大馬洲水道演變特點與丙寅洲守護方案研究

趙志舟，彭 凱，高辰龍，曾 濤，徐 銳

(1. 重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶 400074； 2. 長江重慶航運工程勘察設(shè)計院， 重慶 401147)

大馬洲水道為長江中游著名的重點礙航淺水道，近年來受三峽水庫運行及上游監(jiān)利水道河勢演變的影響，水道深泓擺動幅度較大，并導(dǎo)致較長岸線形成崩退的陡坎形態(tài)。為滿足航道條件要求，并抑制大馬洲水道目前尚且較好的灘槽格局向不利方向變化的趨勢，擬實施大馬洲水道航道整治工程。護岸工程范圍與護底排長度是工程設(shè)計的重點[1-2]，有必要對丙寅洲水道的演變規(guī)律進行研究，并通過河工模型優(yōu)化護底排長度。通常，一般的護岸工程多守護至灘頂，但丙寅洲上段橫向分布有外灘與高灘兩個灘面平均高差約2.5 m、高程不連續(xù)的灘面，灘面上水流條件、植被覆蓋情況差異明顯，低灘灘面是否需要守護以及采用何種守護措施是設(shè)計亟待解決的重要問題，而以往的灘面守護方案研究多針對高程較低的邊灘或心灘[3-4]，因此必須對丙寅洲河漫灘護岸與灘面的銜接位置及灘面的守護措施進行研究。

1 河段概況

1.1 河勢特征

圖1 窯監(jiān)-磚橋河段2010年河勢Fig.1 River regime of Yaojian-Zhuanqiao reach in the Yangtze River in 2010

窯監(jiān)-磚橋河段位于長江中游的下荊江河段。上游窯監(jiān)河段屬兩頭窄中間寬的彎曲分汊型河段，下游大馬洲水道、磚橋水道為單式彎曲河段(見圖1)。大馬洲河段與監(jiān)利河段并稱為窯監(jiān)大河段，監(jiān)利水道江心烏龜洲將河道分為左右兩汊，目前右汊烏龜夾分流比穩(wěn)定在90%左右，但分汊口門及烏龜夾內(nèi)灘槽形勢很不穩(wěn)定，并引起下游大馬洲水道深泓擺動、灘槽形態(tài)調(diào)整。

大馬洲-磚橋河段中枯水平面形態(tài)由兩個平順銜接的反“S”型組成，分別為大馬洲水道和磚橋水道。上游“S”河段彎曲度較小但順直段相對較長，下游“S”河段彎曲度較大。右岸中上段為丙寅洲大邊灘，上起監(jiān)利右汊出口右岸順尖村，經(jīng)天字一號至徐家檔；進口左岸有太和嶺磯頭突入江心，太和嶺至窯灣再至集成一帶為大馬洲邊灘。丙寅洲與大馬洲兩邊灘演變劇烈，對航道條件影響明顯。磚橋水道岸線相對順直，左岸有加固護岸，右岸為較穩(wěn)定的土質(zhì)陡坡，只在枯水期上下兩彎道凸岸出露小面積邊灘。

大馬洲水道進口太和嶺處中枯水期河寬約750 m，磚橋水道進口約800 m，河道橫斷面為“V”型；大馬洲中間段河寬約1 000 m，斷面呈“W”型，有心灘存在。

1.2 丙寅洲河漫灘特征

橫嶺對岸丙寅洲上游河漫灘灘面坡頂高程范圍為27.8～31.2 m，該段護岸長約1.6 km，典型橫斷面見圖2(a)，臨近江心側(cè)為灘面高程相對較低(27.8～29.5 m)、寬度約80 m的低灘，前緣坡高約5 m；高灘灘面高程為30.5～31.2 m，低灘與高低灘面間浪坎高約1 m。

橫嶺以下丙寅洲低灘灘面逐漸升高與高灘平，河漫灘灘面坡頂高程約30.2～32.0 m，前緣陡坎接近10 m，典型橫斷面見圖2(b)。該段護岸長約1.9 km，崩退較嚴重，以條崩為主，后緣崩高1～2 m，條寬0.5～1.0 m，年崩退約5～10 m。

