練 偉 航,李 海 彬,宮 鵬 杰,張 廣 傳,丘 佳 永

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院,廣東 廣州 510635; 2.廣東省水動力學(xué)應(yīng)用研究重點實驗室,廣東 廣州 510635; 3.河口水利技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室,廣東 廣州 510635)

0 引 言

堤防是廣東省防洪工程體系的重要組成部分,是防御洪水的最后屏障。其中,西江水系堤防數(shù)量約占全省的8.8%[1],險段數(shù)量則約占全省的1/5[2]。

沙口險段位于廣東省佛山市南海區(qū)境內(nèi)的西江干流水道左岸,自沙口水閘起全長約1.2 km(見圖1)。該段堤圍在2005年、2008年及2011年分別出現(xiàn)了較嚴(yán)重的岸坡塌方險情,雖采取水上削坡減載、水下拋石固基等處理手段,但險段出險隱患仍未得到有效緩解,嚴(yán)重影響堤圍防洪安全,險段綜合整治迫在眉睫。

圖1 沙口險段地理位置Fig.1 Location of the Shakou risk reach

針對珠江流域險段破壞機理及治理技術(shù)的研究,前人已做了大量工作,積累了較為豐富的治理經(jīng)驗和實踐。如黃本勝等提出以丁壩群方案整治蘆苞、洪潭、黃塘險段,以平順護灘工程措施整治長潭險段[3];賴冠文等提出拆除西南河段新沙洲洲頭分水壩、左汊進口錯口丁壩,右汊修筑潛壩,疏挖右汊河槽,以改善兩汊分流比,控制左汊水流動力的增大趨勢,達到左汊停止下切、河床趨于穩(wěn)定、避免西南險段進一步惡化的目的[4-8]。何用等通過河床演變特征與水動力特性分析,研究了平洲水道木盆口險段的形成機理,提出采用模袋混凝土的岸坡與堤腳防護措施[9];段民華等結(jié)合險段特點及險段成因分析成果,提出拋石護坡(底)和丁壩群相結(jié)合的險段整治措施[10-11];梁柏棉研究了退堤還灘、網(wǎng)袋拋石護腳、填筑潛壩等工程措施在中山市沙塘圍險段治理中的應(yīng)用及成效[12];陳國文等基于險段成因分析和河工模型試驗,提出利用丁壩群調(diào)整水流結(jié)構(gòu)、改善水流對險段沖刷的工程整治措施[13-14]。

以上研究結(jié)合險段特性和河床演變情況,針對性提出險段治理措施,并在實際應(yīng)用中取得了良好效果,但其所研究險段基本上是因河勢復(fù)雜而形成。沙口險段所在西江下游河道,蜿蜒曲折,流量大、流速急,上游江心洲、九江大橋、碼頭等對河道水流均有明顯影響,且險段岸坡的民居、漁船?？康然顒宇l繁,其險段形成及影響因素多且復(fù)雜。深入研究險段成因,并針對性提出險段治理思路,是后續(xù)沙口險段綜合整治取得成效的關(guān)鍵。

1 險段歷史險情及治理

1.1 險段歷史險情

沙口險段堤圍受水流沖刷嚴(yán)重,自2005年以來出現(xiàn)3次較大險情。

2005年6月下旬,西江、北江上游普降暴雨,局部大暴雨,洪水來勢猛、漲勢急、流量大,西江、北江干流水位迅速上漲,形成了西北江流域百年一遇的“05·6”特大洪水。7月,九江鎮(zhèn)沙口社區(qū)下街入口處外灘臨水岸坡出現(xiàn)大范圍崩塌,塌坡范圍縱向長度約80 m,崩塌面積約3 150 m2,坡頂距水面約4.8 m。

2008年6月,珠江三角洲發(fā)生50 a一遇的特大洪水[15],洪水過后,沙口社區(qū)段約210 m的西江堤岸及岸上的九江飼料廠飼料倉庫發(fā)生坍塌,塌方段縱向長度約210 m,寬度最窄處5 m,最寬處達到10 m。塌坡的具體位置在西江外灘地區(qū),距離樵桑聯(lián)圍約150 m(見圖2)。

