程小兵，劉曉菲

(交通運輸部天津水運工程科學研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456)

分汊型河段是沖積平原河流中一種常見的河型,在長江中下游河道中普遍存在。 據(jù)統(tǒng)計,長江中下游城陵磯至徐六涇段分汊河道汊道段總長906.2 km,占河段全長的69.5%。受長江三峽樞紐及上游水庫群聯(lián)合運行的影響，長江航道水沙條件和演變發(fā)生了深刻變化，對于長江下游分汊河段來說，主要表現(xiàn)為灘槽格局調(diào)整劇烈、航道條件難以長期穩(wěn)定[1-5]。對于分汊河段的治理來說，主通航汊道的選擇和整治時機、關鍵整治部位的選擇是整治成功與否的關鍵。在江心洲河段航道整治工程實施過程中，采用了多種手段和方法對工程設計關鍵問題開展了深入研究，準確定位本工程實施目標，提出的工程總體方案布置合理，采用的主要結構和工藝技術先進、選型合理，工程實施后，達到了固灘護洲，穩(wěn)定航槽的整治目標。本文主要分析已建工程效果，總結工程成功經(jīng)驗和存在的不足，為后續(xù)航道治理和維護提供借鑒。

1 河道概況、演變特征及礙航特性

1.1 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)，河段上起東梁山，下至人頭磯，長約24 km。江心洲河段平面形態(tài)呈兩頭窄、中間寬的順直分汊狀(圖1)。上端東、西梁山之間河寬1.1 km，自東、西梁山往下河道驟然展寬，中部寬達8 km，下端人頭磯江寬又收縮至3.8 km。江中有彭興洲和江心洲等將河道分成左、右兩汊，最大的江心洲長度約17.5 km，最大寬度約5.3 km。河段左汊為主汊(即江心洲水道)，左汊外形順直，長約24 km，寬約2 km，有牛屯河、姥下河、太陽河等支流匯入。右汊為支汊(習稱太平府水道)，中部彎曲，長約26.8 km，寬約0.6 km，有姑溪河、采石河支流匯入。

圖1 江心洲河段河勢及方案布置圖Fig.1 Diagram of the project layout

近30 a來，由于主流及深泓持續(xù)右擺，左岸牛屯河邊灘逐漸形成并壯大，至2005年，牛屯河邊灘已成長為長約12.4 km，寬約1.15 km的出水邊灘，江心洲水道逐漸向相對較好的微彎形態(tài)轉(zhuǎn)化。在牛屯河形成和發(fā)展的同時，處于水道中下段的江心洲心灘則持續(xù)下移，在下移的過程中，心灘面積由1989年的約55萬m2，增長至2006年的239萬m2左右，心灘平面形態(tài)上以1998年為界，1998年前，心灘長度增加，寬度縮小，之后則呈長度減小寬度增加趨勢。

1.2 演變特性

江心洲河段左汊在1881～1931年間逐漸發(fā)展成為穩(wěn)定的主汊，河中彭興洲、江心洲逐漸淤并成型。1932～1960年間，江心洲左岸不斷崩塌，江心洲水道寬度增加，進一步鞏固了主汊地位，在江心洲水道內(nèi)，又出現(xiàn)新的洲灘發(fā)育，逐漸形成目前的水道內(nèi)多分汊格局。

自20世紀60年代以來，江心洲河段演變主要表現(xiàn)為以下特點[6-10]：(1)江中主要洲體彭興洲、江心洲維持主體穩(wěn)定，江心洲河段左汊主汊地位穩(wěn)定，主汊中枯水分流比基本穩(wěn)定在90%左右，兩汊分流比變化不大；(2)江心洲河段主要變化表現(xiàn)在江心洲水道內(nèi)部，較大的洪水河寬為水道內(nèi)灘地發(fā)育和沙洲、心灘的發(fā)展提供了空間，較長的直段為水流動力軸線的擺動提供了可能；(3)江心洲水道深泓擺動則伴隨著邊灘的變化，彭興洲—江心洲左緣的崩退、深泓的微彎為牛屯河邊灘的發(fā)育壯大創(chuàng)造了條件，江心洲左邊灘隨著牛屯河邊灘的發(fā)育而下移、解體(分為上、下何家洲)并形成心灘，即江心洲邊灘已由上何家洲、下何家洲和江心洲心灘代替。牛屯河邊灘的淤長下延和江心洲邊灘的萎退是相呼應的，即此長彼消；(4)近期變化表明，牛屯河邊灘至江心洲心灘河段是江心洲河段最具變化、最不穩(wěn)定的河段，而牛屯河邊灘、江心洲心灘的穩(wěn)定是江心洲水道航道條件穩(wěn)定和改善的基礎邊界，通過采取一定工程措施，形成一個相對完整、穩(wěn)定的上、下邊灘，對江心洲水道優(yōu)良航道條件的保持是極為重要的。

