石 林，彭 浩，秦 成，唐 海，曹運江，姜威振，耿世明

（1. 湖南省水利水電科學(xué)研究院，湖南 長沙 410007；2. 湖南科技大學(xué)資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201）

引 言

崩岸是指河湖沿岸土體或巖體受水流沖刷，在重力作用下穩(wěn)定型降低，從而發(fā)生滑坡、崩塌和崩落的一種常見的地質(zhì)現(xiàn)象[1]。幾乎在全世界河流中都會發(fā)生不同程度的崩岸，如美國的密西西比河、日本關(guān)東地區(qū)的鬼怒川沿岸等地都曾發(fā)生過嚴(yán)重的崩岸。與我國相比，西方發(fā)達國家對崩岸研究相對較早，20 世紀(jì)70 年末，F(xiàn)rydman 等[2]對河岸進行研究，并分析河岸失穩(wěn)與坡體位移與應(yīng)變的關(guān)系；到了80 年代，英國學(xué)者millar[3]也進行了坡體內(nèi)摩擦角與顆粒粒徑對河岸穩(wěn)定性的研究；美國學(xué)者[4]以密西西比河崩岸問題為研究背景，開展了影響坡體穩(wěn)定性因素的理論與試驗研究；90 年代至今，更多國外學(xué)者[5～7]對河流崩岸機理展開全面系統(tǒng)研究。

隨著經(jīng)濟提升與科研學(xué)者的努力，近年來我國在崩岸機理研究上取得了較大的成就。夏軍強等[8]討論了岸灘侵蝕機理及其主要影響因素，并建立了岸灘侵蝕速率的經(jīng)驗關(guān)系式；尹國康[9]通過理論分析，采用土坡失穩(wěn)計算理論，對河岸變形規(guī)律進行研究；冷魁[10]分析了長江下游窩崩的特點及形成過程，并提出對應(yīng)的防治建議；張幸農(nóng)等[11～13]對崩岸展開研究，對崩岸類型進行系統(tǒng)分類，并在崩岸形成過程、影響因素等研究區(qū)域取得巨大成果。我國是河流崩岸災(zāi)害較為嚴(yán)重的國家，崩岸極大威脅了國家經(jīng)濟發(fā)展建設(shè)與沿岸居民的生命財產(chǎn)安全。為有效應(yīng)對及防范河流崩岸，本文對國內(nèi)崩岸研究成就進行歸納總結(jié)，并列舉出崩岸防治措施及其特點，指出了目前對崩岸研究的不足，并提出了未來進一步研究的發(fā)展趨勢。

1 河流崩岸研究方法

1.1 河流崩岸室外研究方法

河流崩岸具有分布性廣、破壞性強以及具有突發(fā)性的特點，同時還受地震、天氣以及人為因素的影響，因此災(zāi)害的發(fā)生不以人的意志而轉(zhuǎn)移。為進一步研究河流崩岸形成機理，許多專家學(xué)者通過對河流實地調(diào)研，獲得了較客觀實際的科研資料，并對崩岸現(xiàn)象進行了深入研究，概況起來有以下幾種方法：

1）人工崩岸巡視法。人工巡視崩岸是使用最廣泛的戶外方法，科研技術(shù)人員通過水陸交通工具對河流沖刷破壞河岸進行巡視調(diào)查。若發(fā)現(xiàn)堤岸產(chǎn)生裂隙、滑動、松動破壞現(xiàn)象，對該堤岸破壞形態(tài)進行測量、拍照記錄，并分析崩岸破壞程度并采取相應(yīng)措施防范治理，持續(xù)關(guān)注其后續(xù)進展，避免進一步造成人員財產(chǎn)損失[14～15]。

2）無人機航空機測法。隨著無人機與攝影技術(shù)的不斷進步，無人機在崩岸調(diào)查中扮演者不可缺少的角色。航空無人機承載高清度數(shù)碼相機，可以更大范圍地進行災(zāi)害巡視，彌補了人工巡視法的不足，同時還可以快速獲得河岸地貌監(jiān)測數(shù)據(jù)，具有效率高、精度高、成本低等優(yōu)勢[16～17]。

3）河岸邊界結(jié)構(gòu)監(jiān)測?？蒲腥藛T采用鉆孔法對河岸不同位置進行多次鉆孔取樣，分析河岸土體顆粒級配、土壤成分、孔隙度以及含水量等因素變化。還可通過儀器設(shè)備對土體表層應(yīng)力進行測量，以此來分析河岸淺層地質(zhì)構(gòu)造及表層應(yīng)力變化，并為崩岸進一步研究提供數(shù)據(jù)。對采用一些支護的河岸，可利用聲吶儀和淺地層剖面儀進行探測，分析支護后岸坡變形情況[18～19]。