圖2 沙口險段2008年6月坍塌段現(xiàn)場圖片F(xiàn)ig.2 Bank collapse in the Shakou risk reach in June,2008

2011年10月,在九江飼料廠碼頭附近再次出現(xiàn)岸坡塌方險情。沙口水閘對外120～150 m范圍內(nèi)出現(xiàn)約-49 m(珠江基面高程,下同)深的深潭,并往下游飼料廠塌方段延伸,形成一道深槽,河床高程由-49 m 漸變成-40 m(見圖3)。

圖3 沙口河段三維水下地形Fig.3 3D underwater topographic map of the Shakou reach

1.2 治理情況

對沙口險段于2007年3～10月完成了外坦塌岸修復(fù)加固工程。工程以“上部削坡減載、下部拋石固基”為原則,修復(fù)范圍為沙口水閘至九江飼料廠段。把外凸的岸坡向內(nèi)削緩,使現(xiàn)岸線內(nèi)移2～12 m,目的是使岸線更為平順?？菟诔Ｋ?.5 m以下采用拋石護腳固基,坡比為1∶2,為保障岸坡整體穩(wěn)定,在-15～-20 m高程間設(shè)反壓平臺,寬10 m。水位變動區(qū)(高程1.5～4.5 m)則采用預(yù)制混凝土六角塊護面,坡比1∶3。

從工程完工后的2008年、2011年兩次險情來看,修復(fù)工程并未能有效解決險段隱患問題,還需從準(zhǔn)確把握險段成因、險段出險影響因素等方面著手,尋求更有針對性、更為高效的險段治理策略。

2 河床演變分析

2.1 近年河床演變分析

河床演變分析針對的河段長約14 km,沿程選取8個河床演變斷面(見圖4),以1999年、2010年和2016年實測河道地形資料作為分析基礎(chǔ)資料。

圖4 沙口河段河演斷面分布Fig.4 Distribution of cross-sections for Shakou reach evolution analysis

(1) 河床沖淤變化情況。圖5為套繪的沙口河段各典型橫斷面形態(tài)對比圖,其中,河演斷面8因2010年地形數(shù)據(jù)缺失,未作該年度變化比較。表1統(tǒng)計了各河演斷面的深泓點高程變化情況。

表1 沙口河段不同河演斷面深泓點高程統(tǒng)計Tab.1 Elevation statistics of thalweg points of different sections at Shakou reach m

圖5 沙口河段1999～2016年河床變化Fig.5 Riverbed changes at Shakou reach from 1999 to 2016

(2)河道深泓線的縱向變化趨勢。通過沙口河段河道深泓線縱向沿程變化情況分析(見圖6)可知,1999～2010年間整個河段深泓呈下切態(tài)勢,但沿程深泓下切幅度差異明顯,河演斷面1～3之間河段深泓下切幅度較小,平均下切約3～5 m;自河演斷面3起至下游,河段下切幅度最大達20 m,沿程平均下切達10 m 左右。2010～2016年間河段深泓沿程略有下切,但整體相對穩(wěn)定。

圖6 沙口河段1999～2016年深泓縱向變化Fig.6 Longitudinal variation of the thalweg at Shakou reach from 1999 to 2016

(3)河道深泓線的平面變化趨勢。從1999～2016年沙口河段深泓線平面變化情況來看(見圖7),1999～2010年河道深泓線沿程出現(xiàn)較明顯擺動,其中河演斷面2～4之間分汊河段深泓整體偏左岸下行,特別是1999年河演斷面3上游1.1 km至下游0.5 km河段,深泓線緊貼左岸堤腳分布,至2010年該河段深泓線向河道中間平均右偏約400 m,不再緊貼左岸分布;另外九江大橋以下河段,2010年深泓線較1999年整體向左平均偏移約160 m,距左岸灘邊最近點僅有80 m左右,深槽逼岸、威脅堤圍安全態(tài)勢進一步加劇。2010～2016年的河道深泓線沿程平面基本穩(wěn)定。

