夏軍強(qiáng)，鄧珊珊

(武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

1 研究背景

崩岸是沖積河流河床變形的重要組成部分，大規(guī)模崩岸現(xiàn)象的發(fā)生不僅影響局部河段的河勢(shì)穩(wěn)定，而且威脅堤防、取水口及橋梁等重要涉水工程安全，增大防洪壓力，并可能造成大量灘區(qū)耕地塌失。在我國(guó)長(zhǎng)江中下游及黃河下游河段，崩岸現(xiàn)象尤為突出。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近60余年來(lái)長(zhǎng)江中下游累計(jì)崩岸長(zhǎng)度達(dá)1 600余km[1]。三峽工程運(yùn)用后長(zhǎng)江中下游干流河道共發(fā)生崩岸險(xiǎn)情937處，累計(jì)崩岸長(zhǎng)度約701 km，尤以荊江河段最為嚴(yán)重[2]。在河床持續(xù)沖刷過(guò)程中，因岸坡變陡、主流頂沖或深泓貼岸，長(zhǎng)江中游的石首與七弓嶺彎道段以及下游九江與揚(yáng)中河段等都出現(xiàn)了嚴(yán)重的崩岸險(xiǎn)情[2-6]。2017年4月19日長(zhǎng)江干堤洪湖段的燕窩蝦子溝堤段發(fā)生嚴(yán)重崩岸險(xiǎn)情，崩岸長(zhǎng)75 m、寬22 m，距堤腳最近僅14 m，直接威脅大堤安全。在黃河下游河段，三門(mén)峽水庫(kù)蓄水?dāng)r沙運(yùn)用期間，花園口至高村河段約200 km2的灘地發(fā)生崩退，花園口至東壩頭河段二灘之間的寬度增加近1 000 m[7]。小浪底水庫(kù)運(yùn)行后，黃河下游河床沖刷，灘岸崩退，1999—2018年下游游蕩段河段尺度的平灘河槽寬度增加近183 m[8]。

崩岸現(xiàn)象發(fā)生的機(jī)理十分復(fù)雜，影響因素繁多，且屬于河流動(dòng)力學(xué)及土力學(xué)的交叉學(xué)科問(wèn)題[4,9]。自1980年以來(lái)，國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者開(kāi)展了崩岸的研究，揭示了不同河流崩岸的影響因素，包括水流沖刷、土體表面侵蝕、植被覆蓋及滲流侵蝕等，并提出了不同崩塌模式下岸坡穩(wěn)定性的計(jì)算方法[10-12]。隨著對(duì)各類影響因素的深入認(rèn)識(shí)，崩岸模擬技術(shù)也由經(jīng)驗(yàn)方法逐步發(fā)展至基于動(dòng)力學(xué)過(guò)程的不同維度的數(shù)學(xué)模型，并逐漸在模型中量化了各類因素對(duì)崩岸的具體影響[12-16]。隨著上游水庫(kù)的運(yùn)用，長(zhǎng)江中下游和黃河下游河段崩岸現(xiàn)象突出，影響河道防洪與航運(yùn)，由此國(guó)內(nèi)關(guān)于崩岸的研究開(kāi)始從基礎(chǔ)理論拓展至工程實(shí)踐。崩岸監(jiān)測(cè)預(yù)警成為近期研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，研究者提出了結(jié)合現(xiàn)代信息及測(cè)量技術(shù)(無(wú)人機(jī)航空攝影、三維地形掃描、多波速測(cè)深系統(tǒng)及全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等)的崩岸監(jiān)測(cè)方法[17-20]，以及崩岸預(yù)警等級(jí)的劃分方法[21-23]。然而現(xiàn)有崩岸監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)尚不完全成熟，崩岸機(jī)理與數(shù)值模擬方法研究也存在仍待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外研究在崩岸機(jī)理、數(shù)值模擬及監(jiān)測(cè)預(yù)警方面的進(jìn)展，并分析了其中仍待解決的科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題。

2 崩岸機(jī)理研究現(xiàn)狀

崩岸機(jī)理研究是崩岸數(shù)值模擬及監(jiān)測(cè)預(yù)警的基礎(chǔ)，故首先從崩岸類型、力學(xué)機(jī)理及影響因素3個(gè)方面，對(duì)崩岸機(jī)理的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)。

