River-Lake Protection And Regulation

Analysis of Bank Collapse at “Tianzi-1” Revetment Section in Hunan Segment of Lower Jingjiang River in 2023

  • CHEN Yi-min , 1 ,
  • LIN Dang 1 ,
  • YANG Tian-tian 1 ,
  • ZHENG Bao 1 ,
  • ZHANG Guo-hua 1 ,
  • LI Ling-yun 2 ,
  • GUO Chao , 2
Expand
  • 1 Yueyang Dongting Lake Water Conservancy Affairs Center, Yueyang 414000, China
  • 2 Key Laboratory of River and Lake Regulation and Flood Control in the Middle and Lower Reaches of Yangtze River of Ministry of Water Resources, Changjiang River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China

Received date: 2024-04-02

  Revised date: 2024-04-27

  Online published: 2024-12-26

Abstract

[Objectives] Since the operation of the Three Gorges Project and the cascade reservoirs in the upper reaches of the Yangtze River, the new water and sediment regime has caused large-scale and high-intensity continuous erosion in the Jingjiang River section of the middle Yangtze River, resulting in recurrent bank collapse incidents at some revetment sections. To investigate the causes of recent bank collapses at revetment sections and better respond to such dangerous situations, this study examines the sudden bank collapse and its emergency treatment at the “Tianzi-1” revetment section in the lower Jingjiang River in 2023. [Methods] Measured water and sediment data at Jianli station since 1990, annual erosion and deposition data of the lower Jingjiang River since 2003, and measured data on channel topographic changes and geological drilling before and after the bank collapse at the “Tianzi-1” section were used to analyze the causes. [Results] In November 2023, continuous cave-in-type bank collapses occurred at the “Tianzi-1” revetment section in the Hunan segment of the lower Jingjiang River, with collapse lengths of approximately 100 m and 35 m, respectively. The results showed that the bank collapse primarily resulted from continuous riverbed erosion under the clear-water discharge condition, significant changes in local river regime causing deep channel and thalweg migration toward banks, poor geological conditions of the riverbank slope, and the influence of prolonged low-to-medium water levels. Based on the characteristics of the dangerous situation, an underwater stone dumping method was adopted for emergency treatment of the collapsed section and the affected upper and lower reaches. [Conclusions] This recurrent bank collapse at the revetment section highlights that the lower Jingjiang River will continue to face severe threats of bank collapse for the foreseeable future. Without timely reinforcement measures, large-scale damage can occur to existing bank protection structures, seriously threatening flood control safety. Therefore, this study proposes medium-to-long-term governance measures, including establishing institutional frameworks as soon as possible, securing construction funding, strengthening dynamic monitoring of slope toe variations at dangerous sections, enhancing the development of bank failure control technologies, and improving the monitoring, early warning, and emergency response mechanisms for bank collapse.

Cite this article

CHEN Yi-min , LIN Dang , YANG Tian-tian , ZHENG Bao , ZHANG Guo-hua , LI Ling-yun , GUO Chao . Analysis of Bank Collapse at “Tianzi-1” Revetment Section in Hunan Segment of Lower Jingjiang River in 2023[J]. Journal of Changjiang River Scientific Research Institute, 2025 , 42(6) : 8 -13 . DOI: 10.11988/ckyyb.20240324

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0 引言

崩岸是长江中下游河道自然演变的常见形式,严重威胁防洪安全、航道畅通及沿江经济基础设施正常运行和水沙资源高效利用甚至人民生命财产安全。三峡工程及长江上游水库群建库运行后,长江中下游的径流过程发生调整,输沙量大幅降低,引起中下游河道持续冲刷、河势调整、崩岸加剧,近20 a共发生崩岸险情1 000多处,累计崩岸长度达760 km,其中下荆江河段是崩岸强度最大的河段[1-3]
学者已针对下荆江崩岸进行了较多研究,并提出相应的治理措施,但由于影响因素众多,崩岸机理复杂,隐蔽性、突发性和随机性强,预警及治理难度大[4-5],因此,下荆江河段的崩岸险情,特别是近年来时有发生的护岸段崩岸,是长江中游防洪安全的薄弱环节,仍有待进一步研究[6]。本文以下荆江湖南段典型险工段“天字一号”护岸段2023年11月发生的崩岸险情应急治理为例,分析了主要崩岸原因,并提出了崩岸治理方案,进一步讨论了后续崩岸治理的相关问题和对策,对长江中下游崩岸防治具有重要借鉴意义。