(a) 上游段典型斷面 (b) 中下段典型斷面圖2 丙寅洲河漫灘橫斷面Fig.2 Cross-sections of the Bingyinzhou floodplain

低灘平灘流量接近20 000 m3/s，2007年監(jiān)利站大于此流量的天數(shù)為56 d；高灘平灘流量約28 900 m3/s，2007年監(jiān)利站大于此流量的天數(shù)為18 d。低灘上流速明顯大于高灘，部分區(qū)域流速大于2.0 m/s。低灘灘面上也有植被覆蓋，但汛期經(jīng)過長期浸泡，植物枯萎。

1.3 水文、泥沙

三峽水庫蓄水前，本水道水沙年內(nèi)分配不均勻，來水來沙主要集中在汛期(5—10月)，最大流量出現(xiàn)在主汛期7—9月，占全年的45.36%，其中以7月份最大，占全年的16.72%，最小流量出現(xiàn)在12月至次年3月，以2月水量最小，僅占全年的2.75%；沙量年內(nèi)分配與水量分配規(guī)律相似，汛期沙量占全年的90.32%，最大來沙量發(fā)生在7月份，占全年的27.09%，最小出現(xiàn)在2月份，占全年的0.66%。

三峽水庫蓄水以來，除2006年特殊水文年以外，監(jiān)利站的來水量變化不大；但來水過程有所改變，10月份水庫蓄水時出庫流量陡減；1—4月份下泄流量增大，而6—9月份水庫基本處于敞泄狀態(tài)，流量與建庫前相比基本不變。來沙量大幅度減少，蓄水前監(jiān)利站多年平均含沙量為1.063 kg/m3，2003—2010年平均含沙量為0.247 kg/m3，下泄水流挾沙將長期處于次飽和狀態(tài)。

1.4 河床組成

該河段河床主要由粉質(zhì)黏土、砂黏土和細砂組成，卵石層在床面以下埋藏較深，河床表層床沙中值粒徑0.10～0. 22 mm。三峽水庫運行期，監(jiān)利站床沙組成隨著河道沖淤變化呈粗化現(xiàn)象，河床質(zhì)中值粒徑由2003年的0.154 mm變化至2008年的0.238 mm。丙寅洲灘面為厚度10.1～15.0 m的松散～稍密粉細砂，容許承載力f=110 kPa，下部為中密粉細砂，灘面表層僅覆蓋薄層粉質(zhì)黏土，其d50為0.044 mm。

2 河床演變

2.1 歷史演變

2.1.1窯監(jiān)水道 窯監(jiān)水道1945年已基本形成了近期彎曲分汊的河勢，演變主要特征為主支汊的周期性易位。演變過程主要分為以下幾個階段[5]：①1945—1971年，左汊穩(wěn)定發(fā)展，右汊淤積衰退，烏龜洲與右岸相連形成完整的凸岸邊灘，河道基本上呈現(xiàn)單一彎道型態(tài)；②1971—1975年，1971年汛后左岸上邊灘下移，與烏龜洲頭低灘連成一體，將左汊口門堵塞，下游上車灣裁彎新河經(jīng)疏浚拓寬后發(fā)展迅速，有利于右汊迅速發(fā)展，烏龜夾發(fā)展成主汊；③1975—1989年：1975年汛后由于退水過程持續(xù)時間較長，烏龜洲頭切割形成新槽并發(fā)展北移，枯水期主流擺回左汊，右汊萎縮；④1989年以來，烏龜夾再度發(fā)展為主汊，左岸下段不斷崩退，烏龜洲下段淤積并向左發(fā)展，河道坐彎，阻力逐漸加大。至1989年，再次形成兩汊爭流局面。1994年汛后，左汊衰退，右汊分流比超過70%，已穩(wěn)居主汊地位至今。

2.1.2大馬洲水道 大馬洲水道河道形態(tài)及航道條件直接受到窯監(jiān)河段變化的影響。監(jiān)利出口主流的頻繁易位直接導(dǎo)致大馬洲主流不穩(wěn)定，灘槽格局變化大，加之大馬洲水道中間順直段較長，左右岸分別為大馬洲和丙寅洲沙質(zhì)邊灘，易于切割沖蝕，主流有較大的擺動空間，因此灘槽易變，航道條件不穩(wěn)定，歷史上多次出現(xiàn)出淺礙航。