2.1 崩岸類型

崩岸是指在近岸水沙與河床邊界的相互作用下，河岸受到各種因素影響而發(fā)生的土體崩塌現(xiàn)象，是沖積河流橫向變形的主要方式[9]。崩岸類型多樣，在河流工程界通常按其平面形態(tài)與崩塌力學(xué)模式來(lái)劃分[24-27]。

按平面形態(tài)可將崩岸分為洗崩、條崩和窩崩[24-25, 27]。洗崩是指局部河岸表層或小范圍土體受水流或風(fēng)浪侵蝕淘刷形成的剝落或流失,分布廣且發(fā)生頻率高。條崩則為長(zhǎng)距離河岸土體的大幅度崩解或塌落，且多出現(xiàn)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(見(jiàn)圖1(a))。窩崩為河岸大面積土體的崩塌，崩塌長(zhǎng)度和寬度相當(dāng)，少則數(shù)十米，多則上百米，其形成與河岸土質(zhì)分布不均及特殊的水流結(jié)構(gòu)(環(huán)流、橫流或斜流等)密切相關(guān)[26-27](見(jiàn)圖1(b))。

圖1 不同類型崩岸的照片F(xiàn)ig.1 Different types of bank erosion

按力學(xué)模式可將崩岸分為淺層崩塌、平面滑動(dòng)、圓弧滑動(dòng)及懸臂式崩塌[26-27]。淺層崩塌一般發(fā)生在坡度平緩的非黏性土河岸，崩塌強(qiáng)度相對(duì)較小。平面和圓弧滑動(dòng)則多發(fā)生于黏性土層較厚的河岸(見(jiàn)圖2(a))，前者崩塌沿平面形成；后者破壞面多為包含對(duì)數(shù)螺線面和平截面的復(fù)合面，通?？蛇_(dá)到坡腳處，甚至?xí)由熘疗履_以外，形成大規(guī)模崩塌[27]。懸臂式崩塌通常發(fā)生在二元結(jié)構(gòu)河岸，特點(diǎn)是上層為較薄抗沖性較強(qiáng)的黏性層(黏土或根-土復(fù)合層)，下層為較厚抗沖性差的非黏性層(粉沙或細(xì)沙)(見(jiàn)圖2(b))。下層非黏性土體易受近岸水流橫向淘蝕造成上層土體懸空，直至發(fā)生繞軸、張拉或剪切破壞[26]。窩崩和條崩的力學(xué)模式可以是淺層崩塌、平面滑動(dòng)、圓弧滑動(dòng)及懸臂式崩塌中的任意一種。

圖2 不同類型崩岸過(guò)程示意圖(平面、圓弧滑動(dòng)及繞軸崩塌)Fig.2 Schematic diagram of different types of bank erosion processes

2.2 崩岸發(fā)生的力學(xué)機(jī)理

平面滑動(dòng)和圓弧滑動(dòng)的發(fā)生通常是由于坡腳土體的起動(dòng)切應(yīng)力小于水流切應(yīng)力，而導(dǎo)致下部土體流失，岸坡變形，繼而導(dǎo)致由重力與孔隙水壓力形成滑動(dòng)力與由河道側(cè)向水壓力及黏聚力等形成的抗滑力之間的平衡被破壞，從而失穩(wěn)[11,28](見(jiàn)圖3中的(a)、(b))。該類河岸崩塌可采用破壞面上的穩(wěn)定安全系數(shù)來(lái)表示，即最大抗滑力與實(shí)際滑動(dòng)力的比值，當(dāng)其小于臨界值時(shí)，則認(rèn)為河岸會(huì)發(fā)生崩塌，反之維持穩(wěn)定。

懸臂崩塌則在于下層非黏性土層土體起動(dòng)切應(yīng)力小于水流切應(yīng)力，水流淘刷致使下層土體流失，上部土體懸空，繼而導(dǎo)致破壞面上力或力矩平衡被破壞[26,29-30]。其中繞軸崩塌是由于重力形成的外力矩與土體抗拉及抗壓應(yīng)力形成的抵抗力矩之間的不平衡(見(jiàn)圖3(c))；張拉破壞是由于重力與抗拉力間的靜力不平衡；而剪切崩塌主要是由于懸空體破壞面上重力與黏聚力間的不平衡。懸臂崩塌的穩(wěn)定性可基于懸臂梁臨界平衡理論，確定臨界條件下的懸空寬度。當(dāng)實(shí)測(cè)懸空寬度超過(guò)該值時(shí)，認(rèn)為上部土體會(huì)發(fā)生崩塌，反之則維持穩(wěn)定[31]。