1.3 礙航特性

一期工程實施前，由于江心洲水道過于長直(從西梁山至小黃洲頭長達22 km)，主流擺動頻繁，航槽也經(jīng)常發(fā)生大幅度擺動，上、下深槽之間的過渡段也隨之上提下挫，航道維護部門需要不斷調(diào)標才能維持船舶的正常航行。在航槽擺動過程中，個別年份過渡段航道的水深也出現(xiàn)不足6.5 m的情況。

江心洲水道出口的小黃洲洲頭航道從左至右急劇轉(zhuǎn)折，幾乎橫越河道，形成上下兩個接近90°的急彎，加之河寬狹窄，又處于多汊匯流區(qū)，流態(tài)紊亂，航行條件差，目前已設為航行管制河段，大型船舶只能單向航行。

一期工程2010年實施完成后，基本實現(xiàn)了限制牛屯河邊灘不利發(fā)展，初步穩(wěn)定江心洲河段航道條件的目標。但隨著上游來水來沙時間上和空間上的變化，江心洲水道出現(xiàn)了新的不利變化趨勢，主要表現(xiàn)在兩個方面，一是一期彭興洲—江心洲左緣護岸的崩塌，可能破壞江心洲水道較好的微彎岸灘形態(tài)，進而危機江心洲河段較好的航道條件；二是隨著牛屯河邊灘下部和江心洲心灘的沖淤變化，江心洲水道下過渡段至小黃洲頭限制性航道的航道條件趨于惡化，對江心洲心灘過渡段航道穩(wěn)定不利，且不利于船舶航行連續(xù)通過小黃洲過渡段、江心洲心灘過渡段及馬鞍山大橋橋區(qū)過渡段。

2 已建航道整治工程概況

鑒于江心洲河段洲灘多，汊道多，河段目前處在動態(tài)調(diào)整階段等特點，在前期研究中，針對江心洲河段確定了因勢利導、綜合協(xié)調(diào)、守護為主、整治結合、總體設計、分期實施的總體整治原則。江心洲河段航道整治目前已實施兩期工程，重點對河段內(nèi)江心洲水道內(nèi)的不利演變趨勢加以抑制和改變。

一期工程整治原則為守護重點，固灘護洲。對河段航道條件起控制作用的江心洲水道邊灘、洲灘進行守護，穩(wěn)定當時的灘槽形態(tài)，防止航道條件向不利方向發(fā)展。一期工程方案由牛屯河邊灘守護工程和彭興洲—江心洲左緣護岸工程組成。牛屯河邊灘守護工程采用護灘方式進行守護，工程由3條護灘帶組成，在護灘帶竄溝部位拋筑鎖壩，目的是抑制牛屯河邊灘的沖刷后退和竄溝的發(fā)展，防止江心洲河段進口主流擺動帶來的不利航道變化；彭興洲頭、江心洲頭及左緣護岸工程主要對彭興洲頭、江心洲頭及左緣實施護岸工程，增強江心洲水道入口右邊界的穩(wěn)定性。一期工程于2009～2010年施工，2012年竣工。

2015～2017年實施的江心洲河段航道整治工程是按照江心洲河段總體治理思路，結合一期工程以來的河道變化及航道存在的新問題研究分析的基礎上，開展的江心洲河段總體治理中的第二階段航道整治工程。近期江心洲水道中下段上何家洲、江心洲心灘沖刷后退，牛屯河邊灘淤積下延導致航道條件有惡化趨勢，且水道上段彭興洲及江心洲左緣一期已建護岸工程多次崩退水毀[11-12]，需進行整治和加固[13]，因此實施了江心洲河段航道整治工程。