①1945—1971年：50年代初期，河床寬淺，3 m等深線散亂，無明顯深槽。1958年枯水主槽呈反“S”微彎形態(tài)，主槽由烏龜洲左汊過渡至右岸順尖村位置，中間過渡至左岸橫嶺村，出口段由左岸過渡至右岸朱家港。1959年中間段彎頂位置由橫嶺村下移至沙家邊，出口彎頂由朱家港下移至天字一號。1960年后航槽穩(wěn)定少變。②1971—1975 年：烏龜夾短暫發(fā)展成主汊，大馬洲河段形態(tài)調(diào)整時間短，河道寬淺，中段3 m線不貫通，航道條件較差。③1975—1989年：1981年11月大馬洲水道河道形態(tài)與1959年底相似，深泓由烏龜洲左汊出口折向丙寅洲上邊灘，中段折向左岸橫嶺村，出口段折向右岸天字一號(圖3(a))。80年代中期，太和嶺岸線發(fā)生較大幅度的崩岸，大馬洲水道進口漸彎曲，大馬洲水道由原“S”型轉(zhuǎn)變?yōu)閱我晃澢矫嫘螒B(tài)，彎頂位于右岸李家嘴至天字一號位置(圖3(b))。④1989年烏龜夾再度發(fā)展為主汊，大馬洲水道平面呈反“S”微彎形態(tài)，入口段與烏龜夾平順銜接，航道條件相對較好。

(a) 1981年1月測圖(測圖水位： 1.44 m) (b) 1987年1月測圖(測圖水位： 1.17 m)圖3 大馬洲水道河床歷史演變Fig.3 Historical evolution of the Damazhou waterway in recent years

2.2 近期演變

三峽水庫蓄水后，壩下河段發(fā)生了較為明顯的河床沖刷和調(diào)整[6]。窯監(jiān)河段以沖刷為主，洲頭心灘與江心洲右緣崩退，2003年9月至2008年9月窯監(jiān)河段河床總沖刷量640萬m3。為鞏固以烏龜夾為主汊的分汊格局，2009年4月開始對烏龜洲洲頭、右緣及洲尾進行守護處理(見圖1)，2009年2月至2012年2月窯監(jiān)河段河床演變?nèi)砸詻_刷為主，共沖刷406萬m3。

窯監(jiān)至磚橋水道近期深泓線變化見圖4，烏龜夾上段深泓2012年相比2002年左移約500 m，深泓逐漸貼近左岸，對太和嶺的頂沖作用增強(圖4)。

圖4 窯監(jiān)-磚橋水道近期深泓線位置變化Fig.4 Evolution of thalweg position of Raojian-Zhuanqiao waterway

(a) 2003年4月測圖(測圖水位： 3.78 m)

(b) 2010年3月測圖(測圖水位： 2.24 m)

太和嶺磯頭挑流作用增強，大馬洲水道進口更加彎曲，主流挑向丙寅洲中部。2008年以來由丙寅洲中部折向左岸大馬洲的頂沖點位置逐漸下移(圖4)，航道過渡段彎曲半徑減??；同樣出口彎道右岸頂沖點也下移至何家湖位置。

(c) 2012年2月測圖(測圖水位： 2.00 m)圖5 大馬洲水道近期河床演變Fig.5 Riverbed evolution of Damazhou waterway in recent years

隨著深泓線的擺動，處于太和嶺挑流下游掩護區(qū)左岸苗嶺至橫嶺一帶邊灘、凸岸丙寅洲上邊灘、天字一號出口邊灘淤積。處于凹岸的丙寅洲中部、大馬洲沖刷(圖5)，大馬洲0 m線退至護岸岸線位置。2010年與2003年的測圖對比，與太和嶺正對的丙寅洲上邊灘外展320 m，中部邊灘后退300 m；洲尾邊灘淤寬淤長，并被切割成心灘，到2010年成0 m線寬約180 m，長約1 000 m的狹長型心灘(圖5(b))。李家咀心灘2012年下移至黃家潭位置(圖5(c))，原C-C斷面心灘灘面刷低約1 m(圖6(c))，心灘左側(cè)淤積，心灘右槽3 m線有貫通的趨勢。下游何家湖深槽河床形態(tài)則相對穩(wěn)定(圖6(d))。