圖3 不同崩塌模式下的力學(xué)機(jī)理Fig.3 Mechanical mechanism of different erosion modes

窩崩發(fā)生的力學(xué)機(jī)理較為復(fù)雜，且尚不明確，但水流動(dòng)力條件分布不均、岸灘結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性及抗沖能力分布不均通常是其發(fā)生的主要原因[32-33]。當(dāng)局部岸段土體的抗沖能力突然減弱，水流切應(yīng)力大于土體臨界切應(yīng)力，導(dǎo)致土體被劇烈淘刷，形成楔入的深槽，深槽逐步發(fā)展并形成回流，其形態(tài)及強(qiáng)度等隨著窩崩的發(fā)展而不斷變化(見(jiàn)圖4)?；亓鞯男纬?，導(dǎo)致窩塘內(nèi)存在較高水流切應(yīng)力，從而致使大量土體繼續(xù)坍塌，且滑落的土體不斷被回流分解并輸送至窩塘口門(mén)，再由主流輸送至下游[34-35]。

圖4 窩崩內(nèi)部水流結(jié)構(gòu)[16]Fig.4 Flow regime in the pit-slide erosion[16]

2.3 崩岸影響因素

根據(jù)崩岸影響因素性質(zhì)的差異，可將其分為河岸邊界條件及動(dòng)力條件。前者主要涉及河道形態(tài)、局部岸坡形態(tài)、河岸土體組成、植被覆蓋及護(hù)岸工程等多因素，后者主要涉及河道水流對(duì)近岸河床及河岸土體的侵蝕、重力侵蝕及河岸土體內(nèi)部及表面動(dòng)力過(guò)程(滲流、凍融及干燥等)造成的侵蝕等。

2.3.1 河岸邊界條件

通常情況下河道彎曲程度越大，水流頂沖作用越強(qiáng)(尤其是在凹岸側(cè))，崩岸發(fā)生的頻率越高。Begin[36]提出了彎道凹岸受到的單位沖擊力與河道曲率半徑與河寬(R/W)的比值的函數(shù)關(guān)系。代加兵等[37]的研究表明黃河毛不拉及陶樂(lè)河段的塌岸量與河流彎曲度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。局部岸坡形態(tài)是近岸水沙運(yùn)動(dòng)塑造的結(jié)果，但從短時(shí)段尺度來(lái)看，也是決定后續(xù)是否會(huì)發(fā)生崩岸的主要因素之一。崩岸段通常為高大陡坡，如長(zhǎng)江中游荊江段崩岸區(qū)岸坡的坡比在1∶1.5～1∶2.0之間，河岸高度介于10～20 m[38]。此外，對(duì)具有不同土層組成的河岸而言，黏性土河岸的穩(wěn)定性一般大于二元結(jié)構(gòu)河岸，后者又大于非黏性土河岸。原因在于：黏性土層越厚、黏粒含量越高的河岸，其整體的抗剪及抗沖性更強(qiáng)。如土體的起動(dòng)切應(yīng)力(抗沖性)隨著黏粒含量的增加而增加，且可采用黏粒含量的多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系進(jìn)行估計(jì)[39]。Torrey[40]研究了密西西比河下游岸坡穩(wěn)定性與土體二元結(jié)構(gòu)的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)當(dāng)下臥砂土層厚度與上覆黏土層厚度之比<0.7時(shí), 岸坡基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。部分研究者則側(cè)重于河岸帶植被覆蓋對(duì)崩岸過(guò)程的影響，包括植被生長(zhǎng)造成的土體內(nèi)部含水率和基質(zhì)吸力等的變化，及植被根系加筋作用引起的根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的增長(zhǎng)[13, 41-42]。