第二階段整治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。工程方案主要包含上何家洲守護工程，江心洲心灘守護工程，彭興洲—江心洲左緣護岸加固及太陽河口護岸加固工程。上何家洲護岸工程在上何家洲設置護底帶3道，同時實施上何家洲護岸，其目的是保護上何家洲低灘及岸坡，穩(wěn)定江心洲水道下過渡段右邊界，抑制江心洲心灘過渡段航道條件進一步惡化；江心洲心灘護岸工程主要為江心洲心灘護岸及水下延伸護底，其目的是穩(wěn)定心灘灘體，從而穩(wěn)定心灘過渡段邊界，穩(wěn)定灘槽格局；加固彭興洲及江心洲左緣護岸則主要是延續(xù)和強化一期工程效果；加固太陽河口護岸作用是減弱和消除上何家洲守護工程及心灘護岸工程對長江江堤的不利影響。第二階段工程于2015年底開工建設，2017年6月交工，2019年3月竣工。

3 已建工程效果分析

3.1 一期工程效果

一期工程2010年交工以來，整治建筑物基本穩(wěn)定，牛屯河邊灘竄溝逐年淤高，整體穩(wěn)定；彭興洲—江心洲左緣護岸在工程完工后局部存在崩岸現(xiàn)象，經(jīng)修復后維持穩(wěn)定。一期工程實施主要取得以下幾方面效果：(1)整治工程實施后，限制了牛屯河邊灘的不利發(fā)展，穩(wěn)定了江心洲水道的航道條件；(2)整治工程穩(wěn)定了江心洲岸坡，穩(wěn)定了河勢，改善了左汊航道條件，整治后江心洲水道枯水航道尺度達到6.5 m×200 m×1 050 m的要求，且航行基面下10 m水深寬度基本在200 m以上，為實現(xiàn)本河段規(guī)劃航道尺度打下了基礎；(3)整治工程實施后，限制了本河段主流和航槽的擺動，有利于堤防的穩(wěn)定和港口的發(fā)展?？傮w來說，一期整治工程實施穩(wěn)定了水流條件，抑制了岸線的沖刷后退，達到了控制河勢，穩(wěn)定江心洲左汊主流，維持左汊航道條件的預期目標。

一期工程實施總體達到了預期目標，但在河床演變預測及結構設計強度上仍稍顯不足。在一期工程實施前，對江心洲水道入口深槽的右擺幅度和速度估計不足，由此帶來的在彭興洲—江心洲左緣護岸設計時，護岸水下護腳守護的范圍偏小、強度偏弱，導致護岸在實施中和實施后，多次出現(xiàn)局部崩塌現(xiàn)象。

3.2 江心洲河段航道整治工程(第二階段工程)效果

江心洲河段航道整治工程實施后，航道條件維持穩(wěn)定，達到了航道建設目標要求，灘槽格局基本穩(wěn)定，鞏固了已實施工程效果[14]。第二階段整治工程效果如下：(1)工程實施后，航道條件維持穩(wěn)定。隨著上何家洲護岸及護底帶工程和江心洲護岸工程的效果逐步發(fā)揮，至2017年9月7.5 m等深線向左回擺約120 m，2018年以后，過渡段7.5 m等深線的寬度穩(wěn)定在700 m左右。工程實施后實現(xiàn)了“十二五”期江心洲河段航道建設標準7.5 m×200 m×1 050 m 目標的要求；(2)工程實施后，基本穩(wěn)定了洲灘格局。工程實施后，上何家洲護底帶守護區(qū)域地形有所淤積，上何家洲低灘得到較為有效的保護，穩(wěn)定了上何家洲岸線；江心洲心灘護岸守護工程區(qū)有所淤積，心灘護岸工程有效的守護了心灘，抑制住了心灘頭部持續(xù)沖刷的發(fā)展趨勢，心灘頭部基本穩(wěn)定；(3)工程實施后，鞏固了已實施工程效果。彭興洲至江心洲護岸加固工程、太陽河口加固工程的實施后，兩處護岸加固工程均實現(xiàn)了穩(wěn)定目標。

