0 引言
长江中下游河道是沿江地区经济社会发展的重要支撑,是长江经济带发展、长江三角洲区域一体化发展等国家战略的重要依托,保障河势稳定是中下游地区防洪安全、生态安全、供水安全、通航安全的基本前提。长江中下游干流河道上起宜昌,下迄长江河口原50号灯标,全长约1 893 km(图1),按边界条件及河型特点分为宜昌至枝城段、枝城至城陵矶段、城陵矶至湖口段、湖日至徐六泾段、河口段等五大段,其中弯曲河型约占30%。
作为广泛分布在长江中下游河段的河型,弯曲河道具有迂回曲折的外形和蜿蜒蠕动的动态特征,自然条件下河道随着弯曲率发展可能出现裁弯现象,如下荆江石首河段百年来(1887—1972年)发生过4次自然裁弯,对防洪、通航安全以及河流生态等产生了深远的影响。由于弯曲河道演变的复杂性,其演变规律及整治技术一直是水利、交通等部门关注的重点。本文以长江中下游弯曲河型为主要研究对象,对比分析了三峡建库前后弯曲河型的演变特点,归纳总结了弯曲河道整治技术,在此基础上展望了未来弯曲河道整治可能的研究方向及重点。
1 弯曲河道演变规律
长江中下游弯曲河型按其平面特点可以分为两类:一类是单一弯道,包括上荆江的公安、郝穴等河弯,叶家洲河段,黄石河段、韦源口河段的猴儿矶-半壁山段以及湖口以下分汊河段中部分弯道过渡段,如芜裕河段的大拐弯道、镇扬河段的仪征水道、六圩弯道、扬中河段的界河口—鹅鼻嘴段等。二类是连续弯道,往往由多个急弯段及其顺直过渡段组成,如下荆江以及簰洲湾河段。弯曲分汊河段在以往河道整治中多归为分汊河型,因此本文中弯曲河型不包括含江心洲(滩)的弯曲分汊河型。
来水来沙条件是弯曲河道演变的首要因素,边界条件受其制约[1]。天然状态下弯曲河道一般演变规律是凹岸崩退、凸岸淤长,弯道曲率变小,河身加长,相邻弯道间距离缩短形成较大河环,河环起始点间的狭颈水位高差较大,若遇漫滩水流将狭颈冲开将发生自然裁弯,如近百年下荆江因自然截弯而遗留的新、老牛轭湖有十多处,簰洲湾河段凹岸崩退、弯道加长,弯道狭颈处历史上最窄仅1 km。以长江中游典型弯曲河道下荆江为例,三峡建库前河床不断地在纵向和横向上朝着平衡态调整,其演变特征表现为河道平面变形剧烈,河床冲淤变化复杂而纵向冲淤相对平衡,即下荆江河道边滩在平面变形中一般呈“洪淤枯不冲”的单向淤长展宽的规律,其边滩淤长与凹岸崩退保持着同样的速率,河道年际间纵向冲淤相对平衡。
三峡及其上游干支流梯级水库修建后,“清水下泄”引起了长江中下游河道发生长时间、长距离的冲刷[2⇓⇓-5],2001—2021年期间宜昌至长江口已累计冲刷约50.3亿m3,局部河段河势变化较大[6-7],呈现河床滩槽冲淤变化、纵比降改变、河型转换以及河势调整等多尺度复杂响应的特点[8⇓-10],长江中下游弯曲河道原有凸岸边滩淤积、凹岸深槽冲深的演变规律发生变化[11-12],“凸冲凹淤”现象在蓄水后呈现群发性[13]。弯道段切滩撇弯引起水流顶冲点的变化和近岸河床的冲刷下切,使得河道岸频发,影响河势稳定和防洪安全。对于弯道演变呈现的新特点,大多数专家学者认为是河道边界条件以及来沙条件变化引起的[14⇓-16],如余文畴[17]认为蓄水后荆江河段典型弯道水流的运动总体上有趋直特性,下荆江弯道岸滩地貌动力调整是由来水来沙条件和弯曲形态共同决定的,而低泥沙供给条件导致弯曲度及平面形态对三峡建库后下荆江岸滩形态调整的贡献率降低[18]。预计随着长江上游梯级水库陆续运行,下游河段径流量变异系数将继续增大,可能导致目前未发生“撇弯”但弯曲半径较小的弯道段发生“撇弯”[19]。对于城陵矶以下簰洲湾河段,孙启航等[20]研究认为来水来沙条件占主导地位,弯道段局部区域崩岸的发生则依赖于河床边界条件。