1 “天字一号”段崩岸险情

“天字一号”段位于长江右岸岳阳市华容县东山镇境内,上起友谊闸,下迄洪水港,长约11 km,是下荆江湖南段的典型崩岸险工段,历年来崩岸险情频发。2006年3月,该河段发生1 980 m长严重崩岸险情,一个月时间岸线最大崩退51 m;2016年7月,该河段发生400 m长崩岸险情。2016年该河段实施了新护加固,有效治理了此段岸线。
2023年11月8日,“天字一号”段突发重大窝崩险情(对应桩号K27+750—K27+850,后称“1#窝崩”,图1(a)),崩长约100 m,崩宽约37 m,崩塌体积约2万m3,水面以上形成近10 m高的陡坎,岸坡及坡脚已全部崩陷(图1(b))。数日后,在1#窝崩的上游约125 m处,再次发生了约35 m长的崩岸险情(对应桩号K27+520—K27+555,后称“2#窝崩”),岸坡中部排水沟以下护坡护脚及水下护坡全部崩陷(图1(c))。经现场察勘,“天字一号”K27+100—K28+000段之间的六方块混凝土护坡面存在10处3~20 m2不等的局部沉陷,总面积约300 m2,尤其在护岸浆砌石排水沟两侧均存在不同程度的坡面沉陷现象,存在持续崩岸的隐患。
图1 2023年11月8日“天字一号”段崩岸位置示意图及崩岸照片和影像

Fig.1 Location and photos of bank collapse of “Tianzi-1” on November 8, 2023

2 崩岸原因分析

2.1 新水沙情势下河床持续冲刷

从“天字一号”段上游约20 km处监利水文站年径流量和输沙量的变化过程来看,年径流量总体较为稳定,年际间呈波动变化,三峡水库蓄水前的1990—2002年、三峡水库蓄水后的2003—2012年、金沙江下游溪洛渡和向家坝水库联合运用后的2013—2022年3个时段年均径流量依次为3 834亿、3 631亿、3 929亿m3,无明显趋势性变化。但是,年输沙量呈持续下降趋势,上述3个时段年均输沙量依次为32 262万、8 359万、4 654万t,2013年以来年均输沙量相比1990—2002年多年平均值下降约86%(图2)。
图2 监利站1990—2022年径流量和输沙量变化

Fig.2 Temporal variations of annual runoff and sediment load at Jianli station (1990-2022)

由于输沙量的大幅减小,2003年以来下荆江河段呈持续冲刷态势(图3)。2003—2021年下荆江河段平滩河槽冲刷量达5.28亿m3,年均冲刷量为0.28亿m3,平均冲刷深度为2.23 m。分时段来看,2002年10月至2006年10月,下荆江河段冲刷最为剧烈,平滩河槽冲刷量为2.11亿m3,占蓄水以来平滩河槽总冲刷量的40%,年均冲刷量达0.53亿m3;2006年10月至2008年10月,下荆江河段呈略微淤积态势,淤积量为678万m3;三峡水库进入175 m试验性蓄水以来,下荆江河段河床冲刷又有所加剧,2008年10月至2021年10月平滩河槽冲刷量为3.23亿m3,年均冲刷量为0.25亿m3,这一阶段年均冲刷深度0.11 m。从局部河段冲刷情况来看,2018年11月至2023年11月期间,本次突发险情的“天字一号”K27+100—K28+000段内,河床平均冲深6.1 m,整体冲深呈上游往下游逐渐增大的趋势,其中1#窝崩险工段冲深4.7~7.5 m,2#窝崩险工段冲深5.3~6.2 m[7]。随着河床持续冲刷,滩槽高差及岸坡增大,导致岸坡稳定性下降,是引起这一河段崩岸频发的重要原因。
图3 2003—2021年下荆江河段年冲淤量及累积冲淤量变化

注:负值表示冲刷。

Fig.3 Variations in annual and cumulative erosion and deposition in lower Jingjiang River (2003-2021)

2.2 局部河势显著调整变化

下荆江河段属蜿蜒型河道,天然情况下其演变特点是凹岸不断崩退,凸岸不断淤长,当河弯发展到某种程度时,则在一定的水力、泥沙和河床边界条件下发生自然裁弯、切滩和撇弯[8]。受河道两岸实施的堤防及河势控制工程制约,下荆江河段逐渐由自然蜿蜒型河道转变为限制性蜿蜒型河道,凹岸崩塌受到一定限制。三峡工程蓄水运用以来,受清水下泄影响,下荆江蜿蜒型河道表现为凸岸边滩冲刷后退,凹岸淤积,主流在弯道进口至弯顶段明显向凸岸方向偏移,部分弯道已发生明显的“撇弯切滩”现象[9-11]。“天字一号”崩岸段为上下2个弯道间较短的顺直过渡段,为主流自上游左岸过渡到右岸的水流顶冲段,河宽较小,在一定程度上被视为下荆江“卡口”段之一,容易发生崩岸。从2023年11月“天字一号”崩岸局部河段深泓平面变化(图4)可以看出,自2016年起,“天字一号”K27+080—K27+920段深泓线呈大幅度“右摆”趋势,尤其是2021—2023年期间摆幅相对更大。并且,此次发生窝崩险情的区段深泓浅摆幅相对最大,年均“右摆”幅度达到49 m。
图4 “天字一号”崩岸段深泓平面变化

