長江下游江心洲河段的航道整治工程設(shè)計
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摘要：針對長江下游江心洲水道的航道問題，進行了河床演變及礙航特性分析，采用模型試驗等多種手段合理確定了工程平面布置方案，并在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中，因地制宜采用長江航道整治目前較為先進、成熟的護岸和護灘結(jié)構(gòu)形式，可為類似航道整治工程設(shè)計提供參考。
關(guān)鍵詞：江心洲；航道工程；整治設(shè)計；護岸；護灘帶
一、河道概況
江心洲河段位于長江下游安徽省馬鞍山市境內(nèi)，下距南京市50km，上距蕪湖市7km。河段上起東梁山，下止人頭磯，全長約24km，介于蕪裕河段和烏江河段之間，是長江下游航行條件較差的河段之一。江心洲河段平面兩頭窄、中間寬，呈順直分汊狀（圖1）。左汊為主汊（即江心洲水道），外形順直。左汊內(nèi)主流擺動，兩側(cè)灘槽交替變化。右汊為支汊（即太平府水道），中部彎曲。江～烏河段航道整治一期工程對江心洲河段中的關(guān)鍵洲灘——牛屯河邊灘、彭興洲洲頭及左緣、江心洲左緣的中上段實施了守護[1]，工程實施后，江心洲河段的灘槽格局及航道條件基本得到穩(wěn)定，達到了治理目標。但由于一期工程未對江心洲河段內(nèi)其它洲灘特別是下段易變洲灘進行控制，因而不穩(wěn)定因素仍然存在。從近幾年實測地形看，經(jīng)歷2010年、2012年長江大水少沙年后，江心洲河段未進行控制的下段灘槽形態(tài)沖淤變化較大，航道條件向不利方向發(fā)展。而且在原有小黃洲洲頭限制性航道通航條件未改善的情況下，又在其上游約9.5km建設(shè)馬鞍山公路大橋，在航道左岸側(cè)太陽河口上游建設(shè)馬鞍山港鄭蒲港區(qū)，太陽河口下游規(guī)劃建設(shè)鄭浦港區(qū)二期，橋梁及港口工程建設(shè)要求江心洲水道航道穩(wěn)定，如不及時對與航道條件密切相關(guān)的、起控制作用的不穩(wěn)定灘體加以守控，目前較為優(yōu)良的航道條件就有可能惡化，因此抓住有利時機實施航道整治工程已十分必要和迫切。江心洲河段位于蕪湖～南京河段，根據(jù)《長江干線航道總體規(guī)劃綱要》、《長江干線航道建設(shè)規(guī)劃（2011～2015年）》，本河段航道建設(shè)標準為I級航道。
二、礙航特性及工程方案
1．江道特性
通過對江心洲河段航道歷史和近期河床演變的分析，結(jié)合物理模型[2]和數(shù)學(xué)模型[3]的趨勢預(yù)測分析[4-6]，本河段存在以下問題：（1）江心洲水道近期演變趨勢對馬鞍山公路橋區(qū)至小黃洲洲頭段航道條件的穩(wěn)定不利。近期馬鞍山公路大橋橋區(qū)的河道演變主要表現(xiàn)為橋區(qū)上游主流右擺及頂沖點的持續(xù)下移、左側(cè)牛屯河邊灘中部至大橋區(qū)段邊灘的淤積外擴，橋區(qū)下游牛屯河邊灘尾部的淤積下移、江心洲心灘的沖刷后退，這些變化如進一步發(fā)展，對馬鞍山公路橋橋區(qū)至小黃洲洲頭段的航道條件的穩(wěn)定是不利的。（2）近年來的來流條件變化對一期工程護岸穩(wěn)定不利。受三峽蓄水影響，江心洲河段上游來沙量銳減，落水期消落速度明顯加快。目前江心洲水道進口段主流右偏，深泓貼靠彭興洲-江心洲左緣，一期工程彭興洲-江心洲左緣護岸工程承受壓力較大。在來水來沙持續(xù)目前特點的情況下，未護區(qū)域河床沖深下切，給一期工程護岸工程的穩(wěn)定帶來嚴重威脅。（3）江心洲心灘河段的發(fā)展變化對小黃洲左、右汊的分流穩(wěn)定不利。目前隨著江心洲頭部的沖退，心灘左側(cè)主流頂沖點下移，近期小黃洲左汊分流比明顯增加（由2012年2月的17%增加至2015年1月的25.08%）。變化持續(xù)將改變下游汊道的分流格局，并可能對航道的穩(wěn)定帶來不利影響。
2．工程方案
