杜小盾，劉成奕，甘建軍，邱振東

(1.瑞昌市水利局，江西 瑞昌 332200；2.南昌工程學(xué)院 鄱陽湖流域水工程安全與資源高效利用國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330099)

長(zhǎng)江中下游瑞昌段平面形態(tài)復(fù)雜，既有河流分汊，也有山地和沖積平地，臨江面為長(zhǎng)江右岸的凹岸，沖蝕崩岸現(xiàn)象嚴(yán)重，治理難度較大[1]。梁公堤段上起碼頭鎮(zhèn)金絲居委會(huì)，下至瑞昌市碼頭鎮(zhèn)老鼠尾碼頭，是《長(zhǎng)江流域綜合防治規(guī)劃(2012—2030年)》及《三峽后續(xù)工作總體規(guī)劃》確定的長(zhǎng)江中下游崩岸重點(diǎn)治理河段。梁公堤為長(zhǎng)江江西段重點(diǎn)治理的起點(diǎn)段，需要護(hù)岸的長(zhǎng)度為4 290 m，其中新建坡腳4 290 m，新建護(hù)坡2 350 m。

梁公堤始建于1968年3月，堤防總長(zhǎng)度5 605 m，設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年，堤防高度最小值6 m，堤防最大高度為7 m，堤頂寬度5～7 m，堤頂高程26.5～26 m，設(shè)計(jì)水位24 m，水閘和泵站各1個(gè)。該河段經(jīng)過多年的加固整治，大部分崩岸段雖然已經(jīng)得到治理，但由于雨情水情的變化，長(zhǎng)江中下游極端降雨和清水下泄對(duì)梁公堤的沖刷加劇，導(dǎo)致其岸坡應(yīng)力、應(yīng)變、滲流場(chǎng)發(fā)生時(shí)空變異，坡體內(nèi)部發(fā)生受力變形，部分老險(xiǎn)工險(xiǎn)段在降雨和水位變化耦合作用下出現(xiàn)了新的險(xiǎn)情[2]。

水位漲跌、河道曲率、水流動(dòng)力作用、降雨入滲和人類工程活動(dòng)等內(nèi)外因素對(duì)崩岸的影響研究關(guān)系到長(zhǎng)江大保護(hù)國(guó)家戰(zhàn)略的順利實(shí)施，因此分析典型岸坡的崩岸機(jī)制，開展基于地質(zhì)—水位—力學(xué)—形變的崩岸全過程研究顯得十分必要。以往的涉水岸坡崩塌形成機(jī)制研究多集中于河床演變、水位變化和泥沙沖擊3個(gè)方面[3-5]，而基于地質(zhì)、力學(xué)和水位的崩塌內(nèi)外動(dòng)力影響因素分析較少，隨著國(guó)家長(zhǎng)江大保護(hù)戰(zhàn)略的推進(jìn)，基于物理模擬試驗(yàn)對(duì)內(nèi)外動(dòng)力因素的研究越來越受到重視[6-8]。

邵鵬等采用內(nèi)外動(dòng)力因素結(jié)合地震—降雨—采礦開挖等人類工程活動(dòng)，通過地面調(diào)查、無人機(jī)觀察、鉆孔巖心分析等技術(shù)手段，對(duì)天山北麓某礦進(jìn)行研究[9]。張永雙等在龍門山地區(qū)地震地質(zhì)和地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查的基礎(chǔ)上，通過包含了活動(dòng)斷裂和風(fēng)化作用的耦合，巖土體結(jié)構(gòu)與變形破壞形式的耦合，地震力與地形地貌的耦合以及地震力與地下水的耦合等，總結(jié)了山區(qū)地震地質(zhì)災(zāi)害形成過程中內(nèi)外動(dòng)力耦合作用的主要表現(xiàn)形式[10]。李曉等從3個(gè)方面研究地質(zhì)災(zāi)害形成的內(nèi)外動(dòng)力耦合作用機(jī)制：(1) 通過對(duì)大量古滑坡的空間分布特征和發(fā)育時(shí)間的研究,尋求滑坡時(shí)空分布的控制因素,揭示滑坡發(fā)育演化與地球內(nèi)外動(dòng)力耦合作用的關(guān)系;(2) 通過對(duì)大型基巖滑坡滑帶發(fā)育演化過程的研究,提出滑帶形成演化的典型四階段模式及其內(nèi)外動(dòng)力耦合作用機(jī)制；(3) 以三峽庫(kù)區(qū)千將坪滑坡為例，通過對(duì)泥化夾層和滑帶結(jié)構(gòu)的精細(xì)地質(zhì)分析和測(cè)試，重建滑帶形成演化過程，研究千將坪滑坡發(fā)育及滑帶形成的內(nèi)外動(dòng)力耦合作用機(jī)制[11]。夏軍強(qiáng)等通過研究岸坡本身的地質(zhì)條件結(jié)合力學(xué)特性以及外界條件，研究二元結(jié)構(gòu)河岸的穩(wěn)定性與崩岸機(jī)理[12]。