(a) A-A橫斷面 (b) B-B橫斷面

(c) C-C橫斷面 (d) D-D橫斷面圖6 大馬洲水道近期橫斷面變化Fig.6 Cross-sectional variation of Damazhou waterway in recent years

3 模型設(shè)計與驗證

3.1 模型設(shè)計

采取λL=λH=80正態(tài)局部推移質(zhì)動床模型，丙寅洲中段近年處于沖刷的態(tài)勢，丙寅洲上游段低灘灘面流速明顯大于下段，該區(qū)段守護工程最可能遭受水毀，因此局部物理模型上起草場灣、下距護灘工程下游終點約900 m。橫向左側(cè)邊界位于江心主泓、距離右岸0 m線約380 m，右側(cè)邊界距離陡坎前緣約250 m。局部模型模擬的原型河段范圍長約2 400 m，寬約700 m；局部模型水槽長30 m、寬8.8 m，見圖7。

圖7 丙寅洲守護工程及局部模型范圍Fig.7 Regulation layout of Bingyinzhou floodplain and local model range

天然沙起動流速用武水公式，模型沙起動流速采用重慶模型公式[7]：

圖8 2008年監(jiān)利站流量過程線及概化Fig.8 Average discharge and generalized curves of Jianli station in 2008

上式計算結(jié)果為與王延貴公式[8]相近，選γs=1.33 t/m3的榮昌精煤作為模型沙。主槽模型沙粒徑約0.1～0.2 mm，灘面模型沙粒徑0.1～0.3 mm，起動流速比值與流速比尺值接近。粒徑大于0.1 mm的粉煤灰其起動流速、干重度隨時間變化很小[9-10]，為了保證起動相似，在鋪制地形前用5%六偏磷酸鈉溶液充分浸泡模型沙，使之完全分散，增加其親水性，在沙體中無結(jié)塊現(xiàn)象；地形鋪制完畢后，即盡快放水試驗，避免板結(jié)對泥沙起動的影響。

2008年水沙過程與三峽水庫175 m正常蓄水后的水沙過程較為接近，2007年監(jiān)利站洪峰流量較大，因此模型選擇2008+2008+2007三年來水條件作為系列年進行沖刷試驗，對護底排前緣主槽河床及灘面的沖刷趨勢進行對比分析。2008年水沙概化試驗過程見圖8。

3.2 試驗控制與驗證

根據(jù)數(shù)學(xué)模型計算確定局部模型河槽內(nèi)流量，通過調(diào)整左側(cè)可動邊界、進口導(dǎo)流屏，以滿足5 280，28 900，46 300 m3/s各級流量下橫斷面流速大小、方向與本河段數(shù)模計算結(jié)果相近的要求。模型設(shè)計為清水推移質(zhì)局部動床模型，施放2008年流量過程后近岸主槽河床刷深約1.0 m，圖6(c)表明2010年至2012年C斷面(平面位置見圖1)近岸主槽河床刷深約1.5 m，模型沖刷幅度與原型接近。驗證結(jié)果表明，模型相似性滿足相關(guān)要求。

4 天然情況下水流特征

枯水流量為5 280 m3/s時，主泓流速1.2～1.3 m/s；整治流量7 000 m3/s時，主泓流速1.3～1.4 m/s，近岸流速約0.5～0.6 m/s。平灘流量Q=28 900 m3/s時主泓流速為2.4～2.6 m/s，原枯水岸線位置流速約1.6 m/s。漫灘流量Q=35 000 和40 000 m3/s時，主泓流速分別為2.8和3.0 m/s。

中洪水流量下丙寅洲上游段外灘(低灘)、中下段高灘灘面上水流條件見表1。

表1 各級流量下CS7斷面灘面上水力特征Tab.1 Hydraulic characteristics of floodplain surface of CS7 section under different discharges

