荆江近岸河床演变对水沙条件的响应探讨

彭玉明1,夏军强2，彭佳3，沈健1

(1.长江委水文局荆江水文水资源勘测局，湖北　荆州　434002；2.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北　武汉　430072；3.华北水利水电大学水利学院，河南　郑州　450045)

【摘　要】　近岸河床的变化对于险工段河势稳定、护岸及堤防的安全产生影响。20世纪90年代以来，由于受水沙条件变化的影响，上游来沙逐渐减少，荆江河床普遍发生了冲刷。三峡水库修建后，由于水库调节作用，上游进入水库的泥沙将大量淤积在库内，改变了坝下游的水沙条件与过程，下泄水流含沙量大幅减少，引起荆江河段近岸河床发生新的变化。随着护岸工程的实施，增强了河岸抗冲能力，抑制了近岸河床的横向发展，已护段近岸河床的变化主要表现为冲刷下切；局部未护段近岸河床横向及纵向均有所扩展，表现为近岸冲刷下切的同时常伴有崩岸的发生。本文主要结合荆江河段近岸河床监测资料及已有分析成果，从三个方面分析近岸河床演变对水沙条件变化的响应，一是近岸河床冲刷坑特征值与水沙条件的关系；二是近岸岸坡稳定性对水位变幅的响应程度；三是近岸河床平滩河道形态尺度对水沙的响应程度。通过计算分析得出近岸河床特征值的变化与水沙定性及定量上的相关性。

【关键词】　近岸河床；演变；水沙条件；响应

基金项目：国家重点研发计划(2016YFC0402305)。

作者简介：彭玉明(1970—　)，男，湖南邵东人，高级工程师，主要从事河流泥沙等方面的研究。

E-mail：jjpengym@cjh.com.cn

1　研究成果综述

唐日长等[1]认为荆江河段崩岸强度随时段内平均流量的平方及其历时的增大而增大，随河岸松散图层的厚度与岸滩高度的比值增大而增大，弯道在护岸后，凹岸深槽冲刷深度比护岸以前较大。余文畴、卢金友的研究成果[2]将河道崩岸总量与相应时段内平均流量的平方与历时建立量相关关系。姚仕明、岳红艳等[3]对长江中游典型崩岸进行了试验研究。夏军强、宗全利[4]对荆江河段崩岸机理进行了系统研究，将平滩河床河道形态尺度与水流冲刷强度(前5年汛期平均流量的平方及水流含沙量)建立了定量关系，并进行了数值模拟计算。近年，长江委水文荆江局对荆江险工段近岸河床演变进行较为系统的分析研究，对近岸河床变化特点进行分析总结。基于这些分析研究，本文主要是对不同类河岸近岸河床的演变进行总结，对近岸河床冲刷坑面积及近岸河床河道形态尺度与水沙条件的关系进行定性与定量的分析研究。

2　荆江河道及水沙条件概况

荆江上起湖北省宜都枝城镇，下迄湖南省城陵矶，全长约347.2km。荆江以藕池口为界，分为上、下荆江，上荆江长约171.7km，上荆江为微弯分汊河型，下荆江长约175.5km，为典型弯曲蜿蜒性河道。河段沙市以上14.5km有沮漳河入汇。荆江南岸有自松滋口、太平口、藕池口和调弦口(1959年建闸控制)分流至洞庭湖，与湘、资、沅、澧四水汇合后，于城陵矶又汇入长江。河段平面示意图见图1。

研究河段来水量主要来自宜昌以上长江干流(表1)，将1993年来分成两个时段，即蓄水运行前(1993—2002年)、三峡水库蓄水后(2003—2015年)，多年平均径流量分别为4346亿m3、4098亿m3。三峡水库蓄水后来上游来水量略偏小；受三峡水库蓄水运行影响，汛期6—10月来水量占全年来水量比例较蓄水前有所减少，1—5月则有所增大。

20世纪90年代以来，受长江上游来沙量逐渐减少影响，荆江河段输沙量呈减小态势[5]；三峡水库蓄水运行后，长江上游来沙量大量沉降在库区内，研究河段来沙量大幅度减少。根据枝城站1993—2015年资料(表2)，三峡水库蓄水运行前(1993—2002年)、后(2003—2015年)多年平均输沙量分别为38200万t、4878万t，三峡水库蓄水后，研究河段上游来沙减少约87%。

3　荆江近岸河床演变概况

20世纪90年代以来，由于受水沙条件变化的影响，荆江河床普遍发生了冲刷。随着护岸工程的实施，增强了河岸抗冲能力，抑制了近岸河床的横向发展，但局部河势出现了一定程度的调整。三峡水库蓄水运行后，荆江河道发生了较强冲刷，险工护岸段及主流贴岸未护段近岸河床发生了相应的调整。

