合材料技术方案用于荆江护岸加固工程具有一定的技术经济优势。根据荆江护岸工程加固的成功经验，考虑到荆江护岸工程不同地段的险要性和施工条件的差异，荆江护岸水下加固工程的控制坡度宜取1:1.50～1:2.50。视不同地段的具体险情，采取相应的技术方案：枯水平台外缘或抛石带内局部坡度陡于1:1.5，一般地段按1:1.5～1:1.75控制坡度还坡加固，重点地段按1:1.75～1:2.0控制坡度还坡加固；抛石带外缘局部坡度陡于1:1.75，一般地段按1:1.75～1:2.0控制坡度还坡加固，重点地段按1:2.0～1:2.5控制坡度还坡加固；枯水位以下整个坡度变陡于1:1.50，一般地段自枯水位以下2/3水深处按1:1.75～1:2.0控制坡度还坡加固，重点地段自枯水位以下2/3水深处按1:2.0～1:2.5控制坡度还坡加固；枯水位以上岸坡发生下挫崩塌，除坡脚作重点加固外，上部护坡还要削坡整修。6结论及建议三峡工程蓄水后，邻近坝址的荆江河段将会长期冲刷调整，冲刷主要发生在险工段的枯水河槽，也就是护岸工程段的近岸河床；部分险工段的近岸河床将会严重冲刷，冲刷的部位主要分布在距设计枯水位以外30～80m的坡脚,冲刷的部位随着主流线平面位置的变化而变化,水下岸坡进一步变陡，一些平工地段将会出现了险情隐患。本着“高效、环保、节约”的治江理念，维持荆江河岸稳定要以遵循荆江河道冲淤变化规律为前提，因势利导，兼顾上下游、左右岸的关系。控制关键影响河段的河势稳定，稳定洲滩是控制河势变化的有效途径。三八滩剧烈冲刷变化是引起上荆江局部河势发生较大变化的主要根源，乌龟洲右缘大幅度崩退是引起下荆江局部河势发生较大变化的主要根源，控制荆江河势首先要稳固三八滩、乌龟洲。护岸工程是预防性工程，防患于未燃。对于近岸河床出现冲刷调整的护岸段（原险工段），及时进行适当加固，维持荆江护岸工程体系的安全运行，以此达到控制弯道凹岸和主流线贴岸下行的过渡段的主流线在不同水文年洪枯水期的平面位置变动范围，不形成新的险工段。建议进一步开发研究实用治江新技术，推广应用网模卵石复合材料护岸新技术。1070 水电2006国际研讨会[参考文献]［1］何广水荆江护岸工程水毁机理及加固对策研究人民长江，2006年第7期［2］何广水上荆江近期冲淤变化特性研究人民长江，2006年第9期［3］何广水下荆江近期河道演变特性研究湖南水利水电，2005年第6期［4］长江设计院荆江应急工程可行性研究2005年8月［5］长江科学院荆江河床演变分析2006年7月1071