護(hù)岸工程的實(shí)施不同程度地改變了河岸的邊界條件，并使得相應(yīng)區(qū)域的流速場(chǎng)等發(fā)生改變。通常情況下，護(hù)岸工程前緣會(huì)發(fā)生較為劇烈的沖刷[43]，繼而很可能導(dǎo)致護(hù)岸工程的損毀。另外，護(hù)岸工程損毀過(guò)程還與護(hù)岸材料及結(jié)構(gòu)型式等有關(guān)，通?？蓪⒆o(hù)岸工程分為散粒體、排體及剛性體。散粒體護(hù)岸以拋石護(hù)岸為代表，其損毀模式通常包括塊石直接被水流帶走、平移滑動(dòng)、拋石層塌陷及河岸土體的塌陷[44]。其中平移滑動(dòng)主要是由于河岸坡度較陡或坡腳被水流侵蝕，引起大量塊石下滑，或由于拋石不均形成空白區(qū)，在水流淘刷下，塊石大量下滑[43-44]，而拋石層塌陷及河岸土體的塌陷多是由拋石層或土體內(nèi)部過(guò)剩的孔隙水壓力引起[44]。排體護(hù)岸的水毀與排體頭、尾部及前沿的沖刷程度密切相關(guān)，若沖刷過(guò)于嚴(yán)重，排體會(huì)出現(xiàn)下滑或拉斷等的現(xiàn)象，或者發(fā)生翻卷及局部破壞[45]。剛性體護(hù)岸工程的損毀原因則與其無(wú)法適應(yīng)水流沖刷作用下的河床變形有關(guān)[43]。由此可見(jiàn)，護(hù)岸工程的實(shí)施可有效地維持河岸的穩(wěn)定，但其自身的損毀過(guò)程十分復(fù)雜，而現(xiàn)有研究對(duì)于定量評(píng)估護(hù)岸工程實(shí)施后自身穩(wěn)定性的研究較少。

2.3.2 動(dòng)力條件

通常情況下，水流沖刷是沖積性河流崩岸現(xiàn)象發(fā)生的最主要驅(qū)動(dòng)因素，因此較早的研究中通常將崩岸現(xiàn)象的發(fā)生僅歸結(jié)于河道水流的沖刷過(guò)程。重力作用對(duì)河岸土體侵蝕與河岸邊坡的形態(tài)有關(guān)，而后者又由水流沖刷來(lái)塑造。因此，基于河流平衡態(tài)的研究認(rèn)為河道展寬的程度取決于水沙特征因子，如造床流量或平灘流量等[46-47]，而基于動(dòng)力學(xué)過(guò)程的研究則認(rèn)為河岸土體的橫向沖刷速率與水流剩余切應(yīng)力存在冪函數(shù)關(guān)系[11,48]。隨后的研究開(kāi)始關(guān)注河岸內(nèi)部及表層的動(dòng)力過(guò)程，例如河岸內(nèi)部滲流過(guò)程引起孔隙水壓和基質(zhì)吸力的變化及其對(duì)土體顆粒的侵蝕作用[49-52]，又如由凍融及干燥等造成的河岸土體的流失[53-55]。Karmaker等[30]通過(guò)試驗(yàn)研究分析了滲流侵蝕對(duì)二元結(jié)構(gòu)河岸崩塌過(guò)程的影響，并建立了河岸崩塌時(shí)間與滲流比降的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。Henshaw等[55]分析了凍融次數(shù)對(duì)英國(guó)Severn源區(qū)崩岸過(guò)程影響，指出崩岸速率隨著凍融次數(shù)的增加而增大。

水流運(yùn)動(dòng)是崩岸過(guò)程最主要的驅(qū)動(dòng)因素，而后者對(duì)前者同樣存在反饋?zhàn)饔?，且主要表現(xiàn)為：①大幅度崩岸致使河寬明顯調(diào)整后，可能會(huì)改變相應(yīng)區(qū)域的河勢(shì)，致使主流擺動(dòng)，水流流速降低；② 崩岸形成的坡腳堆積體，一方面對(duì)近岸河床起著一定掩護(hù)作用，一方面又改變了局部水流結(jié)構(gòu)，加劇局部河床的沖刷。余明輝等[56]曾基于概化水槽試驗(yàn)結(jié)果指出：崩塌體臨水面周?chē)?，尤其是上、下游區(qū)域，水流紊動(dòng)強(qiáng)烈，易形成較大剪切力區(qū)，且崩塌體的體積越大，引起的剪切力變化也越明顯。

綜上可知，崩岸機(jī)理復(fù)雜，影響因素繁多，且各類因素之間相互作用。例如：河道形態(tài)約束水沙運(yùn)動(dòng)過(guò)程，后者塑造了局部岸坡形態(tài)，而崩岸現(xiàn)象又致使近岸水流結(jié)構(gòu)作出改變；河道水位升降影響著河岸內(nèi)部滲流過(guò)程，后者侵蝕河岸土體顆粒，并改變了土體內(nèi)部孔隙水壓及基質(zhì)吸力分布，繼而影響河岸土體的物理力學(xué)特性；局部河床沖刷導(dǎo)致護(hù)岸材料發(fā)生滑移變形，滲流作用致使護(hù)岸工程發(fā)生局部破壞或整體塌陷，而護(hù)岸工程又改變了河床沖刷及滲流的發(fā)展過(guò)程。然而，現(xiàn)有研究對(duì)于如何準(zhǔn)確描述這些因子間的相互作用尚不完全清楚。