4）多模態(tài)傳感器方法。采用多種測量和監(jiān)測儀器對崩岸地形、坡度、沉積物組成、水動力、淺層沉積結(jié)構(gòu)等要素的監(jiān)測和穩(wěn)定性預(yù)測。多波束測深儀、三維激光掃描儀、淺地層剖面儀等多模態(tài)傳感器系統(tǒng)已被應(yīng)用沉積地貌和水動力特征進行研究，通過區(qū)域三維地形地貌構(gòu)建，結(jié)合河岸水文環(huán)境，可對區(qū)域崩岸進行發(fā)展趨勢估評[20]。

1.2 河流崩岸常規(guī)試驗法

室內(nèi)常規(guī)試驗在河流崩岸的研究中最為常用，試驗人員可選取良好的試驗環(huán)境，可控制崩岸的試驗變量，消除無關(guān)因素的影響，且與室外試驗相比更加安全。

宗全利等[21]通過對崩岸土體進行現(xiàn)場取樣，結(jié)合室內(nèi)土工試驗，綜合分析得出崩岸土體的顆粒組成及力學(xué)性質(zhì)，提出了在不同時期上荊江河岸穩(wěn)定安全系數(shù)計算公式。岳紅艷等[22]通過室內(nèi)概化模型試驗，研究二元河岸崩塌機理，并得出了河岸發(fā)生崩岸的原因。余智囊等[23]以淮北大堤治理為背景，通過現(xiàn)場模擬實驗與摩擦特性室內(nèi)實驗，確定了軟體排布與大堤土體之間的摩擦系數(shù)。

河流按水位的變化可分為枯水期、高水期和退水期，隨水位變化河岸土體會處于干濕交替變化狀態(tài)，這一狀態(tài)也是崩岸發(fā)生的高峰時期。王軍等[24]通過室內(nèi)土工試驗、河岸土體取樣以及數(shù)值模擬等方法，對土體干濕交替變化下河岸穩(wěn)定性影響進行研究。結(jié)果表明：河岸土體在干濕交替狀態(tài)下穩(wěn)定性主要受粘聚力影響，土體粘聚力越大，河岸穩(wěn)定性安全系數(shù)越高。

河岸崩岸形成過程受眾多因素影響，較為復(fù)雜。王路軍[25]在收集分析長江中下游崩岸研究資料的基礎(chǔ)上，通過室內(nèi)概化模型試驗，對不同的崩岸影響因素進行研究，最終模擬出崩岸形成過程并提出其預(yù)防處理措施。張幸農(nóng)等[26]以崩岸河流原沙為實驗材料，建立大型室內(nèi)概化坡體模型，研究了崩岸破壞范圍及破壞程度。黨詳[27]通過建立概化模型水槽試驗，對二元結(jié)構(gòu)河岸崩塌機理進行初步研究。王延貴等[28]通過模型試驗對沖積河流岸灘崩塌進行研究，模擬出河岸崩塌的過程，并推導(dǎo)出一系列河岸穩(wěn)定性公式。

流滑型崩岸具有破壞強度大，形成速度快等特點，假冬冬等[29]通過土工離心模擬試驗和水槽試驗，對該類型崩岸進行研究，并初步測定流滑型崩岸側(cè)蝕模式下的側(cè)蝕系數(shù)，為今后該模式的研究提供參考依據(jù)。

上述學(xué)者研究岸坡崩塌試驗手段表明了崩岸研究多以室內(nèi)概化模型試驗為基礎(chǔ)，通過控制土層厚度比例、土層參數(shù)、坡腳角度以及流速等影響參數(shù)研究河岸崩岸機理，這也是目前考慮較全面的試驗方案。

1.3 河流崩岸數(shù)值模擬法

數(shù)值模擬與常規(guī)試驗都是科學(xué)研究的重要方式，與常規(guī)試驗相比，數(shù)值模擬能突破地形條件的限制且具有成本低、較直觀、運算快等優(yōu)點。在很多情況下無法進行科學(xué)實驗，但能通過數(shù)值模擬還原崩岸現(xiàn)場情況，使研究人員對崩岸的發(fā)生有了更直觀的認(rèn)識。

楊涵苑等[30]以若爾蓋盆地黑河崩岸為背景，通過野外勘察、理論模型試驗以及數(shù)值模擬等多種研究方法，分析該河流拐角處斷面的崩岸過程，采用BSTEM模擬其斷面崩岸后的形態(tài)，與實地勘察結(jié)果大致吻合。秦亞斌[31]在運用數(shù)值模擬研究水位下降對岸坡穩(wěn)定性問題時，同時考慮了流固耦合理論與強度折減法，較真實地反映了水位與河岸穩(wěn)定的關(guān)系。