丙寅洲灘面上流速沿縱向逐漸減小，如Q=40 000 m3/s丙寅洲灘頂邊緣CS5～CS7斷面流速為2.2～2.6 m/s(圖9)，CS9斷面流速為1.6 m/s，CS11下游約0.4～0.6 m/s。CS7上游外灘灘面水流斜向江心，流向左偏約3°，CS9斷面下游高灘灘頂邊緣流速與岸線基本平行。

圖9 局部模型流速分布(Q=40 000 m3/s)Fig.9 Velocity distribution in the local model (Q=40 000 m3/s)

5 守護方案試驗

5.1 守護方案布置

5.1.1工可方案 枯水平臺位于航行基面上4.4 m等高線位置，枯水平臺以下為水下軟體排護底和水下拋石鎮(zhèn)腳；枯水平臺以上為斜坡式護坡、或斜坡式護坡和擋土墻組成的混合護坡結(jié)構(gòu)。水下護底從枯水平臺開始向河心沉放D型排，沉排寬度100 m，D型排上拋石厚1 m，排體外側(cè)20寬的防沖石厚度為1.5 m。

5.1.2初設(shè)方案 丙寅洲守護初步設(shè)計方案平面布置見圖7。在工可方案基礎(chǔ)上，將護底排前緣延伸至枯水岸坡坡腳，其中上游起點至K0+550斷面沉排寬120 m，K0+650～K1+800斷面寬150 m，K1+800～K3+100斷面寬200 m，下游至K3+230斷面寬度過渡至120 m。

目前大馬洲水道朱家港河段江心心灘發(fā)育，右汊有發(fā)展的趨勢，因此在K2+000～K3+000位置的護底排上再拋設(shè)縱向間距為200 m、高度為1 m的6道石梗構(gòu)成段丁壩群。

5.2 護底寬度試驗

5.2.1水流條件變化 工可方案護底排頭等位置處的特征流速見表2，隨著流量的增加各測點流速逐漸增大，Q=40 000 m3/s時排頭最大流速為CS9斷面2.56 m/s，坎頂最大流速為CS7斷面1.97 m/s。

與工可方案相比，初設(shè)方案僅增加了D型排護底的寬度20～50 m，兩方案間的水位、流場分布的變化不明顯。由于D型排的排頭往江心方向伸出，排頭位置表面流速比初步方案略有增大，漫灘流量40 000 m3/s時下段CS13～CS15斷面約增加0.35 m/s，平灘流量28 900 m3/s時下段CS13與CS15斷面分別增加0.11和0.18 m/s，Q≤7 000 m3/s時增大約0.10～0.15 m/s。但與工可方案相比，Q=40 000 m3/s時初設(shè)方案CS7～CS11斷面排頭處的表面流速與起動流速的比值有所減小，最大值由4.56降低至4.38，下段CS13～CS15斷面位置的則有所增加，最大值由3.50增加至4.02。

表2 工可方案特征點表面流速Tab.2 Surface velocity of feature points of the feasibility study scheme (m· s-1)

5.2.2河床沖淤變化 連續(xù)施放2008+2008+2007三年來水過程后，工可方案沖刷結(jié)果表明，主槽沖刷幅度大于排頭區(qū)域，丙寅洲橫嶺對岸上游段排頭沖刷的深度大于下段。上段主槽河床刷低約3.5 m，CS12斷面上游排頭位置刷低約1.5 m，CS12下游刷低約0.8 m。排頭有懸掛現(xiàn)象，懸掛的排體長約2 m(圖10)。

初設(shè)方案主槽沖刷總體趨勢與工可方案相同。CS11斷面上游主槽河床刷低值較大，CS10斷面沖刷約3.8 m；下游段主槽河床刷低值較小，CS13斷面沖刷約2.0 m。與工可修改方案相比，CS10橫斷面主槽沖淤變化不大，CS13橫斷面刷低約0.2 m(圖10)。

(a) CS10 (b) CS13圖10 大馬洲水道橫斷面地形變化Fig.10 Cross-sectional variation of Damazhou waterway

僅從護岸工程的穩(wěn)定性角度看，橫嶺以下丙寅洲高灘段余排長度可適當(dāng)減短。但2010年3月至2012年3月，圖1中B、C橫斷面中間的K3+000斷面(見圖7)位置，近右岸0 m線寬約300 m范圍床底由2 m刷深至約5 m，對近岸200 m寬度范圍進行護底，增加丙寅洲下段余排長度，兼有抑制朱家港河段右汊發(fā)展的目的。