可见,目前对长江中下游弯曲河道演变已开展较多研究,但由于河流自动调整的复杂性,弯曲河段局部河势调整仍较大,鉴于不同时期弯曲河道演变的复杂性,其整治技术也在不断变化,并且从外部环境来看,长江经济带高质量发展的要求使得长江河道治理的外界约束条件逐步增强,对弯曲河型整治思路、技术等提出新的要求。
2 弯曲河道整治理论与技术
2.1 整治理论
弯曲河道整治的理论思想是控制有利河势,调整不利河势,通过治导线的布置及工程措施控制适宜河宽、河长及弯曲半径,并控制河长与弯曲半径的比值在合理范围内。设计参数主要有流量、水位、河宽和河弯要素(包括河弯半径R、中心角φ、河宽间距L、弯曲幅度P、河弯跨度T以及两弯之间直河段长)等,治导线的河弯形态通常有单一圆弧、双圆弧、复合圆弧3种[21]。
(1)曲率适度,弯曲半径满足航道要求,河弯长度S与弯曲半径R之比约在1~2.5范围内的弯道,通过护岸工程控制河势;曲率较大,弯曲半径较小或可能发生撇弯切滩的弯道,采取工程措施调整岸线使其较为平顺;对于已经发生或即将发生撇弯切滩河弯,对上下游河势予以适当调整。
(2)弯道段的河势控制应注意控制水流顶冲部位的下移。弯顶下半段的曲率应大于上半段,同时下半段弯道应有足够的长度,以控导水流较为稳定地进入下一弯道。
(3)调整过渡段长度和过长的顺直段。过渡段长度以不大于3倍河宽为宜;过长顺直段应调整为微弯形态后加以控制。
(4)对于个别曲率大的弯段,如下荆江尾闾河段,河势调整很困难,且存在出口与洞庭湖相互顶托河势不顺的问题,应综合考虑研究整个下荆江河势的控制及稳定问题。
2.2 裁弯工程
裁弯工程是急弯河段河势控制的重要措施,通过在河环狭颈处裁弯,待新河发展到设计的预期尺度时,采用护岸等工程稳定新河,最终形成河势稳定、曲率适度的弯曲型河道。
(1)引河平面形态。引河应为弯曲型并长度适当,弯曲半径一般为平滩河宽的2~3倍,中心线与上下游弯道深泓线的交角以20°~30°较为适宜;裁弯比(原河中轴线长度与新河轴线长度之比)为3~9、引河长度为平滩河宽的4~5倍较为适宜。
(2)引河截面形态。引河的冲刷发展一般是先冲深河底,一般挖至易冲土层或通航标准高程,以加大引河流速,引河宽度一般根据崩岸发展和通航等要求综合确定,下荆江裁弯工程引河断面面积为原河道断面面积的1/30~1/17。
(3)护岸设计。当新河发展到设计凹岸岸线及宽深尺度时,及时实施护岸工程,以引导新河保持优良的河势。以下荆江上车湾裁弯为例,当新河宽度发展到1 km时,在新河上下游实施护岸工程,设计护岸工程长度为4 km。
2.3 护岸工程
护岸工程对洪、中、枯水河槽都适用,是弯曲河道整治中最常用措施。护岸工程在长江中下游以往弯曲河道整治实践中已经取得了许多成功经验,但也有一些值得汲取的教训,如有的护岸工程由于河势的变化发生淤积;有的守护长度不足造成“抄后路”破坏已护工程,或护岸段下游发生崩塌,形成突出的矶头,造成局部冲刷严重;有的标准偏低,护岸后不久即遭受破坏。为解决护岸工程强度、水流和地形适应度等问题,由传统守点(矶头、丁坝等)改为平顺型护岸。
天然河道上修建水利枢纽工程后,水流顶冲部位和弯道间过渡段主流有所调整。因此,对局部河势变化的河段采取工程措施控制其不利的发展趋势避免河势出现较大变化[27]。采取护岸工程稳定微弯单一、曲率适当弯道凹岸,采取削咀工程和凹岸护岸等措施调整曲率较大、可能发生撇弯切滩的弯道,使其平顺且曲率适中[28]。根据长江中下游最新的河势变化趋向,下荆江、簰洲湾等连续弯曲河段近期维持河势稳定的主要工程措施为新建护岸及护岸加固[29],即对主流顶冲段进行护岸加固,对未守护薄弱段进行新建护岸。张细兵等[30]认为整治熊家洲至城陵矶连续弯曲河型,近期应维持河道形态,对迎流顶冲及崩岸段进行守护或加固,在八姓洲狭颈中部沿纵向埋设防护体,防止狭颈崩穿。