本文結(jié)合瑞昌段梁公堤崩岸的工程地質(zhì)特征，開展了單層和多層結(jié)構(gòu)的崩岸形成機(jī)制研究，對(duì)降雨型涉水岸坡在不同降雨和庫(kù)水位耦合作用下的變形破壞特性進(jìn)行物理模擬和理論分析，以期為長(zhǎng)江崩岸建設(shè)提供科學(xué)參考。

1 梁公堤崩岸基本特征

梁公堤全段在2002年5月均采取拋石、砌石、堆石等防護(hù)措施，但樁號(hào)1+100～LG2+175段岸坡于2005年7月28日發(fā)生窩崩，最大崩寬5 m；2016年8月3日發(fā)生條崩，最大崩寬6 m。2016年又對(duì)堤內(nèi)小碼頭進(jìn)行整治，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明：樁號(hào)LG0+878～LG1+240段坡腳松散新近沉積物沖刷形成高約0.8～1.5 m的陡坎，其他段岸線除瑞昌市碼頭、洋豐碼頭尚有拋石、堆石防護(hù)外，其余堤段設(shè)施幾乎水毀殆盡，局部碎石零散堆積[13]。

梁公堤在長(zhǎng)江河谷右岸沖湖積Ⅰ、Ⅱ級(jí)階地上，以河流沖堆積和構(gòu)造剝蝕垅崗丘陵地貌為主。地勢(shì)上南東高北西低，河道總體呈現(xiàn)向凹進(jìn)的弧形，主泓偏向南岸，漫灘不發(fā)育，以無漫灘為主(寬度小于50 m)。崩岸區(qū)主要位于Ⅰ級(jí)以上沖洪積物豐富的堆積階地上。近岸河床高程一般-5～-12 m，長(zhǎng)江流向96°～74°，深泓近岸，側(cè)蝕作用強(qiáng)烈。堤外分布有外灘，堤防樁號(hào)1+950以上外灘一般60～80 m，1+950以下堤段較寬，多在100 m以上，地勢(shì)較平坦，灘面高程一般17.5～19.5 m，沿岸線分布有眾多碼頭、躉船等設(shè)施。

岸坡總體較緩，水上坡度約8°～16°，水下坡度11°～28°，局部較陡，可達(dá)38°。該段河道主流靠南岸，河道微凹，深泓近岸，樁號(hào)3+980以上段近岸河床高程一般-5～-8 m，以下段近岸高程一般-1～-3 m，近岸河床深槽總體不發(fā)育，僅樁號(hào)0+878～LG1+085段分布，深槽高程-14～-17 m，長(zhǎng)約140 m，寬約60 m，最大沖刷深度7～9 m，其他分布小型溝槽，槽底約高程-6.5～-10 m。