圖7 沙口河段1999～2016年深泓平面變化Fig.7 Plane variation of the thalweg at Shakou reach from 1999 to 2006

總體來說,1999～2010年沙口河段河床變化較為明顯,在2010年以后則整體趨于穩(wěn)定。

2.2 河床演變趨勢分析

選取西“05·6”洪水,以2016年實測地形為初始地形,通過局部河道平面二維水動力數(shù)學(xué)模型進行非恒定流水沙沖淤計算,分析險段河段沖淤演變趨勢?？紤]到沙口河段推移質(zhì)輸沙率不及總輸沙率的8.7%,以模擬懸移質(zhì)泥沙輸移過程為主。

數(shù)值模擬計算結(jié)果表明,沙口河段河床將發(fā)生沖刷,沖刷幅度約0.3～0.5 m(見圖8)。沙口險段崩岸多發(fā)生在汛期,暴雨的沖蝕和下滲使土體浸泡軟化、濕重度增加,形成較大的地下水滲透壓力。同時在險段上游擔(dān)擔(dān)沙洲導(dǎo)流的綜合作用下,深泓進一步向左岸逼近,并加劇對左岸近岸河床的縱向沖刷和側(cè)向侵蝕,主流基本穩(wěn)定在偏左岸的河床下行,一定程度上加強了險段近岸河床的沖刷。鑒于險段水下邊坡和坡腳內(nèi)坡的坡比值接近臨界狀態(tài),其近岸河床可能繼續(xù)沖刷并演變?yōu)檩^大規(guī)模的岸坡崩塌。

3 河道水流特性分析

建立大范圍一維水動力數(shù)學(xué)模型和局部河道平面二維水動力數(shù)學(xué)模型,經(jīng)2016年6月同步水文測驗資料進行模型率定后,開展典型頻率洪水工況計算,結(jié)合35個流速采樣點,對沙口河段的水流特性進行分析(見圖9和表2)。

表2 沙口河段采樣點水位、流速統(tǒng)計(P=1%)Tab.2 Water levels and velocities at sampling points for Shakou reach (P=1%)

圖9 沙口險段數(shù)值模擬計算范圍及采樣點布置Fig.9 Numerical simulation region and the layout of sampling points at Shakou risk reach

2016年6月實測水文資料統(tǒng)計表明,在海壽島(海心沙)河段,主流走左汊,左汊分流比約為45.66%;在擔(dān)擔(dān)沙河段,左汊分流比達76.96%(見表3)。

表3 沙口河段分流比實測值統(tǒng)計(2016年)Tab.3 Flow diversion ratio at Shakou reach in 2016 %

數(shù)值模擬計算結(jié)果顯示,研究河段彎道水流及汊道水流特征較為明顯。西江100 a一遇(P=1%)洪水條件下,水流進入海壽島(海心沙)河段后,主流偏于左岸下泄(見圖10),流經(jīng)九江大橋進入險段范圍,受河道寬度變窄、擔(dān)擔(dān)沙洲進一步擠壓過流寬度的影響,左、右兩汊流速明顯增大,且險段所在的左汊河道為主要泄洪通道,險段近岸(采樣點28～30)流速約為1.5～2.1 m/s。數(shù)值模擬計算成果與實測水文測驗結(jié)果基本一致,即在洪水期和中水期,沙口險段均為主流通過區(qū)域,流量越大,近岸流速相應(yīng)也越大,近岸河床持續(xù)沖刷易導(dǎo)致險段發(fā)生較大規(guī)模的岸線崩塌。

圖10 沙口河段數(shù)值模擬計算流場分布(P=1%)Fig.10 Velocity field distribution by numerical simulation for Shakou reach(P=1%)