崩岸按其形態(tài)可分為條崩、洗崩和窩崩，其中窩崩破壞程度大且數(shù)值模擬難度較大。假冬冬等[32]針對長江中下游窩崩問題，分析其機理及力學(xué)形式，建立三維窩崩數(shù)值模擬進行研究分析，最終模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果大體一致。

河流崩岸的發(fā)生受多種因素的影響，為探究河流水位變化速率對崩岸的影響。周瑞麗等[33]以長江河岸為研究對象，采用數(shù)值模擬的方法針對河岸條崩現(xiàn)象進行了分析，研究結(jié)果表明，僅在水流沖刷下，坡腳首先會產(chǎn)生破壞，但河岸還需一定時間才會發(fā)生崩岸現(xiàn)象。肖毅等[34]在前人的二維水沙模型的基礎(chǔ)上，考慮了植被影響因素，改進后的模擬更好地反應(yīng)了河流的演變過程，為今后的多因素模擬增加了參考依據(jù)。

以上數(shù)值模擬試驗都較好地還原了真實條件，而且試驗后的成果與預(yù)測的結(jié)果大體一致，雖然考慮的因素不夠全面，但為后續(xù)河流崩岸的邊界條件研究打好了基礎(chǔ)。河流崩岸數(shù)值模擬應(yīng)盡可能確定崩岸的邊界條件，并界定每個因素的影響條件，從而為預(yù)測崩岸與河流崩岸的防治確定方向。

2 河流崩岸防治措施

保持河流沿岸的穩(wěn)定是防治河流崩岸的關(guān)鍵要點，目前河流崩岸治理，歸納起來大致有以下8 種[35～45]，見表1。崩岸防治需特別注意以下幾點[46]：

1）保證河岸形態(tài)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。陡峭的河岸如果長期受到不均勻的水流沖擊，會加大河岸崩岸發(fā)生的概率。崩岸發(fā)生后河岸在短時間內(nèi)形成的臨界狀態(tài)的穩(wěn)定性差，也極易在水流沖擊作用下再次發(fā)生崩岸。

2）保證坡岸加護材料的牢固性與穩(wěn)定性。在進行坡岸加護時，可以采用質(zhì)量較大的材料以防被水流沖走。

3）保證岸坡及河底土壤的穩(wěn)定性。在岸坡加護的同時，需要加強岸坡及河底等根基位置土壤本身的穩(wěn)定性。

4）加強重點區(qū)域的河岸觀測。持續(xù)性的河流崩岸觀測可在一定程度上發(fā)現(xiàn)相關(guān)跡象，為崩岸發(fā)生提出警告與防治。

3 存在問題及發(fā)展趨勢

3.1 存在問題

在我國崩岸研究中，多數(shù)專家與學(xué)者通過室外科研調(diào)查、室內(nèi)實驗與數(shù)值模擬對河流崩岸進行了分析，同時取得了較好的科研成果，但也還存在一些問題，需要進一步研究和探討。在理論研究方面，河流崩岸試驗需綜合運用多學(xué)科進行研究探討，但目前在理論試驗研究中學(xué)科交流不夠全面，理論研究不夠透徹。在崩岸室外試驗方面，試驗研究技術(shù)較為缺乏，試驗手段相對單一，且受試驗資源限制，試驗?zāi)Ｐ蛡€數(shù)不足，試驗效果不夠顯著。崩岸調(diào)查多在河流局部范圍進行，很難做到河岸全方位調(diào)查，不能掌握整條河流的具體情況。在試驗結(jié)果的適用性上，多數(shù)崩岸試驗以某一區(qū)域河流研究為背景，所得試驗結(jié)果在其他區(qū)域無法很好適用，缺乏總體性研究；一些數(shù)值模擬采用了二維模型計算，計算結(jié)果與三維模型會有一些偏差，且模擬參數(shù)設(shè)置因人而異，很難成為科學(xué)依據(jù)，只能起輔助作用。在崩岸治理技術(shù)的使用上，一些崩岸治理手段因造價成本高，應(yīng)用推廣難度大；部分治理手段對周圍生態(tài)具有潛在的破壞性，使用范圍及后果有待明確。

表1 河流崩岸治理方法

3.2 發(fā)展趨勢

在崩岸研究的進一步工作中，應(yīng)增加學(xué)科間的相容性，增強試驗的多樣性、創(chuàng)新性。從崩岸的本質(zhì)出發(fā)，以水位的變化、外部的荷載、邊坡的防護等多個因素對河流崩岸進行深入研究，同時總結(jié)以往的工程經(jīng)驗，提高河流崩岸的防治水平。

在崩岸治理方面，應(yīng)根據(jù)不同的河岸情況，采取不同的護岸方法，因地制宜。也要鼓勵和提倡新材料、新技術(shù)的應(yīng)用，在保證治理效果的同時，還應(yīng)考慮治理手段對生態(tài)的影響及造價成本等因素。