长江下游河段窝崩是一种大规模的岸滩崩塌破坏，主要表现形式是洪漫滩上土体在短时间内连续性崩塌滑入江中，最终形成长宽可达数百米的巨大“Ω”形或半圆形窝塘，流失土体数十万甚至上百万立方米。不仅造成重大防洪险情，而且破坏河势稳定，属于危害很大的地质灾害。

窝崩属于水、土交互作用下的土坡失稳现象，涉及河势、近岸水流和岸滩土质等多种因素，规律难寻，成因机理十分复杂。深入研究窝崩成因机理，对可靠有效的预警及其治理技术的发展具有良好的支撑作用。同时，针对此类水土结合的岸坡失稳问题进行探索，对促进河流动力学基础理论的发展，也具有重要意义。近几十年来，关于这方面的研究不断涌现，陈引川等^[1-2]分析了江苏和安徽段窝崩成因；冷魁^[3]分析了窝崩形成条件；吴玉华等^[4-5]分析了马湖堤窝崩成因机理；王延贵等^[6]从理论上讨论了窝崩机理；余文畴等^[7-8]依据实测窝塘资料分析了窝崩机理、形成过程及水流结构；张幸农等^[9-12] 针对长江下游窝崩进行了大量理论和试验研究，包括窝崩机理分析、水流结构和地形变化及试验方法等。上述研究取得了不少成果，不仅研究了窝崩影响因素和形成过程，而且对水土相互作用机制也有了初步认识，有的甚至建立了相应的力学模式。然而，由于窝崩涉及到水、土和人类活动等多种因素，形式多样，且灾情发生具有突发性和随机性，实测数据十分匮乏，尤其是窝崩发生过程中水流和地形及土体力学参数的监测极为困难，无法为窝崩成因机理的理论研究提供坚实的验证依据。因此，目前关于窝崩成因机理的认识尚不完全清楚，尤其不清楚窝崩发展过程中大体量土体滑塌和搬运的动力及其临界条件，从而也无法提出窝崩土体失稳的力学模式和量化计算方法，不仅阻碍了窝崩灾情预警预防技术的发展，也使窝崩治理工程技术措施带有盲目性。

本文以和畅洲头窝崩为例，依据实测和模拟试验数据，从水流动力及流态、岸滩土质组成和河床冲淤等多方面出发，分析提出和畅洲头新窝崩属于侧向滑移型窝崩，并借鉴土力学领域的相关研究，揭示此类窝崩成因机理，并提出相应的岸滩土体失稳模式，初步探索土体滑移的量化计算方法。

1.   和畅洲头窝崩特征

和畅洲头窝崩处于长江镇扬河段和畅洲北汊进口右侧，洲滩右缘下方（图1）。此处窝崩由两次大规模岸滩崩塌而成：第一次发生在20世纪80年代初，因受上游顶冲水流连年冲刷，洲头右缘土体不断崩塌，逐渐形成长400 m、进深200 m左右的半圆形窝塘，称为老窝塘（图2）；第二次发生在2012年10月13日，在老窝塘后腰部位突然出现大规模土体崩塌，且发展十分迅速，2 d后在后侧形成1个新窝塘，口门宽度约360 m、伸入岸滩纵深达430 m，共塌失滩地面积约0.213 km²（即320亩），土方量达359万m³（图3）。

图  1  和畅洲窝崩位置示意

Figure  1.  Location of Hechangzhou pit-collapse

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图  2  和畅洲窝崩形态特征

Figure  2.  Morphological characteristics of Hechangzhou pit-collapse

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图  3  新窝塘发生前后河床地形变化

Figure  3.  Riverbed variation before and after the occurrence of new collapse

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地质勘探结果表明，窝崩段岸滩表层1.5~4.0 m为浅黄色重粉质壤土，灰色壤土夹粉砂；中层为青灰色的粉砂，厚30~50 m；下层为中细砂，并有含砾、卵石夹层，或含少量云母，厚度同样在30~50 m，属于典型二元或三元结构土体分布。

1.1   窝塘水流结构特征

依据和畅洲头两次窝崩前后的实测地形，建立1∶100的正态模型，进行窝塘水流结构模拟试验。试验分别针对新老两种窝塘，选择平滩水位对应的流量（长江平均洪峰流量43 500 m³/s），新老窝塘内外布置若干个测点（位置见图3），测量水流垂线平均流速，并采用PIV测量窝塘内表面流场（图4），通过施放示踪剂观测表面和底部流态（图5）。