在上游来沙减少的条件下，整个荆江河段处于冲刷下切的过程当中，荆江段近岸河床在险工护岸段及主流贴岸未护段段的变化有所差别，变化上的差异主要表现为以下两点：

(1)在实施护岸工程且水下抛石量较大的河段，迎流顶冲或主流贴岸段近岸河床的变化主要表现为近岸深槽冲刷下切，冲刷坑面积增大，在下切的同时深槽向江测方面外移。如沙市河段观音矶近岸河床[图2(a)]及石首河段调关段荆123断面变化[图2(b)]。

(2)在未实施护岸的河段，主流贴岸段近岸河床的变化主要表现为近岸深槽冲刷下切，岸坡不断崩退，深槽及近岸深泓向河岸方面移动。如石首河段荆98断面[图2(c)]及监利河段荆178断面[图2(d)]近岸河床变化。

4　近岸河床典型冲刷坑变化对水沙过程的响应

统计分析的典型近岸河床冲刷坑主要位于迎流顶冲险工护岸段或主流贴岸未护段。上荆江统计了8段冲刷坑的特征值[表3，观音矶(10m)表示10m等高线围成的面积，下同]，统计时段分汛前及汛后，其中有5段汛期冲刷坑面积明显大于汛后，2段汛期冲刷坑面积略大于汛后，只有一段冲刷坑面积汛后大于汛期(这主要与铁牛矶近岸河床由大量抛石组成有关)。冲刷坑面积的年内变化与流量大小有相关性，汛期流量大，冲刷坑面积扩展，汛后流量小，冲刷坑面积缩小。下荆江统计了典型段冲刷坑面积年际分时段变化(表4)，冲刷坑面积沿时段逐渐扩展，说明冲刷坑面积与含沙量有相关性，含沙量大，冲刷坑面积较小，含沙量小，冲刷坑发生冲刷扩展。

5　含沙量、流量及水位过程对近岸岸坡稳定的影响

岸坡稳定状态取决于影响边坡稳定性的各种因素，这些因素通过三方面来改变边坡稳定状态，包括：①改变边坡的外形；②改变边坡土体结构特征和力学性质；③改变边坡土体的应力状态[6]。河道近岸岸坡的稳定通过河道流量过程(具体应当与近岸流速)、水位过程及含沙量变化等对这些因素产生变化。一般的自然岸坡崩塌后，坍塌的土体在岸坡下部堆积后形成稳定形态，而河道内岸坡崩塌后，坍塌后的土体受到水流冲刷，到颗粒能被水流启动，水流含沙量低而未达饱和时，泥沙将被带向下游，尤其在弯道，存在弯道环流，部分泥沙被带向凸岸，凹岸岸坡水下部分被淘空而失稳；水流对河岸的冲击作用，对于同一岸坡，流量越大，冲击越大，这种冲击力对岸坡稳定产生影响；水位过程直接影响到岸坡土体的含水率及地下水面线，当流量逐渐增大，近岸流速增大，水位上涨时，水下部分容易被淘空而形成崩岸，当高水位骤降时，土体基本处于饱和含水状态，岸坡失去原来高水位静水压力的支撑，上层土体较重而发生坍塌。可见流量及水位过程对岸坡稳定的影响是直接的，而含沙量对岸坡稳定的影响主要通过水流挟沙能力对河道近岸水下产生冲刷表现出来。

荆江河道河岸组成为二元结构，一般上部为黏土，下部为非黏性土，上下荆江组成有所差别，上荆江上层黏性土较厚，沙层较薄，下荆江上层黏性土较薄，下层沙层较厚，岸坡的稳定及边坡形态也有所不同。对于荆江二元结构河岸边坡形态，钱宁[7]和余文畴[8]等研究成果认为上层黏土层较厚时整个岸坡较陡，上层黏土较薄时上部岸坡较陡，下部岸坡较缓，说明岸坡稳定及形态与河床组成有关。有关上下荆江河岸崩塌机理，夏军强的研究成果[4]认为上荆江一般先在岸顶出现裂缝然后引起崩塌，下荆江主要是下部沙层被淘空形成悬臂而发生崩塌。