根據(jù)江心洲河段目前存在的問題及本河段總體治理思路，經(jīng)過多手段研究確定，本工程治理思路為：采取工程措施穩(wěn)定江心洲水道下段灘槽格局，避免航道條件惡化，同時延續(xù)及強化一期工程效果，為后續(xù)江心洲及其下游航道持續(xù)治理打好基礎(chǔ)。本工程具體設(shè)計標準為：1）航道等級：Ⅰ級；2）航道尺度：7.5m×200m×1,050m，保證率：98%；3）通航代表船舶（隊）：通航通航2~4萬t級船隊和5,000t級海船，利用自然水深通航萬噸級海輪。根據(jù)建設(shè)目標及設(shè)計標準，工程平面布置為：①在上何家洲低灘布置3條護灘帶，三條護灘帶，護灘帶長度分別為268、358和615m；②上何家洲護岸長1,700m，③江心洲心灘頭部護岸長1,525m，④彭興洲-江心洲左緣護岸加固長度4,270m，⑤太陽河口護岸加固長度3,100m。工程平面布置（圖1）經(jīng)物理模型和數(shù)學(xué)模型綜合比選，目前提出的方案能較好地實現(xiàn)工程建設(shè)目標。
三、工程結(jié)構(gòu)設(shè)計
1．上何家洲三條護灘帶
上何家洲三條護灘帶采用的是D型排+排上拋石+兩側(cè)拋透水框架（航道側(cè)拋石）+根部接岸處理。D型排間橫向搭接5m，在近岸側(cè)采用了順水流沉排，在頭部沖刷變形較大區(qū)域采用垂直于水流沉排。沿護灘帶縱向設(shè)10m寬拋石棱體壓載，厚200cm，壓載軸線距上游排邊線50m，距下游排邊線70m；軸線壓載兩側(cè)滿拋石，其中SHH1護灘帶拋石100cm厚，SHH2護灘帶、SHH3護灘帶拋石80cm厚；護灘帶在軸線上加高拋石厚度主要作為強化護灘帶護灘功能。接岸處理：根部與上何家洲護岸工程銜接。
2．上何家洲護岸
上何家洲護岸總長1,700m，其中右緣下游端設(shè)100m銜接段、左緣下游端設(shè)100m銜接段，采用斜坡式的護岸型式。主體工程由枯水平臺、陸上護坡和水下護底三個部分組成。枯水平臺底高程為2.82m，枯水平臺以上為陸上護坡，枯水平臺以下為水下護底和水下鎮(zhèn)腳
3．江心洲心灘護岸
江心洲心灘護岸總長1,525m，其中兩端各設(shè)100m銜接段。護岸結(jié)構(gòu)采用斜坡式的護岸型式，由坡上防護帶、陸上護坡、枯水平臺、水下護底四個部分組成。枯水平臺底高程為2.81m，枯水平臺以上為陸上護坡，坡上設(shè)25m寬防護帶，枯水平臺以下為水下護底。鑒于江心洲心灘土質(zhì)抗沖性差，排水性能差，且心灘護岸洪水期淹沒，面臨沖刷壓力大等特點，相對于傳統(tǒng)護岸結(jié)構(gòu)，江心洲心灘護岸結(jié)構(gòu)進行了如下創(chuàng)新設(shè)計：（1）在岸坡反濾層的選擇上，考慮到心灘排水壓力大，選擇排水效果好、過濾性強、強度高、耐久性好的新型反濾結(jié)構(gòu)——排水墊。排水墊的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，具有較高的抗壓屈服強度，有較大的通水量，其作為排水通道可代替?zhèn)鹘y(tǒng)砂石反濾層，與傳統(tǒng)反濾層相比由于質(zhì)量輕，運輸方便，施工便捷、施工質(zhì)量易控制等特點。（2）在坡頂馬道后方設(shè)置三維加筋網(wǎng)墊防沖，增加岸坡穩(wěn)定性。加筋三維網(wǎng)墊是一種具有高效的促淤生態(tài)護灘結(jié)構(gòu)，能使得泥沙落淤，有利于植被生長，具有如下優(yōu)點：①適應(yīng)變形能力強，②高抗拉強度，③高抗沖刷能力，④整體性好，⑤環(huán)保，空隙內(nèi)可以植草，能美化環(huán)境的同時形成自然坡面改善生態(tài)環(huán)境。⑥施工便捷。（3）在岸坡中部設(shè)置水平排水管，增加岸坡排水途徑，提高護岸穩(wěn)定性。水平排水管由外管和濾芯兩部分組成，為防止江水倒灌，每個水平排水管口設(shè)壓差放大式逆止閥一個。在施工過程中能明顯看到，排水管設(shè)置到位后，岸坡土體排水速度顯著增加，降雨后或退水過程中，護岸土體可快速排出積水，有利于岸坡穩(wěn)定。