图  4  窝塘内外流场（PTV测量）

Figure  4.  Flow field in and around old and new collapse ponds

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图  5  窝塘内外水面流态

Figure  5.  Flow regime in and around old and new collapse ponds

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试验结果表明：窝塘内外水流在口门前沿分离，口门外侧水流为河道主流，流速较大（大于1.5 m/s）；口门内窝塘存在两大回流区域，其中老窝塘内形成1个较大回流，流速为0.3~0.5 m/s，新窝塘出现前，回流流速略大，中部流速约为0.5 m/s，边缘流速为0.2~0.3 m/s；新窝塘出现后，其内又出现几个次生回流，范围较大的是紧靠老窝塘的二级次生回流，流速约0.2 m/s，后侧和右侧则是三级甚至四级次生回流，流速基本在0.1 m/s以下；口门交界区流态紊乱，存在多个绕水平向或竖向的回流或涡旋，且流速较大（约1 m/s）；窝塘面流与底流方向不一致，尤其在口门上下端和新、老窝塘交界处。

1.2   窝塘地形及其冲淤变化

依据和畅洲头窝塘附近地形实测资料进行对比分析，新老窝塘中间断面（位置见图3）的历年变化见图6。由图6可见：2008—2012年新窝崩发生前，窝塘内外河床总体上处于淤积状态，尤其是窝塘口门外深槽淤积现象较为明显，2010年11月至2012年2月，近岸−60 m深槽消失，最大淤积处水深减小达15 m，且深槽最深点略向上游移动；老窝塘内冲淤变化不大，仅窝塘右侧在2008年3月至2010年11月期间有所冲刷，深槽范围向下略有扩展，并形成1个−20 m的局部深坑，至2012年2月变化不大。2012年10月新窝崩发生后，老窝塘后方地形骤变，形成−20 m的巨大新窝塘，新窝塘底部外侧高程约−20 m、内侧高程约−10 m，向口门方向呈约1∶40的缓坡；老窝塘内地形变化不大，尤其是右侧局部深坑处变化很小；窝塘外深槽地形变化亦不剧烈，2012年12月与2012年2月相比，仅在近窝塘边缘有所淤积，但至2013年3月，发生了5 m（高程约−40 m）左右的冲刷。

图  6  新老窝塘内外断面变化

Figure  6.  Section variation in and around old and new collapse ponds

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2.   和畅洲头新窝崩成因

2.1   关于以往观点的疑问

对长江下游窝崩成因机理的认识，目前有两种观点或解释，大多数认为由水流冲刷而导致窝崩，主要是深泓贴岸、主流顶冲的岸段，以及存在局部环流或螺旋流形成淘刷的岸段，伴随着水流冲刷，一旦出现局部土体塌落，即会形成持续崩塌，因岸坡土质分布不均匀，往往崩塌向岸滩内侧发展；也有人认为岸坡砂质土壤液化形成窝崩，并证实了长江下游岸滩土质具备液化的可能性，也推测了导致液化的诱导动力因素。但两种观点均存在一些难以诠释窝崩机理的疑点：如窝崩往往出现在枯水期，并非是水流冲刷强劲的洪水期；砂土液化导致窝崩既缺乏理论基础，也没有确切的证据予以支撑，尤其是岸滩土体大面积液化和外界动力源扰动的实例数据。

针对和畅洲头窝崩，上述两种观点更难解释。对于第一种观点，由于和畅洲左汊进口主流正顶冲洲头，且流速在1.5 m/s以上，因而老窝崩的出现尚可解释，当窝塘扩大至半圆形后，内侧回流有所减小，前述试验结果表明，老窝塘内回流边缘流速仅在0.3 m/s左右，远小于河床质颗粒起动流速，根本不可能使岸滩继续受到强烈冲刷，导致新窝崩形成，即使局部乱流淘刷致使产生土体持续崩塌，但窝塘内回流也无法在短时间内搬运如此巨量的土体数百米至窝塘口门。进一步对地形对比分析可知，新窝崩发生前，前沿深槽处于淤积状态，说明岸滩高陡的现象有所减弱，因受到保护趋向稳定。同时，虽然和畅洲头附近岸滩土质组成呈上覆壤土（或黏土）、下卧细沙的二元结构，但从窝塘深度看，细沙层厚度在10~12 m，而老窝塘口门下半部分较为稳定，即使新窝崩发生，该区域也未出现大的变化，新窝塘内崩塌的土体似乎越过了一个坎而滑向口外的深槽。由此，水流冲刷导致新窝崩产生的解释难以成立。对于第二种观点，仍找不到新窝崩发生时土体液化的证据，如砂土层液化现象的直观反映、土体内孔隙压力等力学数据及外界扰动源（地震或机械振动等因素）等。