3 崩岸數(shù)值模擬技術(shù)研究現(xiàn)狀

崩岸數(shù)值模擬技術(shù)可分為基于經(jīng)驗(yàn)方法及基于動(dòng)力學(xué)方法的崩岸過(guò)程模擬，前者通常以河床演變學(xué)為基礎(chǔ)，構(gòu)建崩岸特征參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算關(guān)系，后者則結(jié)合河流動(dòng)力學(xué)與土力學(xué)理論，實(shí)現(xiàn)水沙輸移與崩岸過(guò)程的耦合模擬，故此處分別介紹兩類崩岸模擬方法的研究現(xiàn)狀。

3.1 基于經(jīng)驗(yàn)方法的崩岸模擬

3.2 基于動(dòng)力學(xué)過(guò)程的崩岸模擬

基于動(dòng)力學(xué)過(guò)程的崩岸模擬技術(shù)以水沙數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，耦合河岸穩(wěn)定性分析模塊，用于模擬河床的縱向與橫向變形過(guò)程。這類方法具有較強(qiáng)的動(dòng)力學(xué)機(jī)制，可用于計(jì)算崩岸的發(fā)展過(guò)程[16,29,63-65]。

3.2.1 水沙數(shù)學(xué)模型

水沙數(shù)學(xué)模型主要包括水沙輸移與床面沖淤計(jì)算兩部分，已出現(xiàn)很多比較成熟的一維至三維數(shù)學(xué)模型如：美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)開(kāi)發(fā)的HEC-6一維模型，丹麥水利所的MIKE21二維模型、代爾夫特水力學(xué)所提出的Delft3D模型等。早期模型多基于平衡輸沙假設(shè)，隨后引入了非均勻沙不平衡輸移理論，并考慮了全沙(懸沙及推移質(zhì))的輸移過(guò)程[66-67]。結(jié)合研究區(qū)域的特征，不少研究者對(duì)模型進(jìn)行了改進(jìn)，如考慮多沙河流渾水與床面交換對(duì)流量的影響、非黏性沙與黏性沙沖刷過(guò)程、植被對(duì)水沙運(yùn)動(dòng)的影響及異重流運(yùn)動(dòng)等[68-71]。然而，盡管水沙數(shù)值模擬技術(shù)已取得了較大的進(jìn)展，但在長(zhǎng)距離非均勻沙不平衡輸移過(guò)程的計(jì)算中，仍存在較多關(guān)鍵性問(wèn)題有待解決，例如：河道阻力隨時(shí)間及空間的變化、非均勻沙分組挾沙力計(jì)算公式(挾沙力級(jí)配調(diào)整)以及恢復(fù)飽和系數(shù)計(jì)算等[72-74]。

3.2.2 崩岸模型

基于力學(xué)過(guò)程的崩岸數(shù)學(xué)模型以土力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ)，將水沙輸移及床面沖淤計(jì)算與土體力學(xué)平衡分析相耦合，從而實(shí)現(xiàn)崩岸過(guò)程模擬。這類方法具有較強(qiáng)的力學(xué)機(jī)制，能反映崩岸的發(fā)展過(guò)程。其中斷面尺度及一維尺度的崩岸模型分別以美國(guó)農(nóng)業(yè)部(USDA)提出的BSTEM和CONCEPTS模型為代表，兩者均被大量應(yīng)用于科學(xué)研究及工程設(shè)計(jì)[75-77]。BSTEM模型可考慮坡腳沖刷、孔隙水壓、植被等因素對(duì)崩岸的影響，而CONCEPTS則將BSTEM模型與一維水沙動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了耦合。然而，BSTEM模型中關(guān)于孔隙水壓的計(jì)算較為簡(jiǎn)單，暫僅依據(jù)假設(shè)或?qū)崪y(cè)(輸入)的潛水位值進(jìn)行計(jì)算。Klavon等[77]對(duì)BSTEM模型進(jìn)行了評(píng)估，指出該模型有必要進(jìn)一步考慮土體抗侵蝕能力在時(shí)間及空間上的變化和植被根系對(duì)土體抗剪特性的影響，并耦合滲流過(guò)程計(jì)算模塊。