Fig.4 Plane variation of thalweg at “Tianzi-1” bank collapse section

从2018年以来“天字一号”段10 m等高线距右岸护岸轴线距离变化(表1)可以发现,该段10 m等高线2018—2023年年均右移约为32.0 m,其中2018—2021年年均右移约为39.0 m,2021年以后变化有所减弱,年均右移约为21.5 m。此次发生崩岸的1#窝崩段2018—2023年10 m等高线年均右移约31.4 m;2#窝崩段10 m等高线年均右移约39.8 m。因此,该河段等高线持续冲刷下延并右靠,深槽呈现明显的向发生崩岸的右岸发展,局部深槽整体呈上游往下游逐渐变大的趋势。
表1 “天字一号”崩岸局部河段10 m等高线变化统计

Table 1 Statistics of variations in 10 m contour line at “Tianzi-1” bank collapse section

序号 桩号 10 m等高线与右岸
护岸轴线距离/m
10 m等高线
演变*/m
备注
2018
2021
2023
2018—
2021年
2021—
2023年
1 K27+000 105.0 74.0 67.2 31.0 6.8
2 K27+160 148.0 66.0 54.8 82.0 11.2
3 K27+320 174.0 82.0 56.4 92.0 25.6
4 K27+400 247.0 96.0 58.9 151.0 37.1
5 K27+520 250.0 109.0 65.7 141.0 43.3 2#窝崩段
6 K27+560 275.0 103.0 61.2 172.0 41.8 2#窝崩段
7 K27+640 215.0 95.0 59.6 120.0 35.4
8 K27+720 205.0 103.3 53.7 101.7 49.6 1#窝崩段
9 K27+780 225.0 139.3 62.0 85.7 77.3 1#窝崩段
10 K27+840 235.0 155.0 69.3 80.0 85.7
11 K28+000 364.0 135.0 76.9 229.0 58.1

注:*正值表示右移,负值表示左移。

对“天字一号”典型断面(桩号K27+670,未崩)多年地形套绘分析可知(图5),该河段岸坡坡脚近年来发生持续冲刷,深泓浅贴岸且逐年右移,可见该段水下坡脚冲刷严重,近岸水下岸坡明显变陡,显著增大崩岸风险。从崩岸现场情况(见图1(b))也可看出,六方块护坡并未发生明显损坏,但是护脚的抛石在持续水流作用下被大量带走,窝崩处坡脚冲刷显著,逐渐“掏空”护坡基础,进而引起护坡的整体坍塌。
图5 “天字一号”崩岸段典型断面(K27+670)变化

Fig.5 Variations in typical cross-section (K27+670) at “Tianzi-1” bank collapse section

2.3 河段岸坡地质条件较差

“天字一号”河段河岸大部分为现代河流沉积物组成的二元结构,上部为河漫滩相的黏土层,主要为粉质黏土和壤土,厚4~9 m;下部沙层顶板高程较高,以中细沙为主[12-13]图6为此次崩岸段附近河岸组成钻孔结果(钻孔位置见图4),可以看到粉质壤土和砂壤土厚度分别约为3.40 m和3.10 m,其下为厚达25.10 m的粉细砂,且粉细砂顶部高程位于枯水位以上。由于中细沙抗冲能力较弱,汛期随着流量增大,水动力增强,河岸下部中细沙容易被冲刷侵蚀。随着冲刷持续,上部覆盖着的黏性土层将出现悬空的土块,进而发生崩塌[14-15]
图6 “天字一号”崩岸段附近河岸组成

Fig.6 Riverbank composition near “Tianzi-1” bank collapse section

2.4 中枯水位持续时间长

近年来,长江中游中枯水位维持时间有所加长,尤其是2022年主汛期之后。从监利水文站月均流量及水位变化(图7)可知,2020年8月以来水位一直处于中枯水位,2023年汛期最高水位仅为29.4 m,显著低于过去5 a汛期最高水位。2020年8月的“汛枯急转”引起河段冲刷加剧,其后持续的中低水位导致洲滩地下水位高于长江水位,地下水向长江渗透排泄,渗透压力也加剧了边坡失稳[10,16 -17]
图7 监利站2018—2023年月均流量及水位变化

Fig.7 Variations in monthly average discharge and water level at Jianli station (2018-2023)