除以防洪为主要目标主导实施的大量弯曲河道整治外,近年来针对弯曲河道演变中存在的问题,航道部门也实施了一系列工程来维持航道通畅,如及时抑制三峡工程蓄水后弯曲河段凸岸侧河床冲刷,限制中枯水水流向凸岸侧扩散,同时控制航道边界、加大主河槽内水流冲刷[31]。对于连续弯道,宜先对上游的弯道进行整治,再根据整治后的河床调整情况,逐步对下游的弯道进行控制,从而达到对连续弯道滩槽形态、航道条件全面改善。河床变形较大河段宜与防洪护岸工程等相互配合、协调,必要时辅以疏浚措施,如针对急弯河段,在充分掌握三峡水库蓄水后急弯河段防洪与通航问题的基础上,已有研究[32]提出了“守、调、疏”相结合的整治理念,在提高航道通航尺度的同时,增强对强冲刷条件的适应性,降低对防洪的影响,相关成果已应用在荆江二期航道整治中。
随着长江大保护、长江经济带发展战略的实施和经济社会的高质量发展,水资源利用、岸滩利用及水环境改善、水生态修复、水景观提升等需求日趋迫切,在河道/航道工程中进一步加强相关生态治理技术的研究,使之能兼顾生态友好,如在长江生态航道建设过程中实现了航道治理和生态修复的融合[33]。同时不同弯道的位置不同,面临的问题和需求不同,整治的目标和重点也有区别,尤其是城市河段,因此,今后还应加强弯曲河道多目标协调整治的理论、方法和技术的研究与实践。
2.4 整治建筑物材料
护岸工程一般分为枯水位以上的水上护坡工程和枯水位以下的水下护脚工程2部分,护坡可采用干砌石、浆砌石、混凝土预制块、混凝土浇筑板、模袋混凝土、钢丝网石垫及植物等生态护坡,护脚分为散粒体、排脚和刚性体等。从加强原有边界稳定性或重新塑造不可动边界,进而调整水流结构2方面出发,航道整治建筑物分为守护型和调整型2大类,其中护岸(护坡、护脚)、护滩、护底等属于守护型工程,坝体属于调整型。杨燕华等[34]针对三峡水库蓄水运用后长江中下游来沙量锐减和河床趋势性冲刷现象,研究了航道整治工程守护型建筑物和调整型建筑物的选取问题。丁坝、护滩带多用于航道整治,也可用于河道整治中抑制洲滩冲刷。丁坝常见为软体排护底+抛石坝体结构,护滩建筑物结构形式主要有2种:块石护面型的护滩结构以及组合结构。三峡水库建库后长期清水冲刷条件下通常丁坝头、坝下游侧为冲刷剧烈区域,容易发生破坏,护滩带边缘的防冲措施主要有2大类[35-36]:一类是在护滩边缘采取预埋处理,二类是在护滩边缘设置预留变形区,并设置相应的防冲促淤工程措施,防冲促淤结构包括刚性防冲促淤结构,如块石、四面六边透水框架群、钻孔灌注桩防护墙以及柔性防冲促淤结构,如水生植被、仿生植物结构等。
目前弯曲河道生态型护岸工程包括植被护坡、植被加筋以及网笼或笼石结构的生态护岸。已有研究[41]发现在水流冲刷和浸泡下,部分生态工程耐久性不强,生态效果不佳。而大量的工程实践也表明,抛石护岸工程能较好地适应河床变形,适用范围广。任何情况下崩岸都能够用块石守护而达到稳定岸线的目的,尤其是在崩岸发展过程或抢险中,并且具有就地取材,施工和维护简单,可分期施工、逐年加固,造价低等优点。荆江河段通常将柴枕护岸用于迎流顶冲、崩岸强度大、河床抗冲能力弱的地段。弯曲河道不同区段洪、中、枯期水动力条件、水位差异较大,岸坡缓陡情况不同,因此生态护岸结构形式应同时满足护岸的稳定性和生态性要求,对于迎流顶冲、主流贴岸等部位的控制应采用抛石等约束型强的护岸材料为主要结构形式,生态护岸的抗冲性及适应河床变形等性能有待进一步研究。