研究區(qū)岸坡崩岸按外觀形態(tài)和特征分主要有四種類型：一是條崩，主要發(fā)生在LG0+878～LG1+360段，崩岸的臨空面較陡，崩岸基本與岸線平行，崩岸高度約為0.8～1.5 m。其形成過程較為復(fù)雜,在沿岸水流強(qiáng)度大、土質(zhì)抗沖性能較差且分布均勻的河段易形成,一般出現(xiàn)在汛后枯水期,也有少數(shù)出現(xiàn)在中洪水期；二是窩崩，主要發(fā)生在LG1+360～LG2+118段、LG3+818～LG4+085段，坡面較緩，坡度一般6°～8°，平面上呈弧形，崩岸高度1～4 m，寬度20～80 m不等，其形成過程十分復(fù)雜,具有多樣性,一般在水流強(qiáng)度大、土質(zhì)抗沖性能差且分布不均勻的河段易形成,既可能由大小不同的多次崩塌所構(gòu)成,也可能由一次性整體滑移而形成,大多出現(xiàn)在枯水期,少數(shù)在洪水期發(fā)生；三是洗崩，主要位于LG2+118～LG2+818，該段為瑞昌公用碼頭、洋豐碼頭，已采用拋石堆石護(hù)岸，局部破損，上覆新近沖積物，主要為河流反復(fù)洗刷導(dǎo)致塌岸，洗崩的崩塌規(guī)模較小,形成過程簡(jiǎn)單,一般崩段長(zhǎng)度僅有十余米或數(shù)十米,塌落土體體積在數(shù)百立方米之內(nèi),發(fā)生的時(shí)間較短,幾小時(shí)就可發(fā)生；四是滑崩，主要位于梁公堤LG2+818～LG3+818段，該段土質(zhì)松散，長(zhǎng)江水流橫向沖刷河岸，加之土體排滲不暢，汛后江水位下降較快時(shí)，坡體崩滑呈圓弧狀。

2 梁公堤崩岸的地質(zhì)環(huán)境條件

崩岸的發(fā)生往往與其地質(zhì)及水文環(huán)境密切相關(guān)，松散的土層、彎曲的河道、強(qiáng)勁的水文動(dòng)力作用均會(huì)對(duì)崩岸的發(fā)生造成影響。

2.1 地質(zhì)環(huán)境

瑞昌市梁公堤位于長(zhǎng)江入贛的南岸，保護(hù)著瑞昌市碼頭鎮(zhèn)5.7萬人，53.6 km2的耕地，4.4 km2的養(yǎng)殖水面，以及產(chǎn)值超過5億元的數(shù)十家骨干企業(yè)，是長(zhǎng)江江西段的重點(diǎn)堤防。長(zhǎng)江在梁公堤以西(上游)為瑞昌市富池鎮(zhèn)所屬的下巢湖堤段，該段長(zhǎng)江近135°弧形彎道，由南北向東西向偏轉(zhuǎn)，河道寬1.1～3.5 km，江對(duì)岸為湖北武穴市；梁公堤下游與九江市柴桑區(qū)城子外埠所屬的赤心堤連接，江中有新洲形成鎖口，逼迫長(zhǎng)江向東南方向偏。從總的河道侵蝕方向來看，梁公堤段是長(zhǎng)江入贛段第一個(gè)凹岸，不斷受到長(zhǎng)江侵蝕，河道逐年向南移。

梁公堤附近長(zhǎng)江最低枯水位9.11 m，洪水位19～24 m。其中LG0+878～LG2+818段，外灘寬50～130 m，坡頂高程18.1～19.7 m，近岸河床高程-5～-12 m，坡高25～32 m，坡度6°～18°。近岸樁號(hào)0+878～LG1+085一帶河床沖刷深槽發(fā)育，深槽高程-14～-17 m，寬約60 m，最大沖刷深度7～9 m。梁公堤樁號(hào)LG2+818～LG4+908段，外灘較寬，寬度一般210～330 m，坡頂高程17.8～19.6 m，坡底高程-6～-9 m，坡高25～30 m，水上岸坡坡度5°～18°，水下岸坡坡度10°～28°，近岸河床沖刷深槽不發(fā)育。梁公堤位于第四系全新統(tǒng)沖積層土，巖性主要為粉質(zhì)黏土、礫砂等，厚24～38 m，下伏為二疊系下統(tǒng)茅口組的灰?guī)r，主要地層巖性可分為5層(表1)。

表1 梁公堤地層巖性分布特征表

下伏二疊系下統(tǒng)茅口組灰?guī)r，埋藏深度受地殼運(yùn)動(dòng)和古長(zhǎng)江沖刷作用起伏不平，根據(jù)現(xiàn)在鉆探資料，埋深在26 m以下，局部含有洞徑2～8 m的溶洞或孔洞。