試驗表明備填石厚度的增加對排體邊緣的穩(wěn)定有利，在增加排緣壓載厚度的基礎(chǔ)上，建議應(yīng)進一步加大對排體邊緣和接縫處的守護力度，可拋四面六邊透水框架群，減緩護灘帶邊緣流速，促進泥沙淤積以增強守護效果。

5.2.3丙寅洲下段6道石梗的整治效果分析 為了解6道石梗對水流條件的影響，在局部模型K1+200#，K1+400#， K1+600#位置布置了3道長度與D型排護底寬度相同、高度為1 m的石梗，進行對比試驗。石梗對主槽流速的調(diào)整作用較弱，枯水流量時主槽流速增加值多接近或小于0.05 m/s；在平灘流量時，距離石梗壩頭大于90 m的主槽區(qū)域流速有所增大，最大增加值約0.05～0.10 m/s，主流方向無明顯變化。

5.3 灘面守護試驗

5.3.1初設(shè)方案無灘面守護時沖刷情況 將低灘部分視為沒有植被覆蓋，模型鋪設(shè)粒徑0.2～0.3 mm的模型沙；高灘灘面植被茂密，將主槽與高灘灘面按定床處理。根據(jù)河勢特征與試驗?zāi)康?，模型選擇2007年作為特征水文年，最大洪峰流量為37 000 m3/s。為了充分考慮洪峰流量對灘面沖刷的影響，施放40 000 m3/s大洪水流量2 h，試驗結(jié)果與2007年平均洪峰過程沖刷范圍相近，但沖刷幅度略有增加：初設(shè)方案CS7～CS10斷面外灘灘面上流速大于0.8 m/s的區(qū)域發(fā)生明顯沖刷，平均沖刷深度約1.5 m；CS10～CS16斷面靠近坎頂邊緣寬約5～20 m范圍的灘面略有刷低；CS16～CS17斷面高灘護坡結(jié)構(gòu)坎頂邊緣形成寬約5 m、深約0.8 m的沖刷溝。

5.3.2丙寅洲上段外灘灘面守護 對于外灘沖刷區(qū)域，局部模型進行了60～80 m不同間距下散拋片石或護底排加散拋片石壓重的不同結(jié)構(gòu)護灘帶的守護效果試驗，試驗表明護灘帶間距60 m較為適宜，但護灘帶附近仍有明顯的沖刷坑形成，沖刷坑最大深度約2.5 m；護灘帶采取寬度為8 m、護底排加散拋片石壓重結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性相對較好。

低灘灘面沖刷區(qū)采取加筋三維網(wǎng)墊生態(tài)護灘的方案，對局部流場的干擾小，灘面守護效果較好；且可促進泥沙淤積形成自然坡面，改善生態(tài)環(huán)境。

5.3.3丙寅洲中下段護坡頂與灘面銜接處理 河漫灘護坡一般守護至灘頂，灘頂與灘面銜接位置容易產(chǎn)生局部沖刷，為防止守護工程水毀，在銜接區(qū)灘面散拋橫向?qū)挾葹? m的片石，試驗表明其守護效果較好。

6 結(jié) 語

窯監(jiān)水道整治工程穩(wěn)定了分汊格局，但其出口太和嶺節(jié)點形態(tài)對大馬洲水流動力軸線的擺動影響明顯，洲灘形態(tài)、航槽位置也會發(fā)生相應(yīng)變化。本次航道整治設(shè)計方案重點是守護丙寅洲與大馬洲崩岸，仍不足以維護枯水河勢及航槽穩(wěn)定，建議大馬洲河道由“S”型演變至單一彎道時，再進一步采取措施穩(wěn)定有利河勢。

由于丙寅洲初設(shè)守護方案護底排頭前伸接近主槽位置，護底效果優(yōu)于工可方案。丙寅洲上段外灘灘面部分若沒有植被覆蓋，或施工過程中灘面上的植被受到破壞，灘面粉沙易受沖刷，應(yīng)采取適宜的灘面守護工程措施。

參 考 文 獻：

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