综上所述,边界条件在弯曲河型形成和维持方面起关键作用,稳定河床边界条件是弯曲河道河势控制的关键,要从顺应河势演变规律和发展趋势出发,提出相关治理技术和治理措施。20世纪50年代以来,长江水利委员会等单位对长江中下游弯曲河道演变规律、河道形成条件、弯曲河势控制原则和工程实践效果等进行了深入研究,形成了弯曲河道河势控制的基本理论与技术[42]:一是考虑防洪、航运、农业和生态等多方面的需求,在稳定有利河势的基础上保证有足够断面渲泄洪水,同时考虑航道部门的要求,保证足够航宽和弯曲半径。二是对弯道已发生撇弯切滩和自然裁弯现象但曲率适当的平顺弯道,采取护岸工程措施稳定凹岸。采取削咀工程和凹岸护岸工程调整弯道曲率较大、可能发生撇弯切滩的弯道,使其曲率适中,也可有计划地待其发生自然撇弯后再实施护岸工程控制河势。三峡水库蓄水后,维持现有河势稳定仍是长江中下游河道治理的首要任务[43]。随着不同水文年的来水来沙条件变化,过渡段主流的摆动、洲滩的消长等,局部河势调整仍较为剧烈,部分已实施河(航)道整治工程因与河流局部调整不相适应而水毁严重,严重影响河势稳定,威胁防洪安全、水资源利用、岸线利用、航运安全及水生态环境等。三峡水库蓄水后急弯河段弯道段防洪问题为弯道顶冲点大幅度下移以及已守护凹岸侧水下坡脚冲刷,而连续弯道间的顺直过渡段,由于主流贴岸岸线崩塌,应重点防止发生自然裁弯后对上下游河势带来不利影响。因此,河势控制及航道整治应该以弯道关键部分的防冲为主。
3 展望
随着长江上游水利枢纽陆续投运、沿江人类活动等因素叠加影响,长江中下游弯曲河型演变复杂性增大,新形势下保证河流功能稳定的多目标协同治理难度增加,亟需针对三峡工程兴建对河床河岸冲淤变化等影响作深入研究,防止不利变化,因此,未来应重点关注下几个方面:
(1)进一步开展弯曲河型中长期演化趋向及多目标整治需求研究。随着长江经济带高质量发展的推进,河道治理已经从相对单一的防洪、通航等目标治理逐步向岸线利用、生态环境等多目标综合治理转变,如裁弯后故道河湖水系连通修复方案。长江中下游河道未来将经历长历时、长距离持续冲刷,应加强中长期演化趋向的研究,根据其对河流功能的影响,确定不同弯曲河道的多目标整治需求。
(2)加强近岸河床在长期冲刷下的崩岸风险与河道监测预警研究。随着已实施的河道/航道工程,弯曲度较小弯曲河型的外界条件得到较好控制,河势较为稳定,近期下荆江熊家洲-城陵矶河段以及簰洲湾河段实施裁弯难度大,应重点关注急弯河段上游过渡段主流贴岸对进口段弯曲半径、弯顶段顶冲点变化及出口段主流贴岸冲刷的影响。由于近岸河床在长期冲刷作用下滩槽高差加大,弯曲河道险工段崩岸风险增大,在采取守护措施的同时需加强监测,提前预警。如对已开展观测与巡查的荆江重点险工段,现有监测手段和内容还不够全面,需进一步研发监测设备和信息化平台,提高智能化水平。
(3)加强弯曲河道综合治理技术研发及整治新材料应用。针对长江中下游弯曲河道面临的防洪和通航双重问题,应进一步加强“整疏结合”整治技术的应用,在提高航道通航尺度的同时,降低对河道行洪影响。生态护岸在弯道顶冲及主流贴岸的适用性有待提高,应根据水动力轴线摆及水位变化分析其抗冲性及适应河床变形等相关技术指标,进一步研发弯曲河道生态友好型守护工程,并结合抛石等强约束型材料实施分段、分区防护,以适应河道冲淤变化,达到稳定性和生态性统一。