4．彭興洲-江心洲護岸加固
彭興洲-江心洲護岸于2009~2010年實施完成。在工程開工前，護岸守護區(qū)域發(fā)生一次崩岸，工程實施期間發(fā)生了6次崩岸，工程竣工至今共發(fā)生4次崩岸。根據(jù)對崩岸原因的分析及研究[7]，總結(jié)提出如下加固方案。（1）補坡。對0m高程以下陡于1：3坡比的水下河床地形，按照1：3坡比進行拋枕補坡。（2）護底、護腳和水下加固。根據(jù)護岸面臨的不同沖刷壓力和變形程度實施不同的加固方案：①全拋石結(jié)構(gòu)，對上游700m沖刷幅度小，岸坡相對穩(wěn)定段采用拋石加固。拋石厚0.8m，寬30～90m。②沉砼聯(lián)鎖塊軟體排護底，對沖刷相對較大的河段，河心側(cè)坡腳采用砼聯(lián)鎖塊軟體排護底壓載，護底壓載寬70m，河心側(cè)排邊緣設(shè)10m寬（排上5m、排外5m）拋石厚0.8m，近岸側(cè)排邊緣設(shè)20m寬（排上5m、排外15m）拋石厚0.6m。③崩岸修復(fù)和局部破損修復(fù)對2014年以來的崩岸段水下采用沉排加邊緣拋石修復(fù)，陸上破損區(qū)域修復(fù)主要包括坡面清理、陸上鋪石護面和明溝等工序。
5．太陽河口護岸加固
太陽河口護岸為水利部門已實施護岸，岸坡本身穩(wěn)定性較好，由于本工程在河道右側(cè)實施了系列工程，為避免工程影響局部流態(tài)對已實施護岸造成不利影響，在太陽河口護岸受影響區(qū)域?qū)嵤伿o腳加固減小工程對防洪大堤的影響。從目前工程實施后航道條件及工程本身穩(wěn)定來看，工程結(jié)構(gòu)發(fā)揮作用明顯，結(jié)構(gòu)物本身穩(wěn)定性良好。本工程主體建筑物于2016年汛前完成，經(jīng)歷2016年大洪水汛期和2017年汛期后，江心洲水道航道維護尺度達到設(shè)計要求，工程區(qū)略有淤積，周邊區(qū)域沖刷幅度在預(yù)計范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)物本身穩(wěn)定性良好。特別是彭興洲-江心洲護岸加固工程，工程實施后，經(jīng)歷兩屆大洪水考驗，護岸工程水上和水下邊坡均穩(wěn)定良好。
四、結(jié)語
（1）工程河段內(nèi)洲灘演變劇烈，主要表現(xiàn)為上何家洲至心灘頭部及左緣的大幅沖刷和牛屯河邊灘尾部的淤積。特別是江心洲心灘過渡段航道邊界的變化直接影響這馬鞍山長江大橋橋區(qū)、過渡段、鄭蒲港區(qū)、小黃洲頭過渡段一連貫復(fù)雜航段的通航條件。（2）從目前的灘槽格局和航道變化方向看，江心洲水道航道條件目前處于相對較好的時期，如不對正在發(fā)生不利變化的航道邊界加以控制，過渡段航道條件將迅速惡化，等問題出現(xiàn)后再開展整治工程將事倍功半，因此，抓緊時間實施航道邊界守護工程十分必要且緊迫。（3）通過工程措施對河道內(nèi)關(guān)鍵洲灘、岸線部位進行控制，同時修復(fù)和加固前期工程薄弱環(huán)節(jié)，穩(wěn)定基本灘槽格局，避免不利變化持續(xù)發(fā)展，維持目前較好的灘槽形態(tài)和良好的航道條件。（4）工程設(shè)計中因地制宜采用合適的航道整治結(jié)構(gòu)，并針對本工程地質(zhì)和流速流態(tài)特點，創(chuàng)新采用新結(jié)構(gòu)和新工藝，如根據(jù)心灘和上何家洲護岸土質(zhì)差、排水差特點，采用水平排水管、加大盲溝、灘頂鋪設(shè)三維加筋網(wǎng)墊等措施改善護岸穩(wěn)定性，針對一期護岸多次崩岸原因針對性研究加固部位及加固措施等，豐富和航道整治工程設(shè)計領(lǐng)域技術(shù)，為后續(xù)類似工程設(shè)計提供借鑒和參考。
參考文獻
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作者:程小兵 雷雪婷 李一兵 李旺生 單位:天津水運工程勘察設(shè)計院 長江航道規(guī)劃設(shè)計研究院 長江航道局