長(zhǎng)江下游江心洲河段的航道整治工程設(shè)計(jì)
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摘要：針對(duì)長(zhǎng)江下游江心洲水道的航道問題，進(jìn)行了河床演變及礙航特性分析，采用模型試驗(yàn)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(jì)中，因地制宜采用長(zhǎng)江航道整治目前較為先進(jìn)、成熟的護(hù)岸和護(hù)灘結(jié)構(gòu)形式，可為類似航道整治工程設(shè)計(jì)提供參考。
關(guān)鍵詞：江心洲；航道工程；整治設(shè)計(jì)；護(hù)岸；護(hù)灘帶
一、河道概況
江心洲河段位于長(zhǎng)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(zhǎng)約24km，介于蕪裕河段和烏江河段之間，是長(zhǎng)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(dòng)，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(duì)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(shí)施了守護(hù)[1]，工程實(shí)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(dá)到了治理目標(biāo)。但由于一期工程未對(duì)江心洲河段內(nèi)其它洲灘特別是下段易變洲灘進(jìn)行控制，因而不穩(wěn)定因素仍然存在。從近幾年實(shí)測(cè)地形看，經(jīng)歷2010年、2012年長(zhǎng)江大水少沙年后，江心洲河段未進(jìn)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(shí)對(duì)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(shí)機(jī)實(shí)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(zhǎng)江干線航道總體規(guī)劃綱要》、《長(zhǎng)江干線航道建設(shè)規(guī)劃（2011～2015年）》，本河段航道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為I級(jí)航道。
二、礙航特性及工程方案
1．江道特性
通過對(duì)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(shì)預(yù)測(cè)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(shì)對(duì)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(diǎn)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(kuò)，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(jìn)一步發(fā)展，對(duì)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(duì)一期工程護(hù)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(jìn)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(hù)岸工程承受壓力較大。在來水來沙持續(xù)目前特點(diǎn)的情況下，未護(hù)區(qū)域河床沖深下切，給一期工程護(hù)岸工程的穩(wěn)定帶來嚴(yán)重威脅。（3）江心洲心灘河段的發(fā)展變化對(duì)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(diǎn)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(duì)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(shí)延續(xù)及強(qiáng)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)為：1）航道等級(jí)：Ⅰ級(jí)；2）航道尺度：7.5m×200m×1,050m，保證率：98%；3）通航代表船舶（隊(duì)）：通航通航2~4萬t級(jí)船隊(duì)和5,000t級(jí)海船，利用自然水深通航萬噸級(jí)海輪。根據(jù)建設(shè)目標(biāo)及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，工程平面布置為：①在上何家洲低灘布置3條護(hù)灘帶，三條護(hù)灘帶，護(hù)灘帶長(zhǎng)度分別為268、358和615m；②上何家洲護(hù)岸長(zhǎng)1,700m，③江心洲心灘頭部護(hù)岸長(zhǎng)1,525m，④彭興洲-江心洲左緣護(hù)岸加固長(zhǎng)度4,270m，⑤太陽河口護(hù)岸加固長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)工程建設(shè)目標(biāo)。
三、工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1．上何家洲三條護(hù)灘帶
上何家洲三條護(hù)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?biāo)鞒僚?，在頭部沖刷變形較大區(qū)域采用垂直于水流沉排。沿護(hù)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(hù)灘帶拋石100cm厚，SHH2護(hù)灘帶、SHH3護(hù)灘帶拋石80cm厚；護(hù)灘帶在軸線上加高拋石厚度主要作為強(qiáng)化護(hù)灘帶護(hù)灘功能。接岸處理：根部與上何家洲護(hù)岸工程銜接。
2．上何家洲護(hù)岸
上何家洲護(hù)岸總長(zhǎng)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(hù)岸型式。主體工程由枯水平臺(tái)、陸上護(hù)坡和水下護(hù)底三個(gè)部分組成。枯水平臺(tái)底高程為2.82m，枯水平臺(tái)以上為陸上護(hù)坡，枯水平臺(tái)以下為水下護(hù)底和水下鎮(zhèn)腳
3．江心洲心灘護(hù)岸