基于局部網(wǎng)格可動(dòng)技術(shù)或凍結(jié)法，耦合二維及三維水沙動(dòng)力學(xué)模型與斷面尺度崩岸模型，不少研究實(shí)現(xiàn)了局部更為精細(xì)的崩岸過(guò)程模擬[12,14,78]。但多維崩岸數(shù)學(xué)模型相對(duì)復(fù)雜且計(jì)算量大，因此通常對(duì)崩岸機(jī)理進(jìn)行了較多的簡(jiǎn)化，考慮的影響因素相對(duì)較少。部分近期關(guān)于崩岸模擬的研究逐步增強(qiáng)了對(duì)多類影響因素的綜合考慮。如Rousseau等[15]考慮了水沙運(yùn)動(dòng)、植被、潛水自由面變化(滲流)及坡腳堆積多個(gè)因素的影響，對(duì)崩岸過(guò)程進(jìn)行了模擬，但是該研究中采用了簡(jiǎn)單的指函數(shù)關(guān)系來(lái)計(jì)算潛水自由面的變化過(guò)程，仍不能準(zhǔn)確地反映潛水自由面隨河道水位升降等因素的變化過(guò)程。因此如何更為準(zhǔn)確地模擬水流沖刷、滲流及河道水位變化等過(guò)程間的相互作用仍是崩岸模擬技術(shù)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。另外，現(xiàn)有數(shù)學(xué)模型通常適用于天然岸段的河岸崩退過(guò)程，而很少可直接用于計(jì)算護(hù)岸段河岸的崩退過(guò)程。

4 崩岸監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)研究現(xiàn)狀

監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)在山洪、泥石流等自然災(zāi)害領(lǐng)域應(yīng)用較廣[79-81]，但目前在河流崩岸方面應(yīng)用較少。建立沖積河流的崩岸監(jiān)測(cè)預(yù)警機(jī)制首先需要解決2個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，即崩岸監(jiān)測(cè)和崩岸預(yù)警指標(biāo)確定及等級(jí)劃分。

4.1 崩岸監(jiān)測(cè)技術(shù)

崩岸測(cè)量方法一定程度上取決于研究者所關(guān)注的時(shí)間及空間尺度。從地貌學(xué)角度，研究者通常關(guān)注于長(zhǎng)河段長(zhǎng)時(shí)段(>100 a)的崩岸過(guò)程。采用的手段主要基于沉積特征、植被特征以及歷史資料(記錄、報(bào)告、遙感影像)等。然而從河流動(dòng)力學(xué)及實(shí)際工程應(yīng)用角度而言，崩岸監(jiān)測(cè)通常關(guān)注于短時(shí)間尺度內(nèi)(一場(chǎng)洪水過(guò)程或汛期內(nèi))的崩岸過(guò)程，需要更為精確的測(cè)量結(jié)果，關(guān)注焦點(diǎn)也通常局限于局部河段。因此通常采用的方法包括重復(fù)斷面地形測(cè)量、重復(fù)平面位置測(cè)量和河岸變形監(jiān)測(cè)。

在斷面地形測(cè)量方面，通常采用全站儀、電子水準(zhǔn)儀、單波束測(cè)深系統(tǒng)、多波束測(cè)深系統(tǒng)等儀器開(kāi)展水下和陸上地形測(cè)量[82]，繼而通過(guò)對(duì)比不同時(shí)刻的地形數(shù)據(jù)，來(lái)獲取相關(guān)崩岸信息，如河岸高度、坡度及坡腳沖刷幅度等。這類測(cè)量所需要的人力和時(shí)間成本較高，通常不能做到實(shí)時(shí)的大范圍精細(xì)測(cè)量。在平面位置測(cè)量方面，則可采用數(shù)字航空攝影技術(shù)，例如利用無(wú)人機(jī)航空攝影技術(shù)獲取不同地形特征的平面坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)局部岸線調(diào)整的觀測(cè)[17-18]，以及基于遙感影像提取監(jiān)測(cè)河段地形地貌信息，反映岸線變化過(guò)程[83]。該類監(jiān)測(cè)方法所需要的時(shí)間成本相對(duì)較低，但受限于無(wú)人機(jī)航空攝影頻次及遙感影像采集頻次。河岸變形監(jiān)測(cè)通過(guò)埋設(shè)多點(diǎn)位移計(jì)、沉降儀以及壓力計(jì)等設(shè)備來(lái)測(cè)量土體內(nèi)部的位移或變形[17]，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與傳輸，用于實(shí)時(shí)分析險(xiǎn)工段河岸的穩(wěn)定性。然而，受野外條件的限制，這些設(shè)備的安裝、維護(hù)及布置存在較大的難度，因此現(xiàn)階段在實(shí)際工程中的應(yīng)用相對(duì)較少。