在此对上下荆江的崩塌形态及岸坡稳定与河岸组成的关系不做分析，主要针对水位变化过程对岸坡稳定的影响，以石首河弯北门口段荆98附近断面为例进行岸坡稳定分析。稳定计算采用圆弧条分法[9,10]，河岸组成参照该段已有地勘成果,为了分析岸坡在不同水位时的抗滑稳定系数的变化，在长江处于高水时利用圆弧滑动将圆心固定在岸坡顶端进行相对危险滑动面搜索，将此滑动面固定，再计算汛末水位快速下降及枯水水位时的该滑动面抗滑稳定系数。石首北门口荆98断面附近(右岸)河岸组成上约4m为黏性土层，下层为非黏性图层，概化计算断面见图3。岸坡稳定计算结果表明(表5)，江水位较高时期安全系数较大，岸坡处于稳定状态，江水位快速降落期，岸坡处于不稳定状态，由于岸坡上部崩退后，枯水期岸坡变缓，抗滑稳定系数大于1.0，若岸坡水下部分不发生冲刷而变陡，该坡面发生崩塌的可能性相对较小。实测的水位过程线(图4)与岸坡形态(图5)是对以上分析结果的验证，8月17日至9月3日，石首站(距离北门口崩岸断面位置约5km)水位从35.11m退至31.15m，河岸崩退约35m，崩退后前后岸坡形态见图6，在此前高水位期间7月4日至8月6日以及快速退水后9月3日至10月7日两时段岸坡基本稳定。

对于快速退水过程中发生崩岸的概率较大，而在枯水时发生崩岸的相对较小，最根本的原因是在退水过程中改变了决定岸坡稳定的因素，即退水过程改变了土层力学性质及应力状态，而在枯水期岸坡已经崩塌，岸坡外形已经变缓而相对稳定。对于因素的具体改变过程，在快速退水过程中由于黏性土体渗透性较低，河岸黏性土体内水分来不及排出而对河岸产生额外渗透压力；此外，由于洪水期对河岸土体长时间的浸泡，黏性土体的强度指标降低[11]；再者水位降低，长江静水压力减小。这些因素都会促使河岸土体失稳而发生崩岸。

6　近岸河床形态尺度与水沙过程的关系

对于河道形态尺度与水沙变化的相关关系，Wu和Xia等[12]认为冲积河流的平滩河槽尺度与前期多年汛期水沙条件有关，夏军强等[13]对荆江低含沙河流做了详细研究，认为荆江河段平滩河槽形态尺度与前5年汛期平均冲刷强度密切相关，并建立了定量的相关关系。近岸河床的变化主要表现在近岸河槽的水深、河宽(河岸稳定)等方面，对于荆江河段近岸河槽形态尺度的时空变化特点与水沙有何关系，本文从水深及河宽因素进行探讨。

根据长江委水文局荆江河段已有计算分析成果(表6)，冲刷的空间分布主要集中在枯水河槽，枯水河床明显冲刷下切，枯水水深增加。从已有的分析研究成果可以得出河道形态尺度变化较快的时间段，荆江段，枝城至沙市全年冲刷量为2634万m3(平滩河槽)，20000m3/s以上基本不采砂，推算非主汛期的采砂量为主汛期的3.6倍，除了采砂量，全年的冲刷量主要集中在主汛期，主汛期三个月冲刷量占全年的76%。荆江段近岸河床河道形态尺度的变化，岸坡有护岸与未护岸的区别，在已有护岸段岸坡稳定，变化主要显现在水深上；而在未有护岸段，水深及河宽均有变化。从定性上来分析，岸坡稳定段近岸河床枯水河槽的水深应当与汛期的水沙条件有关系，为从定量上统计分析近岸河床枯水水深与水沙条件的关系，收集整理了沙市段近岸河床观测的枯水水深(对应宜昌5000m3/s下的水深)及沙市水文站1997—2014年汛期(5—10月)平均流量及平均含沙量，冲刷强度计算运用夏军强等[14]研究成果,计算模式见式(1)，通过分析计算，近岸河槽枯水与冲刷强度在n=5时相关系数达到最大。

(1)

式中：Nf为汛期(5—10月)总天数；Qj为汛期日均流量，m3/s；Sj为悬移质含沙量，kg/m3。

在未有护岸段，近岸河床的水深及河宽两方面均可能发生变化，对于冲积性平原河流，当河道尺度增大时，一般规律为平滩河槽河宽增加较水深为快[14]。为分析水深、河宽与水沙条件的关系，利用沙市河弯近岸断面、荆60、荆98、荆133及荆181等断面测量数据及相关水沙数据资料，其中沙市河弯近岸、荆60与荆98利用沙市站水沙数据资料，荆133荆181断面利用监利站水沙资料。统计的断面其河道形态尺度与水流强度的关系见图7～图11及表7，在强冲刷河段，近岸河床河道形态尺度如平滩河宽、平滩水深及近岸河槽枯水水深与水流冲刷强度的关系表现为：①在河岸岸坡稳定(具有护岸等)段，其近岸河槽枯水水深与水流冲刷强度密切相关，其平滩水深与水流冲刷强度关系不甚明显；②在未有护岸等岸坡不稳定段，河道形态尺度即平滩河宽与水流冲刷强度密切相关，其水深与冲刷强度有一定相关性，但关系较弱。通过水流冲刷强度与平滩河宽的相关关系，累积崩退宽的计算值与实测值吻合较好(图12)。出现这种相关性的差异主要原因：在已有护岸段，在河床处于强冲刷阶段时，横向扩展受到控制，冲刷主要往纵深向发展，而冲刷主要发生在枯水河床，枯水同流量水位明显降低，同水位枯水水深明显增加；在未有护岸段，尤其是荆江河段岸由二元结构组成，河岸未稳定性差，当河段来沙量大幅减少，河岸受到淘刷而发生崩退，崩退的泥沙又落淤在近岸河床，虽然近岸河床也受到一定冲刷，河底高程有一定降低，但没有河岸崩退平滩河宽变化程度大。