江心洲心灘護(hù)岸總長(zhǎng)1,525m，其中兩端各設(shè)100m銜接段。護(hù)岸結(jié)構(gòu)采用斜坡式的護(hù)岸型式，由坡上防護(hù)帶、陸上護(hù)坡、枯水平臺(tái)、水下護(hù)底四個(gè)部分組成。枯水平臺(tái)底高程為2.81m，枯水平臺(tái)以上為陸上護(hù)坡，坡上設(shè)25m寬防護(hù)帶，枯水平臺(tái)以下為水下護(hù)底。鑒于江心洲心灘土質(zhì)抗沖性差，排水性能差，且心灘護(hù)岸洪水期淹沒，面臨沖刷壓力大等特點(diǎn)，相對(duì)于傳統(tǒng)護(hù)岸結(jié)構(gòu)，江心洲心灘護(hù)岸結(jié)構(gòu)進(jìn)行了如下創(chuàng)新設(shè)計(jì)：（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(qiáng)、強(qiáng)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(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，具有較高的抗壓屈服強(qiáng)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(yùn)輸方便，施工便捷、施工質(zhì)量易控制等特點(diǎn)。（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(hù)灘結(jié)構(gòu)，能使得泥沙落淤，有利于植被生長(zhǎng)，具有如下優(yōu)點(diǎn)：①適應(yīng)變形能力強(qiáng)，②高抗拉強(qiáng)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(shí)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(hù)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(gè)水平排水管口設(shè)壓差放大式逆止閥一個(gè)。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(hù)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(hù)岸加固
彭興洲-江心洲護(hù)岸于2009~2010年實(shí)施完成。在工程開工前，護(hù)岸守護(hù)區(qū)域發(fā)生一次崩岸，工程實(shí)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(duì)崩岸原因的分析及研究[7]，總結(jié)提出如下加固方案。（1）補(bǔ)坡。對(duì)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(jìn)行拋枕補(bǔ)坡。（2）護(hù)底、護(hù)腳和水下加固。根據(jù)護(hù)岸面臨的不同沖刷壓力和變形程度實(shí)施不同的加固方案：①全拋石結(jié)構(gòu)，對(duì)上游700m沖刷幅度小，岸坡相對(duì)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(hù)底，對(duì)沖刷相對(duì)較大的河段，河心側(cè)坡腳采用砼聯(lián)鎖塊軟體排護(hù)底壓載，護(hù)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(duì)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(hù)面和明溝等工序。
5．太陽河口護(hù)岸加固
太陽河口護(hù)岸為水利部門已實(shí)施護(hù)岸，岸坡本身穩(wěn)定性較好，由于本工程在河道右側(cè)實(shí)施了系列工程，為避免工程影響局部流態(tài)對(duì)已實(shí)施護(hù)岸造成不利影響，在太陽河口護(hù)岸受影響區(qū)域?qū)嵤伿o(hù)腳加固減小工程對(duì)防洪大堤的影響。從目前工程實(shí)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(hù)尺度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，工程區(qū)略有淤積，周邊區(qū)域沖刷幅度在預(yù)計(jì)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(hù)岸加固工程，工程實(shí)施后，經(jīng)歷兩屆大洪水考驗(yàn)，護(hù)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(zhǎng)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(duì)較好的時(shí)期，如不對(duì)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(shí)間實(shí)施航道邊界守護(hù)工程十分必要且緊迫。（3）通過工程措施對(duì)河道內(nèi)關(guān)鍵洲灘、岸線部位進(jìn)行控制，同時(shí)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(jì)中因地制宜采用合適的航道整治結(jié)構(gòu)，并針對(duì)本工程地質(zhì)和流速流態(tài)特點(diǎn)，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(hù)岸土質(zhì)差、排水差特點(diǎn)，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(hù)岸穩(wěn)定性，針對(duì)一期護(hù)岸多次崩岸原因針對(duì)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(jì)領(lǐng)域技術(shù)，為后續(xù)類似工程設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。
參考文獻(xiàn)
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作者:程小兵 雷雪婷 李一兵 李旺生 單位:天津水運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院 長(zhǎng)江航道規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 長(zhǎng)江航道局