2.2   侧滑窝崩成因解析

上节分析表明，和畅洲头新窝崩并非水流冲刷导致，也不是大面积土体液化所致，因而其形成必定另有原因。缓坡地面因地震而出现水平大位移，位移距离少则数米，最多可达几十米，这种灾害现象在中国和美国、日本等已有多个实例，土力学领域对此灾害现象进行了不少研究^[13-14]，主要结论是此类现象在河口、海岸地带居多，虽然缓坡坡度很小，但因坡内存在可液化的砂土，当外界存在振动扰动时，砂土层液化成为软弱层，致使液化土层及上覆土层沿坡面产生大幅度的相对滑移。这种砂土层液化导致的土体变形不是部分土层相对另一部分的相对滑动，而是土坡整体的侧向变形，同时伴随着大幅沉降。

显然，和畅洲头新窝崩与缓坡水平大位移有很大的相似之处，只是窝崩所处的长江岸滩土体体量更大，水平滑移距离更远，此类窝崩可称为侧向滑移型窝崩。由此，可采用岩土力学相关知识来解析其成因。从岸滩土体失稳破坏的角度出发，主要相关因子为岸滩土体性质、形态和外界振动源。和畅洲头附近岸滩土体呈现多分层结构，处于中层的青灰色粉砂，不仅厚度大，而且沉积多年较为密实。已有研究^[15-16]表明，中层为此类粉砂的土体具有液化的条件，很有可能其中部分砂土在外界振动源的扰动下产生液化，这种振动并不一定是地震或强烈机械振动，有可能是疏浚挖沙或船舶航行等因素产生的振动，虽振动强度不大，但因波动频率适当，也可成为粉砂液化的诱导因素。另外，当土体滑落江中后，也会引起巨大振动，从而成为诱导粉砂液化的后续振动源。

据此推测，由于和畅洲头新窝崩发生时，附近水域人为挖沙现象较多，相关的机械振动很有可能是诱导岸滩土体中层粉砂液化的外界扰动因素。首先是岸滩表面20 m以下厚度约2~3 m的粉砂层出现液化现象，随之该粉砂层及其上部土体突然产生水平向大幅度侧滑，液化的粉砂层底部即为新窝塘底，从窝塘内向口门外形成1∶40的缓坡。从当时窝崩现象观察记录看，这种土体失稳侧滑分多次连续形成，每次侧滑间隔时间不等，在数分钟至数小时之间，每次侧滑土量均达到数十万立方米，最终致使多达350 万m³的土体滑出窝塘口门之外，滑移距离最远超过400 m，历时仅为2 d。

3.   侧滑窝崩土体失稳模式及估算

3.1   相关方法

关于缓坡水平大位移机理和计算方法，目前研究尚不成熟。根据土力学领域的相关研究^[13-14]，对此类土体侧向大位移的计算，一般通过位移与相关影响因素之间关系，构建经验公式，并依据实测资料进行统计分析。例如，日、美学者利用两国地震调查资料，应用统计回归方法或数理统计方法，得到适用缓坡地带土体大位移的经验公式，主要有以下两种公式。其一是建立位移与液化层厚度及倾角之间的关系，如：

式中：D_H为土体水平方向大位移（m）；H_y为液化层厚度（m）；θ为液化层面的倾角（%）；ε为待定系数，据文献[13]中的相关研究取0.75。

其二是建立位移与砂土特征参数和振动源强度之间的关系，如：

式中：M为地震震级；R为土体距诱导动力源中心的水平距离（m）；S为岸滩地表土层倾角；T₁₅为标贯击数小于15的饱和砂土层的累积厚度（m）；F₁₅为T₁₅中细砂的平均颗粒含量；d₁₅为T₁₅中细砂的平均粒径（mm）；$ {\xi _0} $、$ {\xi _1} $、$ {\xi _2} $、$ {\xi _3} $、$ {\xi _4} $、$ {\xi _5} $、$ {\xi _6} $、$ {\xi _7} $均为待定系数，据文献[13]中的相关研究，各系数分别为：−15.787、1.178、−0.927、0.013、0.429、0.348、4.527和0.922。