4 險段成因分析

綜合實測水文數(shù)據(jù)分析、河床演變分析、數(shù)值模擬計算成果及現(xiàn)場調(diào)查情況,沙口河段河床下切嚴(yán)重,深槽逼岸,威脅堤圍安全態(tài)勢明顯,存在著自然和人類活動因素影響。

4.1 自然因素

(1) 險段岸坡地質(zhì)條件不良,岸坡下部主要為淤泥質(zhì)土、粉砂夾淤泥質(zhì)土和粉砂層,滲透穩(wěn)定性及抗沖刷能力均較差,在水流長期沖刷下,堤身結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,形成陡峭岸坡,是險段失穩(wěn)隱患之一。

(2) 水位上漲時,滲透壓力對崩岸的發(fā)生起到抑制作用;水位降落時,坡內(nèi)產(chǎn)生向坡面方向的滲流,土體抗滑力較小,在河道坡面與水面處土顆粒首先起動破壞,上移至逸出面,最后呈現(xiàn)塊狀坍落,臨水面崩落,形成崩岸?！?·6”特大洪水使險段岸坡遭受長時間的河水浸泡,地基土處于飽和狀態(tài),在洪水退潮以后,岸坡穩(wěn)定性降低最終引發(fā)重力崩塌。

(3) 險段上游擔(dān)擔(dān)沙洲的長期導(dǎo)水影響。根據(jù)實測資料及模型計算成果,擔(dān)擔(dān)沙左汊分流比達70%。在西江100 a一遇洪水條件下,險段范圍近岸流速約為1.5～2.1 m/s。

(4) 近年西江來沙大幅減少,且粒徑細化現(xiàn)象明顯,根據(jù)該河段水文測驗成果,洪水期平均含沙量在0.43 kg/m3以下,平均輸沙率也僅為9 400 kg/s,基本不具備懸沙落淤的前置條件。

4.2 人類活動因素

(1) 險段上游約500 m有九江大橋,橋墩阻水并縮窄河床,改變了河道的水流結(jié)構(gòu),加大了附近河段水流流速進而沖刷河床。

(2) 險段上游一些碼頭,外凸岸線較多,導(dǎo)致水流流態(tài)發(fā)生變化,可能產(chǎn)生漩渦和回流進而沖刷下游的河岸。

(3) 險段岸坡的民居、漁船?？康然顒硬粩?荷載過重超出岸坡的承受能力,給岸坡失穩(wěn)埋下隱患。

(4) 可能發(fā)生過非法濫采砂現(xiàn)象,人為挖深了河床,加速了險段附近深潭的形成,而深潭的復(fù)雜水流條件又導(dǎo)致深槽的形成及對河岸沖刷的加劇。

5 險段治理思路

崩岸型險段的治理主要措施有丁壩導(dǎo)流、退堤還灘、拋石護腳和其他平順防護措施(模袋混凝土、軟體排等)?；谏晨陔U段河勢、水沙特性,提出調(diào)整型措施與守護型措施相結(jié)合的險段治理思路。

5.1 調(diào)整型措施

(1) 沿九江大橋上游300 m左岸順堤布置丁壩。通過新建丁壩與原有航道整治丁壩的共同作用,進一步調(diào)整險段范圍的主流位置,使得近岸流速進一步減小,削弱水流對險段堤岸的沖刷力。

(2) 擔(dān)擔(dān)沙洲左側(cè)區(qū)域局部削灘。削灘可擴大擔(dān)擔(dān)沙洲左汊過水?dāng)嗝?進一步調(diào)整主流偏離險段,減小由沙洲導(dǎo)流加劇險段沖刷的不利影響。

5.2 守護型措施

水下護腳工程與水上護坡(岸)工程一起構(gòu)成守護型治理措施。

5.2.1水下護腳工程

沙口險段因其特殊的地理位置和河床條件,之前應(yīng)急整治工程采用的水下拋石護腳并未取得明顯效果,險段崩岸常年搶護仍時有發(fā)生?？筛鶕?jù)水下地形、岸坡形態(tài)及重點保護范圍,考慮水下承臺堆石護腳或阻滑樁結(jié)合長充沙管袋護腳措施。