總體來講，第二階段江心洲河段航道整治工程的實施發(fā)揮了承前啟后的作用，延續(xù)了江心洲烏江河段航道整治工程的總體思路，工程實施后實現(xiàn)了江心洲河段航道建設標準7.5 m×200 m×1 050 m 目標的要求，也為后續(xù)航道尺度提升至10.5 m×200 m×1 050 m創(chuàng)造了條件。

4 經(jīng)驗與不足

圖2 江心洲心灘過渡段工程后7.5 m等深線變化圖Fig.2 Interannual variation of 7.5 m isobath in the Jiangxinzhou reach

江心洲河段航道整治兩期工程的實施，基本達到了預期的航道整治效果，但工程建設中也同樣存在一定的問題。

4.1 工程設計經(jīng)驗

(1)準確把握洲灘演變特點及其與航道條件變化的關系，是工程取得較好效果的前提。

江心洲河段的主航道為左汊江心洲水道，江心洲水道整體微彎，河型較好，但右岸邊界崩岸較為嚴重，下段過渡段存在上、下何家洲和江心洲心灘，形成復雜分汊河型。通過對江心洲水道長時期演變特點和變化規(guī)律的分析，系統(tǒng)總結了復雜分汊河段分流分沙特點和灘槽演變規(guī)律，深入研究了洲灘和深槽、主流動力間的聯(lián)動變化關系。在一期工程實施時，準確的把握了本河段航道變化的根本問題，對起控制作用的進口左側(cè)邊灘和右側(cè)岸坡實施了守護，達到了穩(wěn)定航道條件的基本目標。第二階段工程時通過分析認識到江心洲河段彭興洲頭、江心洲頭及其左緣受沖條件及江心洲水道深槽位置發(fā)生了明顯不利護岸穩(wěn)定的變化，已實施護岸工程承受了超出預期的壓力，護岸工程在深槽臨岸、槽深灘高的情況下，穩(wěn)定性較差，存在垮塌危險，上、下何家洲和江心洲心灘處在上、下過渡段之間，這三個江心灘洲所形成的洲灘群(稱為心灘灘群)一定意義上起著邊灘的作用，顯然，過渡段航槽的穩(wěn)定取決于邊灘的高大和穩(wěn)定，因此，心灘灘群的穩(wěn)定是該河段航道穩(wěn)定的基礎。在后續(xù)工程中，繼續(xù)延續(xù)和強化總體治理思路，工程著重對心灘灘群實施守護工程，同時加固一期工程不穩(wěn)定護岸。由于項目設計組對江心洲水道內(nèi)洲灘演變的認識清晰，選擇的工程區(qū)及工程措施切合實際，因此，工程實施后經(jīng)歷三個水文年，工程結構物穩(wěn)定，總體整治效果實現(xiàn)了預期目標。

(2)深入分析岸坡穩(wěn)定的內(nèi)因和外因，有針對性的開展結構設計，是實現(xiàn)工程自身穩(wěn)定的保證。

江心洲河段內(nèi)心灘形成時間較短，岸坡土質(zhì)差，穩(wěn)定性差，不管是自然未護岸線還是已實施守護工程護岸，近年來均出現(xiàn)了較大頻次崩岸問題。鑒于此，在開展第二階段江心洲河段航道整治工程設計的同時，專題開展了一期工程護岸損毀的資料分析及理論分析，穩(wěn)定性計算分析，結合水槽試驗等多種手段，深入分析了彭興洲—江心洲護岸損毀的外部原因及內(nèi)部原因，并對其損毀機理做了探索研究。

分析認為，江岸岸坡穩(wěn)定性，取決于兩個方面，即重力穩(wěn)定性和沖刷穩(wěn)定性。兩者之中，對于江心洲護岸來說沖刷穩(wěn)定性是主導因素。就重力穩(wěn)定而言，目前岸坡上部低于1∶3，下部低于1∶5的邊坡是穩(wěn)定的；另地下水的滲透壓力是影響重力穩(wěn)定的一個重要因素。沖刷穩(wěn)定性是評價流水沖刷的動力作用對岸坡表層物質(zhì)穩(wěn)定性的影響。深槽和深泓的逼近是各種崩岸的巨大威脅。在環(huán)流作用下，水流對侵蝕岸的侵蝕作用首先發(fā)生在坡腳處。在深槽逼進的態(tài)勢下，環(huán)流強烈地對侵蝕岸侵蝕下切。深槽不斷發(fā)展，坡腳強烈侵蝕，是目前本河段的主要的沖蝕特點。