上述缓坡水平大位移的计算方法，纯属经验公式，虽无令人信服的力学模式作支撑，数理统计方法和实测资料受多种条件限制也不完善，但仍不失为一种简便的缓坡土体水平位移量值的确定方法，可为相关工程提供参考。

3.2   经验公式建立及实例估算

上述分析表明，和畅洲头新窝崩属于侧滑型窝崩，岸滩土体失稳破坏模式如图7所示。岸滩中层粉砂中存在易液化的砂土层，且外界存在一定的振动扰动因素，条件成熟时使该砂层产生液化，形成土体失稳的滑动面。假设上覆土层分多次产生侧向滑动，由于失稳土体体量巨大，且滑动面具有1∶40缓坡，形成的水平向滑动力也很大，相应的滑动面上阻滑力较小，因而土体滑移距离很大。当土体滑出窝塘口门外进入河道深槽后，则被河道主流迅速分散搬运至下游。

图  7  侧向滑移型窝崩土体失稳破坏模式

Figure  7.  Soil failure mode of large lateral slide

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由此，借鉴土力学领域缓坡水平大位移的计算模式，针对长江下游侧滑型窝崩，同样可依据相关因子分析，建立类似的土体位移计算模式，并依据实测资料进行统计分析。本文以和畅洲头新窝崩为实例，根据窝崩土体破坏特征及其形态特征，初步提出如下土体滑移经验公式：

式中：k、m为待定系数和指数。

假设新窝崩发生后，岸滩土体分成四大部分向口门外滑移（图8），每部分土体又分4~5次产生滑移。由此，根据该窝崩的特征及相应的地形资料，可得到各次滑移土体的距离、底部倾角和土体数量，具体数据见表1。同时假设：随着窝崩的发展，液化的粉砂层厚度逐渐减小，而滑移层与水平向的倾角逐渐加大，从而土体滑移量虽然依次减小，但滑移距离更长。同样，依据表1数据进行统计回归分析，可得到：k =1 780、m=−0.328。

表  1  和畅洲头新窝崩土体分次滑移数据

Table  1.  Data of differential soil slip in the new Hechangzhou collapse

滑移数/次	滑移距离/m	液化层厚度/m	滑移倾角/°	滑移量/m3
1	280	3.0	0.69	94
2	380	2.0	1.09	125
3	450	1.5	1.86	82
4	550	1.0	2.58	43

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图  8  和畅洲头新窝崩土体分次滑移情况（单位：m）

Figure  8.  Differential soil slip of the new Hechangzhou collapse (unit: m)

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应当指出：鉴于对侧滑型窝崩的机理尚无清晰的认识，上述经验公式的合理性与可靠性还有待深入研究，进一步提出更明确的土体失稳力学模式，并深入研讨相关问题，如：论证公式是否适用于土体滑动距离达数百米级的情况，土体失稳次数划分及每次滑移土块重力和阻滑力的确定，以及更多实测资料的补充并对公式的验证等。

4.   结　语

本文针对长江下游镇江河段和畅洲头窝崩，进行了成因和力学机制的分析，并探讨了岸滩土体失稳模式和量化计算方法，得到以下几点结论：

（1）和畅洲头新窝崩是在10多年前的老窝崩基础上突然发生的，土体崩塌量大、位移距离大，但近岸水流动力不强，前沿深槽还处于逐年淤积状态，也没有明显大面积土体液化现象。因而，按现有窝崩成因有关观点不能予以解释，必定另有原因。

（2）和畅洲头新窝崩与缓坡水平大位移有很大的相似之处，因而以土力学方面的类似观点解释窝崩成因机理是合适的。据此判断此类窝崩属于侧滑型窝崩，主要是岸滩土体中存在易液化的粉砂层，当外界出现一定的振动扰动因素，如人为挖沙或船舶航行，条件成熟时使粉砂层发生液化成为软弱面，液化层与上覆土层分多次发生大幅度侧向滑移，土块滑出窝塘口门进入河道深槽，随后被河道主流迅速分散搬运至下游。

（3）借鉴参考土力学缓坡水平大位移计算模式，提出侧滑型窝崩相应的失稳模式和计算方法。通过相关因子分析和回归统计分析，可建立土体滑移距离与液化层厚度和滑移层倾角之间幂函数形式的经验公式。