水下承臺堆石護腳,即間隔構(gòu)筑具有一定面積能滿足設(shè)計堆石重量的獨立承臺,承臺上堆壘能滿足最大流速的塊石或石籠,然后再施工水上護坡工程。該措施主要是利用水下混凝土樁基礎(chǔ)及承臺作為堆石的基礎(chǔ),以改變接坡石及護腳石的基面。

阻滑樁結(jié)合長充沙管袋護腳,則是間隔設(shè)置阻滑樁,水下阻滑樁內(nèi)側(cè)以充沙管袋護腳,外側(cè)輔助以充沙管袋或者模袋混凝土、塊石護樁、護底、裹頭和鎮(zhèn)腳。

水下護腳工程通過控制近岸河床的縱向下切來保持水下護腳斷面的有效性,進而控制水流對岸腳的側(cè)向侵蝕,達到不改變河勢,不影響對岸堤防穩(wěn)定,不影響河道防洪態(tài)勢及現(xiàn)有航道的通航與控導(dǎo),而長久保護崩岸段堤防岸腳穩(wěn)定的目的。

5.2.2水上護坡工程

水上護坡工程的形式很多,主要有干砌塊石護坡、漿砌塊石護坡、混凝土六方塊護坡、模袋混凝土護坡、水泥土護坡、生態(tài)護坡等。沙口險段歷次崩岸均發(fā)生在汛期,保持汛期岸坡穩(wěn)定是除了保持水下岸腳穩(wěn)定外的另一個重要措施。

傳統(tǒng)的護坡方法大多為剛性結(jié)構(gòu)的淺層護坡,但剛性結(jié)構(gòu)護坡因其濾料受波浪、雨水的影響易流失,常會因岸坡微小變形而使坡面松動或塌陷。柔性結(jié)構(gòu)的生態(tài)護坡技術(shù)目前已較為成熟,岸上植物能有效削減波浪沖擊力,減少風(fēng)浪、暴雨及地下水滲流形成的侵蝕,防止土體崩塌或滑坡。根系發(fā)達植物如豆科草種、灌木或半灌木等,一般根深可達5 m以上,起到了“加筋”作用,固土能力強。據(jù)相關(guān)研究,在有側(cè)根作用的土體中,其抗張拉力提高38.7%,這類植物的根系可增強坡面的穩(wěn)定性,提高坡面的抗剪能力,有效防止滑坡坍塌,植物的枝葉還能減輕暴雨對坡面的侵蝕并緩解風(fēng)浪對坡面的淘蝕。從沙口險段歷次崩岸險情來看,其水上護坡工程二級護坡采用三維植被網(wǎng)護坡或其他形式的植物護坡,比單純用塊石或混凝土六方塊護坡更能起到固土護坡的作用。

5.2.3護岸措施

結(jié)合環(huán)境整治,水位變動區(qū)4.5 m高程以上與岸坡直墻之間設(shè)植草綠化平臺與親水觀光平臺,以改善景觀。

6 結(jié) 語

沙口險段屬較為典型的崩岸型險段,經(jīng)初步研究,其險段成因及發(fā)展受河勢、上游涉水建筑物、堤圍堤基地質(zhì)條件、周邊人類活動等的綜合影響,其中土體自重和坡內(nèi)滲流是主要因素,水流沖刷則有助推效應(yīng),傳統(tǒng)的護腳、護岸(坡)措施已難以解決這類河床持續(xù)沖刷、險段深槽迫岸態(tài)勢的問題。本文提出了河勢調(diào)整和岸坡防護相結(jié)合的治理思路,對險段河道整體河勢改變不大,工程措施具有較強操作性和針對性,在險段綜合治理開展時,建議通過數(shù)學(xué)模型、河工模型等手段開展深入研究,細化、優(yōu)化治理工程布置,以進一步提升工程治理的實效性和穩(wěn)定性。