大馬洲水道丙寅洲護岸結構型式研究

高辰龍

摘 要：本文結合大馬洲河段河床演變特點、工程地形地質條件、已有護岸結構形式的研究，通過試驗研究，提出了既能實現高灘守護，同時又能適當調整水流的護岸型式，可應用于工程實際。

關鍵詞：大馬洲水道 丙寅洲高灘守護工程 護岸結構

工程概況

大馬洲水道位于長江中游的下荊江河段，為單一彎曲型河道，太和嶺及天字一號為兩個彎道彎頂點位置，兩彎道之間銜接段為順直段，長度約為6km。受上游窯監(jiān)河段復雜的出口水流條件影響，該河段洲灘變化較大，岸線彎曲、不穩(wěn)定。右岸丙寅洲上起監(jiān)利右汊出口順尖村，經天字一號至徐家檔；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，窯灣至集成之間有一條長江故道（1969年上車灣人工截彎取直后改走新河，即下游磚橋水道）；丙寅洲與大馬洲兩邊灘演變劇烈，對航道條件影響明顯。

三峽蓄水前大馬洲水道表現出典型的順直河型交錯邊灘平行移動的變化特點，河道內主流的走向及過渡形式隨著灘體的移動發(fā)生明顯的調整。1989年～2003年三峽蓄水前，長江上游來沙減小，大馬洲水道入口主流總體穩(wěn)定、平順。三峽水庫蓄水以來，大馬洲水道有沖有淤，沖淤總量基本平衡。沖刷的部位主要為：太和嶺磯頭內深槽和左岸坡、太和嶺磯頭—右岸丙寅洲中部邊灘—左岸沙家邊一帶、丙寅洲下邊灘已護岸線內側、大馬洲下邊灘；淤積的部位主要為：丙寅洲上邊灘，廟嶺至橫嶺一帶邊灘、左岸沙家邊向右岸黃家潭過渡帶。從沖淤沿程分布來看，沖淤明顯的表現出中洪水主流流路上灘體大幅沖刷，主流帶以外的灘體相對較為穩(wěn)定甚至略有淤積的變化特點，其沖淤分布圖見圖1。

大馬洲水道的演變與上游窯監(jiān)河段的河勢變化關系密切，窯監(jiān)河段烏龜洲右緣在蓄水以后開始逐年崩退，但由于種種原因，2009年底實施的窯監(jiān)河段航道整治一期工程僅對烏龜洲右緣上段進行了守護，下段仍逐年崩退。這使得窯監(jiān)河段出口，也即大馬洲水道進口左岸的太和嶺磯頭逐漸凸出于江中，將主流挑向對岸丙寅洲高灘的作用不斷增強，丙寅洲高灘隨之大幅崩退，繼而引起了主流深泓的大幅擺動，原本較為優(yōu)良的灘槽形態(tài)迅速惡化，淺灘形態(tài)交錯發(fā)展，航道條件較蓄水初期明顯變差。

目前烏龜洲右緣雖已進行了全線守護，但大馬洲水道的不利局面已然形成，因此，長江中游荊江河段航道整治工程擬對丙寅洲一帶3269m的高灘岸線及大馬洲一帶2850m一帶高灘岸線進行守護，同時對大馬洲一帶1813m已護岸線進行加固（圖2）。

從工程平面布置及河道內水沙運動特性來看，丙寅洲一帶高灘是控制大馬洲水道過渡段航道寬度的右邊界，也是大馬洲水道水流折返頂沖的起點，同時近期貼岸深槽表現出了較為明顯的沖刷發(fā)展，加之其自身岸坡穩(wěn)定性較差。無論從確保工程治理效果及自身穩(wěn)定而言，相較一般護岸均提出了更高的要求，故而有必要丙寅洲高灘守護工程的結構型式設計進行深入的優(yōu)化研究。

工程部位地形及地質條件分析

大馬洲河段位于長江中游，屬于長江中游河床、江心洲、河漫灘地貌，兩岸修有長江干堤，參見河勢圖。丙寅洲高灘位于右岸，岸坡走向近南北，坡頂高程27.8～31.2m，水面線以上坡高6～12m，坡角一般10°～20°，局部因崩岸岸坡近直立。由于岸坡均為砂層，且未治理，擬護坡自上游向下游約1350米段地形坡度較緩，加上分布有外灘，枯水期出露，坡高一般3～6m，崩岸較輕微，主要為浪坎，坎高1m左右。以下1920m段岸坡坡高一般7～12m，崩岸以條崩為主，后緣崩高1～2m，條寬0.5～1m，年崩退約5～10m。丙寅洲高灘整體坡度較陡，崩岸嚴重，穩(wěn)定性較差。從工程區(qū)域地質鉆孔情況來看，工程區(qū)內揭露的地層主要為第四系全新統(tǒng)（Q4al）沖積層。丙寅洲高灘岸坡地層為砂性土，上部為松散～稍密粉細砂，下部為中密粉細砂。整體地質組成較為松散，抗沖刷能力差。