除了崩岸現(xiàn)象本身，崩岸監(jiān)測(cè)還需包括其主要影響因子的測(cè)量，比如河道來(lái)水來(lái)沙條件及局部水流運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。在沿程各水文斷面開(kāi)展的流量、含沙量及水位等過(guò)程的測(cè)量及各水位斷面的水位過(guò)程測(cè)量，可用于實(shí)時(shí)分析研究河段的水位漲落、洪峰過(guò)程及河段整體沖淤情況。走航式聲學(xué)多普勒測(cè)流技術(shù)可測(cè)得局部河段(尤其是急彎和分汊段)的水流結(jié)構(gòu)，對(duì)于研究局部復(fù)雜水流條件對(duì)崩岸過(guò)程的影響具有重要意義，但受限于時(shí)間及人力成本，通常僅能獲得特征流量下的水流結(jié)構(gòu)。由于崩岸成因復(fù)雜且具有突發(fā)性等特點(diǎn)，崩岸監(jiān)測(cè)需要開(kāi)展的內(nèi)容較多，對(duì)于大江大河，要實(shí)現(xiàn)全覆蓋實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)具有很大的難度，因此多以局部重點(diǎn)段監(jiān)測(cè)為主，同時(shí)可利用遙感技術(shù)等兼顧一般岸段的崩岸監(jiān)測(cè)。

4.2 崩岸預(yù)警指標(biāo)及等級(jí)劃分方法

現(xiàn)有預(yù)警等級(jí)劃分方法以實(shí)測(cè)地形資料分析為主，通過(guò)深泓及河岸坡度、高度等特征指標(biāo)的變化來(lái)判定崩岸危險(xiǎn)區(qū)域并評(píng)估其預(yù)警等級(jí)。部分研究以崩岸可能性大小或河岸穩(wěn)定性的程度來(lái)確定預(yù)警等級(jí)[21,84]，或結(jié)合崩岸對(duì)沿岸人民生命財(cái)產(chǎn)安全等的危害程度來(lái)劃分崩岸預(yù)警等級(jí)[17,22,85-86]。例如，李義天等[21]選取河岸坡比為預(yù)警指標(biāo)，預(yù)警過(guò)程包括臨界坡度確定、深泓沖刷深度預(yù)測(cè)及河岸穩(wěn)定性分析3個(gè)方面。該研究基于一維水沙輸移及床面沖淤數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)了研究河段斷面平均沖刷深度，并基于經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，預(yù)測(cè)了深泓的沖深幅度，繼而修正各斷面河岸形態(tài)。對(duì)比預(yù)測(cè)坡度Sa與臨界坡度Ss的大小，將護(hù)岸方量<100 m3/m且0.9Ss≤Sa設(shè)為預(yù)警岸段，其中0.9Ss≤Sa≤Ss設(shè)為警戒岸段，Sa>Ss設(shè)為危險(xiǎn)岸段，其余為一般岸段。

荊江市長(zhǎng)江勘察設(shè)計(jì)院和長(zhǎng)江科學(xué)院提出了基于分值評(píng)估體系的崩岸預(yù)警方法[84]，其核心內(nèi)容在于通過(guò)設(shè)立條件特征、沖刷過(guò)程及岸線狀況特征三大條款及相應(yīng)的子條款，并基于大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)估岸坡在這3方面獲得的分值，進(jìn)而確定加權(quán)后的綜合分值，由此判斷一般、二級(jí)設(shè)防、一級(jí)設(shè)防及警戒4類預(yù)警岸段。該方法考慮了河岸土體組成、滲流、河床沖刷及護(hù)岸工程等多重因素的影響，但各條款分值的評(píng)估未有明確的標(biāo)準(zhǔn)。