7　主要认识

(1)三峡水库蓄水后荆江河段近岸河床的变化在护岸段及未护段有所区别，在已有护岸段近岸河床主要表现为冲刷下切，近岸河床高程降低；在未有护岸段，近岸河床的变化表现为冲刷下切及河岸崩退，而河岸崩退更为明显。

(2)近岸河床冲刷坑面积与含沙量在定性上有一定相关性，含沙量大，冲刷坑面积较小，含沙量小，冲刷坑发生冲刷扩展。

(3)近岸河床特征值(河道形态尺度)与水沙条件即水流冲刷强度有相关关系。在已有护岸段，近岸河床深槽枯水水深与水流冲刷强度关系密切；在未有护岸段，近岸河床枯水水深、平滩水深及平滩河宽与水流冲刷强度有相关性，但近岸河床枯水水深、平滩水深与水流冲刷强度相关性相对较弱，而平滩河宽与水流冲刷强度相关性强。这种相关性差异主要原因：已有护岸段横向发展受到控制，河床往纵深发展，未有护岸段河床横向扩展，平滩河宽明显增加。

(4)依据河道形态尺度与水流冲刷强度的相关关系，从地形测量资料计算河道形态尺度，可以推算水流强度，知道平均流量，可以反推含沙量，同时，根据水流冲刷强度可以计算的到平滩河宽，这对于未守护段崩岸的预警预测具有重要意义。

参考文献：

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[4]　夏军强，宗全利.长江荆江段崩岸机理及其数值模拟[M].北京:科学出版社，2015.

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[7]　钱宁，张仁，周志德.河道演变学[M].北京:科学出版社，1987.

[8]　余文畴，卢金友.长江河道崩岸与护岸[M].北京:中国水利水电出版社，2008.

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[14]　武汉水利电力学院河流泥沙工程学教研室.河流泥沙工程学[M].北京:水利电力出版社，1983：227-234.

Discussion of Response about the Jingjiang River Near Shore River Bed Evolution to Water and Sediment Conditions

PENG Yuming1,XIA Junqiang2,PENG Jia3,SHEN Jian1

(1.Jingjiang Bureau of Hydrology and Water Resources Survey，Yangtse Water Conservancy Committee，Jingzhou Hubei Province　434002；2.State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science,Wnhan University,Wuhan Hubei Province　430072；3.School of Water Conservancy of North China University of Water Resources and Electric Power,Zhengzhou Henan Province　450045)

Abstract:Nearshore riverbed change impact on regime stability,revetment and the safety of the dikes.Since the 1990s,due to the effect of water and sediment conditons change,upstream to gradually reduce,the Jingjiang reach riverbed scouring.After the Three Gorges Reservoir(TGR)built,due to the reservoir regulation,sediment from the upper reaches depositing in the reservoir,change the water and sediment conditions and process of downstream of the dam,specific sediment concentration significantly reduce,cause new changes in nearshore river bed of Jingjiang reach.With the implementation of the revetment engineering,to enhance the impact resistance of the Banks of the river,inhibit the transverse development of nearshore river,have protection period of nearshore riverbed change mainly for scouring incised;coastal river transverse and longitudinal of no revetment section were expanded,erosion of the coastal riverbed entrenchment often accompanied by collapse.In this paper,combining with the Jingjiang reach rivershore river monitoring data and analysis of existing results,nearshore riverbed evolution from the third aspects of the response of the water and sediment conditions change.First,the nearshore bed scour pit characteristic value in relation to flow and sediment conditions;Second,the offshore bank slope stability of flow,sediment concentration and the response of the variation range of water level;Third is inshore riverbed flat beach channel form scale response degree of water and sediment.Through calculation and analysis of coastal river water with the change of characteristic value of sand on the qualitative and quantitative correlation.

Key words:Nearshore Riverbed；Evolution；Water and Sediment Conditions；Response