根據(jù)專題研究成果，在新建護岸設計和護岸加固設計中，對岸坡排水、護岸坡度、坡腳保護、岸線平順設計、水下護底守護范圍及排邊防沖刷設計等方案，均根據(jù)實際情況進行了分區(qū)段設計。

實踐證明，工程實施后，經(jīng)歷三個水文年，加固護岸工程區(qū)沖淤變化不大，工程區(qū)整體穩(wěn)定，工程實施后未再出現(xiàn)新的水毀。新建護岸工程結構穩(wěn)定，護岸實施效果良好。

(3)貫徹動態(tài)設計理念，及時、科學的開展設計變更是確保工程效果充分發(fā)揮的關鍵要點。

江心洲航道整治工程開工后遭遇長江下游2016年枯水期長江水位長期偏高，護岸工程枯水平臺和陸上結構無施工條件，造成上何家洲護岸和江心洲心灘護岸水下護底實施完成后需間隔一個汛期后才能實施陸上工程，更加不利的是2016年汛期長江下游洪水流量大且持續(xù)時間長，造成本工程設計變更次數(shù)多、內(nèi)容多。在工程工可至設計階段，乃至工程實施期間，設計組均依據(jù)不同時期測圖，強化現(xiàn)象分析及原因分析，有針對性的優(yōu)化調(diào)整工程方案及整治建筑物結構，持續(xù)加強觀測，密切關注整治建筑物變形情況，對局部變形較大的部位及時進行加固維護，保障了建筑物的穩(wěn)定和整治效果的發(fā)揮。

(4)因地制宜，采用了多種生態(tài)結構和材料，在確保工程穩(wěn)定的前提下，實現(xiàn)了航道整治效果和生態(tài)效果的雙贏。

在本工程設計中，針對工程不同部位，采用了不同的生態(tài)結構，既達到了航道整治效果，也實現(xiàn)了生態(tài)環(huán)保效果。如在陸上護坡中，采用了鋼絲網(wǎng)格護坡，保證了岸坡本身穩(wěn)定，也保留了岸坡與河道的連通性，保留了生物通道；為防止坡頂沖刷，在心灘馬道后方布置了三維加筋墊結構，既防止了坡頂洪水期沖刷，也為泥沙落淤和植物生長提供了穩(wěn)固的載體；在水下，根據(jù)不同的部位功能要求不同，設置了拋石或拋透水框架，起到防沖促淤效果的同時，也為水生生物的產(chǎn)卵和棲息提供了場所。生態(tài)環(huán)保工程結構的采用，既保護了岸坡，也保護和促進了工程區(qū)微生態(tài)環(huán)境的形成，符合綠色航道建設要求，從工程效果來看，也有效的實現(xiàn)了建筑物的自身穩(wěn)定，實現(xiàn)了工程的整體功能。

4.2 存在不足

江心洲河段航道整治工程已實施二期，總體來看是成功的，基本實現(xiàn)了穩(wěn)定灘槽、穩(wěn)定航道條件的目標，但仍存在需總結反思的問題。

(1)一期工程實施時，護岸水下護底守護范圍偏小和結構偏弱，導致一期彭興洲—江心洲護岸多次局部損毀。

一期護岸設計彭興洲—江心洲護岸按照水下護底寬度100 m，沉D型排加排邊緣拋石結構，從實施的結果看，護岸水下護底范圍偏小，護底結構偏弱。根據(jù)對護岸損毀的總結分析看，一期工程前，江心洲水道入口深泓離岸距離較遠，且水下邊坡坡度較緩，按照設計規(guī)范，水下護底守護100 m寬滿足規(guī)范要求。但從一期工程實施后的河槽變化看，在深泓擺動，深槽快速臨岸的情況下，護岸穩(wěn)定性受到較大威脅，且由于岸坡上部守護，下部沖刷后，岸坡坡度迅速變陡，更加劇了岸坡的不穩(wěn)定因素。因此，在一期工程實施后，彭興洲—江心洲護岸多次損毀。鑒于此，在江心洲第二階段整治工程實施時，著重總結了一期護岸經(jīng)驗教訓，加強了護岸設計研究，本工程新建護岸和加固護岸至今已經(jīng)歷3個水文年考驗，未再出現(xiàn)崩岸現(xiàn)象。