研究區(qū)地下水根據(jù)水文地質(zhì)條件主要分以下幾層：第1層為相對(duì)隔水層，主要巖性為第四系全新統(tǒng)上部黏性土層和粉質(zhì)壤土層，厚度5～28 m，滲透系數(shù)K<1.0×10-5cm/s。第2層為上層滯水，巖性主要為砂壤土、粉細(xì)砂等夾層，厚度0.5～3 m，滲透系數(shù)10-3

2.2 水文環(huán)境

長(zhǎng)江水由湖北武穴至江西瑞昌后，江水急驟拐彎，導(dǎo)致河流沖刷劇烈，加之梁公堤屬于凹岸，造成深泓近岸，至梁公堤尾堤，河岸由南凹轉(zhuǎn)北凸，近岸河槽由深轉(zhuǎn)淺，河岸水動(dòng)力沖刷作用由強(qiáng)轉(zhuǎn)弱，導(dǎo)致崩岸形式隨之變化。從河道崩岸的1990—2020年的歷史影像分析，30年來，梁公堤段上段(LG0+878～LG2+818)，河道面南東方向偏移3～5 m；中段(LG2+818～LG3+908)向南凹進(jìn)4～5 m；下段(LG3+818～LG4+908)向北東方向凸出2～3 m。

梁公堤上游瑞昌河道管理局(LG0+100)段至碼頭段(LG2+200)長(zhǎng)江岸線曲率增大，水深近泓，水流加速雍水，長(zhǎng)江水對(duì)岸坡沖刷力增加大。因此，梁公堤上游段岸坡受到長(zhǎng)江主流沖蝕和水流循環(huán)作用，長(zhǎng)期受到強(qiáng)烈沖蝕和淘蝕，使LG0+100～LG2+200段崩岸較為嚴(yán)重(圖1)。

圖1 瑞昌梁公堤崩岸及地形示意圖

3 梁公堤崩岸的形成機(jī)制分析

以往的研究多將崩岸的形成歸結(jié)于水流動(dòng)力沖刷、泥砂沖蝕淘蝕、河道沖淤演變、巖坡土壤地質(zhì)構(gòu)造等因素，但對(duì)于降雨與庫(kù)水位耦合作用等考慮的尚不多見[14-15]。

3.1 地質(zhì)因素

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，梁公堤段位于長(zhǎng)江右岸，岸坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)主要有兩類：一是Ⅰ1型單層地質(zhì)結(jié)構(gòu)，坡體巖性主要為粉質(zhì)黏土或淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，位于樁號(hào)LG0+878～2+818；二是Ⅱ2型雙層地質(zhì)結(jié)構(gòu)，坡體巖性上層為粉質(zhì)黏土，厚度大于5 m，下層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土或砂性土，厚薄不均；位于樁號(hào)LG2+818～LG4+908，主要由粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)壤土等黏性土組成；滑坡，坡高15～54 m(圖2)。

圖2 梁公堤典型段雙層地質(zhì)結(jié)構(gòu)剖面圖

雙層結(jié)構(gòu)的岸坡存在上硬下軟的特征，坡體在飽水作用下軟化，黏聚力和內(nèi)摩擦角迅速降低，抗剪強(qiáng)度降低。同時(shí)，有的堤段下伏順向或緩傾向外的基巖滑床，形成控制性優(yōu)勢(shì)岸坡結(jié)構(gòu)面，其相鄰的上覆淤泥質(zhì)黏土或砂性土相當(dāng)于軟弱夾層，在重力作用下順向滑床向前滑移，引起崩岸，所以二元結(jié)構(gòu)的河床土質(zhì)對(duì)崩岸形成與發(fā)展有較大的影響。

3.2 降雨因素

降雨與崩岸的發(fā)生關(guān)系較為復(fù)雜，除了跟降雨強(qiáng)度、降雨持續(xù)時(shí)間有關(guān)之外，還與岸坡的地質(zhì)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。根據(jù)剛體極限平衡理論，岸坡穩(wěn)定性安全系數(shù)是指沿假定滑裂面的抗滑力與滑動(dòng)力的比值，當(dāng)岸坡后緣有裂縫時(shí)，降雨入滲會(huì)導(dǎo)致裂縫中孔隙水壓力的變化。此時(shí)，會(huì)有兩個(gè)主要工況：(1) 若裂縫貫通，長(zhǎng)江水位上漲時(shí)，由于裂縫貫通，排除水對(duì)其起到的潤(rùn)滑作用，對(duì)岸坡產(chǎn)生浮托力F＇，岸坡趨于穩(wěn)定；長(zhǎng)江水位下跌時(shí)，岸坡在重力作用下的下滑力增加，由于水位下降，土體濕潤(rùn)導(dǎo)致摩擦力降低，抗滑力也相對(duì)降低，岸坡穩(wěn)定系數(shù)降低，坡體加速崩滑；(2) 若裂縫未貫通，降雨入滲在裂縫形成超孔隙水壓力PWi-1和Ui，推動(dòng)坡體向臨空面崩滑(圖3)。