護岸結構研究

1、陸上護坡結構研究

護岸形式一般分為坡式護岸、壩式護岸、墻式護岸、樁式護岸和生物護岸等，其中坡式護岸由于土方開挖量較大且對生態(tài)影響較大，而由于工程區(qū)域地質條件的限制，壩式護岸、墻式護岸、樁式護岸和生物護岸結構形式都不適合。根據現場踏勘，高灘守護上段斷面岸坡較為平緩，采用斜坡式守護（見圖3）開挖量較小，而高灘守護下段岸坡較陡，坡頂存在一定高度的浪坎，為了減少開挖，可將該段岸坡采用坡頂部擋土墻和下部斜坡式組成的混合式護岸。但由于丙寅洲高灘守護區(qū)域岸坡上部土層為粉細砂，容許承載力僅為110kPa，從結構穩(wěn)定性出發(fā)，將擋土墻高度設為3m。從水土保持和減少植被破壞角度出發(fā)：中段斷面間為混合式護岸（岸坡底部為斜坡式護坡，頂部為3m擋土墻護坡，（見圖4））較斜坡式守護每延米可減少3.02m3的土方開挖量，即總開挖量減少為3228m3；另外每延米可減少了植被破壞寬5.51m，即總減少植被破壞面積為5890m2。

2、陸上護坡坡頂后方灘面守護結構研究

為增強陸上護坡坡頂后方灘面抗沖性能，優(yōu)化工程效果，通過多種工況下的灘面進行抗沖效果試驗研究，重點研究植被、護灘帶間距、加筋三維網墊等影響因素對灘面抗沖效果的影響。試驗表明低灘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，灘面粉沙容易沖刷，護坎上段外灘在40000m3/s大洪水流量下流速大于0.8m/s的區(qū)域灘面發(fā)生明顯沖刷，宜采取灘面守護工程措施。不同護灘帶間距的對比試驗表明，護灘帶采取寬度為8m、護底排加散拋片石壓重結構穩(wěn)定性相對較好；護灘帶間距為60m較為適宜，但護灘帶附近仍有明顯的沖刷坑形成；低灘灘面沖刷區(qū)采取加筋三維網墊生態(tài)護灘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。守護效果圖見圖5。因此，采取加筋三維網墊對陸上護坡坡頂后方灘面進行守護，其工程布置區(qū)域見圖6。

3、余排寬度試驗研究

本項試驗重點考慮D型排守護范圍，研究不增加D型排護底的寬度方案和將D型排護底的寬度加大的兩種工況。試驗結果表明，增加的余排長度引起的兩方案間的水位、流場分布無明顯變化。汛期漫灘流量40000m3/s時，增加D型排護底寬度方案排頭處的表面流速與主槽床沙的起動流速的比值有所減小，排頭附近的沖刷程度應略有降低。動床試驗成果表明：對于增加D型排護底的寬度方案，由于排頭前伸接近主槽位置，汛期漫灘流量下的流速與床沙起動流速的比值略有減小，加之岸坡橫向坡度減緩，排頭沖刷坑形成后備填石的穩(wěn)定性相對較好，排頭懸掛長度減小，增加D型排護底的寬度的護底效果優(yōu)于不增加方案，排體的寬度較為適宜。由于中下段受水流頂沖比較嚴重，同時也是控制主流的關鍵部位，對其水下護底進行加寬至300m，其工程布置區(qū)域見圖6。

4、排上拋石棱體試驗研究

為增強水下護底排對主流的控制作用，優(yōu)化工程效果，對護底排排上拋石進行局部加厚形成棱體，本文對不同棱體高程的多種工況進行試驗研究，重點關注拋石棱體群對水流條件及河勢的影響。試驗表明，在拋石棱體根部約60m長度的掩護區(qū)，護灘工程坡腳處流速有所減小，對維護坡腳穩(wěn)定有利。在棱體的高程方面，隨著高度的增加，棱體壩根附近流速逐漸增大，對護灘工程穩(wěn)定性不利。因此將拋石棱體高度為1m較為適宜，其工程布置區(qū)域見圖6。

結論

對坡度較陡的灘緣，陸上護坡采用直立與斜坡混合的護坎結構，在確保工程穩(wěn)定的同時，也能避免大幅度的岸坡開挖。

由于大馬洲水道的主流已經發(fā)生明顯的不利調整，水下護底應加強對水流的控制力度，因此，對護岸工程中下段的水下護底進行加寬，并在加寬區(qū)域對拋石壓載進行局部加厚，形成拋石棱體。

由于丙寅洲高灘上段高程較低，在大洪水流量下，該區(qū)域陸上護坡坡頂后方的灘體將過流，流速較大區(qū)域會發(fā)生明顯沖刷，對此，在灘面沖刷區(qū)采取加筋三維網墊生態(tài)護灘，對局部流場的干擾小，且能促進植被恢復，灘面守護效果較好。

（作者單位：重慶交通大學）