(2)第二階段整治工程實施時間稍晚，部分不利變化已然出現(xiàn)，未能把握住最佳治理時機。

江心洲航道整治工程2011年啟動工可研究，工可報告在2013年初部審后，由于環(huán)保原因，暫停后續(xù)工作1年半，至2014年5月再次啟動， 2015年8月開始進入初步設計及施工圖設計，工程于2015年底開工，對于本工程來說，整治工程實施時間稍晚，工程準備期上何家洲至江心洲心灘頭部的沖刷和心灘右汊分流比的異常增大。在工程研究階段，已明顯出現(xiàn)心灘的沖刷后退跡象，伴隨著是牛屯河邊灘灘尾的顯著淤積下延和心灘右汊分流比的增大，這些變化是明顯不利于江心洲心灘過渡段航槽穩(wěn)定及心灘過渡段與上游馬鞍山公路大橋橋區(qū)航道及下游小黃洲過渡段航道的平順銜接的。在2013年初，作為江心洲心灘過渡段右邊界的上何家洲至江心洲心灘低灘平均高程在-6～-10 m左右，輔以一定的工程措施，模型試驗預計是能較好實現(xiàn)穩(wěn)定過渡段目標的；及至2015年工程進入設計階段時，上何家洲至江心洲心灘低灘高程已降低至-12～-15 m，航道整治工程又涉及防洪、環(huán)保等原因，無法大規(guī)模的恢復邊灘，導致工程對心灘右汊的限制作用減弱，對心灘過渡段的沖刷作用力度也有限，致使工程實施后，起到了穩(wěn)定過渡段，穩(wěn)定灘槽的目標，但對工程前已形成的不利分流格局，改善效果不大。

(3)部分新結構設計不成熟，使用效果不理想。

首先是增加坡內(nèi)排水的水平排水管使用，效果不理想。從對一期護岸多次崩塌的原因分析及其他護岸成敗總結看，地下水滲透是影響護岸重力穩(wěn)定性的一個重要因素，而江心洲心灘護岸沉積時間短，岸坡抗沖性差，也存在一定的排水問題，因此，在護岸設計中特別注重排水設計，在設置了盲溝排水、明溝排水的同時，也在坡面高差相對較大的區(qū)段設計了水平排水管排水。但從實際施工后效果看，由于水平排水管管徑偏下，積水效果較差，同時，經(jīng)歷一個洪水期后，水平排水管出口堵塞嚴重，難以起到有效排水效果。其次是在曹姑洲心灘護岸左緣為了對抗排邊緣沖刷，采用了雙層排設計。但從實施過程看，雙層排在施工過程中明顯增加的施工工作量，且施工過程控制難度很大；從實施后實際工程效果看，雙層排實施后，排邊緣沖刷依然存在，且與未實施雙層排工程區(qū)對比，防沖刷變形效果不明顯。

4.3 幾點認識

(1)航道整治工程方案設計應充分把握河段演變歷史及演變趨勢，把握重點問題，選準工程部位及時機，以期工程在自身穩(wěn)定的條件下，實現(xiàn)整治目標。

(2)工程結構設計應充分了解影響穩(wěn)定的內(nèi)因和外因，有針對性的開展細部設計，盡可能的消除或減弱影響穩(wěn)定的不利因素，確保結構總體穩(wěn)定。

(3)在當前“共抓大保護，不搞大開發(fā)”的長江經(jīng)濟帶總體建設要求的前提下，航道整治前期研究及工程設計時需樹立綜合治理的理念，特別重視航道整治與生態(tài)保護和修復的結合，認真調(diào)研，與有關各方進行溝通，重視各方意見，提出兼顧各方利益的方案；并對工程實施后產(chǎn)生的長遠影響作出分析與預測，避免產(chǎn)生不利影響，也需避免由于外部因素影響而錯過航道整治最佳時機。