另外，劉東風(fēng)等[22]提出結(jié)合河道演變分析、近岸斷面套繪、岸坡穩(wěn)定計(jì)算等方法，開(kāi)展長(zhǎng)江崩岸預(yù)警工作，并依據(jù)崩岸可能性及危害程度將崩岸預(yù)警劃分成Ⅰ—Ⅲ等級(jí)。曹雙等[23]提出了崩岸預(yù)警綜合評(píng)估方法，包括河演分析、水流運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型計(jì)算及岸坡穩(wěn)定性分析等方面，但各類方法預(yù)測(cè)指標(biāo)不一致，各類方法間的耦合問(wèn)題還有待解決?？梢?jiàn)，現(xiàn)有崩岸預(yù)警指標(biāo)不統(tǒng)一，等級(jí)劃分手段多樣且等級(jí)設(shè)定存在明顯的差異，各方法獲取的結(jié)果較難相互轉(zhuǎn)化，且均存在較強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)性。需要尋找更為合適的崩岸預(yù)警方法，并且融合經(jīng)驗(yàn)方法及數(shù)值模擬等多種手段，提高崩岸預(yù)警的準(zhǔn)確度。

5 結(jié)論與展望

沖積河道崩岸研究從機(jī)理—數(shù)值模擬—監(jiān)測(cè)預(yù)警， 形成了由基礎(chǔ)理論研究向工程應(yīng)用技術(shù)研究的發(fā)展。 在機(jī)理方面， 現(xiàn)有研究對(duì)不同類型崩岸的力學(xué)機(jī)理及不同影響因子的具體作用開(kāi)展了定性及定量分析， 揭示了不同河道崩岸現(xiàn)象的主要控制因素， 同時(shí)為崩岸數(shù)值模擬技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。 另外， 將崩岸力學(xué)模型與一維至三維水沙數(shù)學(xué)模型耦合， 實(shí)現(xiàn)了不同尺度的床面沖淤與崩岸過(guò)程的耦合模擬， 可用于計(jì)算崩岸的發(fā)展過(guò)程等。 結(jié)合現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)開(kāi)展的崩岸監(jiān)測(cè)工作， 為崩岸機(jī)理及模擬提供了大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)， 同時(shí)也服務(wù)于崩岸預(yù)警技術(shù)。 由此可見(jiàn)， 沖積河道崩岸研究已取得較大的進(jìn)展， 但仍存在以下關(guān)鍵科學(xué)及技術(shù)問(wèn)題有待解決：

(1)不同崩岸影響因素間的相互作用關(guān)系及其量化方法。崩岸現(xiàn)象的發(fā)生通常是在多因素的共同作用下發(fā)生的，對(duì)于不同的河段，其主導(dǎo)因素可能存在區(qū)別，因此研究各類因素的相互作用關(guān)系對(duì)于明確不同河段崩岸現(xiàn)象的發(fā)生機(jī)理具有重要的意義。此外，如何有效刻畫(huà)不同類型護(hù)岸工程水毀過(guò)程的力學(xué)機(jī)理并給出變化水沙條件下的穩(wěn)定性計(jì)算方法也有待解決。

(2)崩岸數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)機(jī)理的簡(jiǎn)化及對(duì)河岸土體特性等數(shù)據(jù)的需求一定程度限制了其在實(shí)際工程中的運(yùn)用，如何有效地在模型中更為全面地考慮崩岸發(fā)生的機(jī)理及刻畫(huà)河岸邊界條件的沿程變化過(guò)程等值得探討。

(3)如何綜合利用現(xiàn)代測(cè)量及信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)-線-面結(jié)合的崩岸監(jiān)測(cè)工作。崩岸現(xiàn)象成因復(fù)雜，崩岸監(jiān)測(cè)涉及的要素較多，因此通常以局部重點(diǎn)岸段的監(jiān)測(cè)為主。然而崩岸現(xiàn)象具有突發(fā)性，因此如何結(jié)合數(shù)字航空攝影技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)，實(shí)現(xiàn)不同尺度下的崩岸監(jiān)測(cè)工作，是需要解決的問(wèn)題之一。

(4)崩岸預(yù)警等級(jí)劃分指標(biāo)體系的確立及劃分標(biāo)準(zhǔn)。在崩岸數(shù)值模擬及監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，開(kāi)展崩岸預(yù)警工作，需要對(duì)模擬和監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行提煉與整合，確定預(yù)警指標(biāo)，同時(shí)還需考慮預(yù)警河段工程布置、人口分布及河勢(shì)情況等。因此，需要提出一套有效的預(yù)警指標(biāo)體系，并給出相應(yīng)的等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)。