3 崩岸治理措施及建议

3.1 应急处险治理

基于此次“天字一号”段崩岸险情规模,考虑新水沙情势下该河段河床持续下切及深泓右移的特征及趋势,按照保障两岸堤防及护岸工程安全、稳定下荆江湖南段现有河势的总体目标,确定此次应急处险工程规模为K27+100—K28+000,总长900 m。此次将应急处险工程分“窝崩险工段应急抢险”(已发生崩窝险情)和“窝崩影响段应急治理”(未发生崩窝险情)两段。

3.1.1 窝崩险工段应急抢险

根据险情现状尤其是水下岸坡失稳破坏情况,考虑窝崩段水下护岸应急抢险的必要性,拟定窝崩险工段应急抢险桩号为K27+490—K27+840,总长350 m。其中,水上部分岸坡重建桩号为K27+650—K27+820(1#窝崩)、K27+500—K27+570(2#窝崩),长分别为170、70 m;水下抛石护坡桩号为K27+490—K27+840,长350 m。

3.1.2 窝崩影响段应急治理

根据局部河道演变特征,并考虑水下坡脚的平顺衔接,确定本次窝崩影响段应急治理总长为550 m。其中,上游应急治理段为K27+100—K27+490,长390 m;下游应急治理段为K27+840—K28+000,长160 m。窝崩影响段应急治理施工均为水下抛石护坡。
对该河段(K27+100—K28+000)范围内已出险的2处窝崩以及存在水下坡脚失稳重大隐患的区段及时实施护坡护脚工程,有效保障了下荆江湖南段岸线的稳定、堤防工程的安全以及区域防洪安全。

3.2 中长期治理建议

受三峡水库等控制性水库建设运行的影响,长江上游来沙减少,荆江河段干流河道发生长时期、长河段、大幅度的冲刷调整,且近岸河床迎流顶冲段冲深幅度明显大于河段平均冲深幅度、岸坡普遍变陡,加之下荆江河段河岸松散覆盖层较厚,河岸稳定性甚至现有护岸工程稳定性存在较大隐患[1,6,11]。此外,随着水沙情势的改变,部分弯道段、长顺直段、过渡段深泓浅摆动以及主流顶冲部位发生变化,进一步加重长江中下游河道整治的难度。
因此,新水沙情势及河道演变特征下荆江河道崩岸治理依然任重道远,有效落实河道长效整治工程、加快维护未护岸段并对已护岸段及时进行除险加固处理,是巩固工程效果、控制河势、保障防洪安全的迫切需要。基于此次“天字一号”已护段的崩岸特征,特别需要重视和加强对坡脚的防护,有必要对迎流顶冲或深泓深槽明显贴岸的河段增加常规水下地形监测,动态掌握河势变化;同时,需要研发适应水下强冲刷的护脚新技术,提升防护效果。此外,为加强崩岸从“事后处置”向“事前预防”转变,需要完善崩岸监测预警、应急抢护机制和系统治理[5,18-19],从而可及时发现和尽早系统性预防与整治险情,有效防止险情进一步扩大及避免较大河势变化。然而,当前河势观测信息化技术还很落后,崩岸监测主要靠人工巡查和沿江布设岸线视频监控点,崩岸预警主要依靠人工巡查,容易受到天气条件、经费等因素约束。此外,由于缺少稳定的应急抢护资金及科学的技术指导,崩岸系统治理方法与措施的研发也难以实现。未来需要建立体制机制,保障相关建设资金,持续优化崩岸监测预警方法,揭示新水沙情势下崩岸主控因子,进而系统解决崩岸治理难题,以确保长江岸线稳定和两岸地区的长治久安。

4 结论

长江中下游干流河道崩岸频发,对河势稳定、防洪安全、河岸带生态环境健康等造成不利影响。2023年11月,下荆江湖南段“天字一号”已护岸段发生连续窝崩险情,崩长分别约100 m和35 m。通过分析可知,崩岸原因主要包括“清水下泄”情势下河床持续冲深、局部河势显著调整变化引起深泓深槽贴岸、河段岸坡地质条件较差以及持续中低水位影响等。此次已护段的连续崩岸险情,警示了下荆江河道在当前和今后较长时期仍将面临严峻的崩岸威胁,若不及早加强整治,将可能导致大范围的已护岸工程破坏,从而严重威胁防洪安全。因此,为适应新水沙情势下长江荆江段河道保护治理要求,需要尽快建立体制机制,保障相关建设资金,加快维护未护岸段,并对已护岸段及时进行除险加固处理,应重视和加强对险工段坡脚变化的动态监测和整治技术研发,完善崩岸监测预警及应急抢护机制,推进崩岸系统治理。
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Outlines

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