圖3 岸坡降雨入滲裂縫受力示意圖

3.3 河流動(dòng)力因素

由于梁公堤段總體南微凹，深泓近岸，在水流的橫向力、離心力、上層合力、下層合力形成凹岸環(huán)流、回流、波浪、沖刷等作用，導(dǎo)致岸坡崩岸；從平面上向梁公堤右彎，在長(zhǎng)江水流流向及其慣性力V、克利奧里力F以及彎道離心力P的合力作用下，水流沖擊合力大，侵蝕力大，不斷對(duì)岸坡進(jìn)行沖刷和泡蝕，近10年來崩岸高度達(dá)到了1～5 m。在崩岸之后由于沒有及時(shí)護(hù)岸，導(dǎo)致凹岸臨空面形成剪出口，隨后變形向后方延伸，在河流動(dòng)力持續(xù)作用下，岸坡形成不同形式的崩岸(圖4)。

圖4 梁公堤水流動(dòng)力作用示意圖

3.4 人類工程活動(dòng)因素

梁公堤位于長(zhǎng)江入贛第一鎮(zhèn)碼頭鎮(zhèn)，一直是通商古埠，人類活動(dòng)頻繁。除自然作用外，崩岸還與河道內(nèi)采砂、碼頭建設(shè)、沿岸工程建設(shè)活動(dòng)密切相關(guān)，這些人類工程活動(dòng)也會(huì)造成河岸地形地貌改變、巖土體結(jié)構(gòu)改變、河道流沙、河床失衡等現(xiàn)象，導(dǎo)致河岸的加速崩滑。

4 結(jié)論與建議

(1) 通過野外調(diào)查及地質(zhì)勘查表明，該堤防是在長(zhǎng)江水動(dòng)力、降雨入滲和人類工程活動(dòng)共同作用下發(fā)生的崩岸。其中水位變化是水動(dòng)力沖刷作用下崩岸發(fā)生的外因，而由軟弱基底、雙層地質(zhì)結(jié)構(gòu)及水系連通條件好的凹形岸坡是崩岸發(fā)生的內(nèi)因，在岸坡的人類工程活動(dòng)對(duì)崩岸的形成有促進(jìn)作用。

(2) 根據(jù)《長(zhǎng)江流域綜合規(guī)劃(2012—2030)》及《三峽后續(xù)工作總體規(guī)劃》，梁公堤為長(zhǎng)江重點(diǎn)治理河段，是九江百里長(zhǎng)江美麗岸線的起點(diǎn)部分，也是建設(shè)沿江綠色生態(tài)廊道的關(guān)鍵。由于深泓近岸，梁公堤岸坡受到離心力、橫向力、克里奧里力等多種合力作用，不僅會(huì)影響堤內(nèi)“園林景觀帶”和碼頭的安全，也會(huì)威脅堤身和堤外建筑物安全。

(3) 基于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和岸坡線歷史演變分析，梁公堤首尾兩段受到河流侵蝕的影響較大，各標(biāo)段變形幅度或變形方向呈現(xiàn)不同的規(guī)律?？傮w上，起點(diǎn)至碼頭位置崩岸程度最大，以條崩為主；梁公堤尾段的崩岸程度次之，以窩崩或滑崩為主；梁公堤中部的平緩位置崩岸程度最小，以洗崩為主，反映出崩岸受到水流、水勢(shì)和地勢(shì)的綜合影響，在水位變化和坡體受力作用下形成機(jī)制不同。因此，崩岸的治理應(yīng)綜合考慮以上因素的影響，因地制宜選擇堆石、護(hù)岸、固化、生態(tài)護(hù)坡等措施。