长江下游江心洲河段航道整治工程经验总结

程小兵，刘晓菲

(交通运输部天津水运工程科学研究所 工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456)

分汊型河段是冲积平原河流中一种常见的河型,在长江中下游河道中普遍存在。 据统计,长江中下游城陵矶至徐六泾段分汊河道汊道段总长906.2 km,占河段全长的69.5%。受长江三峡枢纽及上游水库群联合运行的影响，长江航道水沙条件和演变发生了深刻变化，对于长江下游分汊河段来说，主要表现为滩槽格局调整剧烈、航道条件难以长期稳定[1-5]。对于分汊河段的治理来说，主通航汊道的选择和整治时机、关键整治部位的选择是整治成功与否的关键。在江心洲河段航道整治工程实施过程中，采用了多种手段和方法对工程设计关键问题开展了深入研究，准确定位本工程实施目标，提出的工程总体方案布置合理，采用的主要结构和工艺技术先进、选型合理，工程实施后，达到了固滩护洲，稳定航槽的整治目标。本文主要分析已建工程效果，总结工程成功经验和存在的不足，为后续航道治理和维护提供借鉴。

1 河道概况、演变特征及碍航特性

1.1 河道概况

江心洲河段位于长江下游安徽省马鞍山市境内，河段上起东梁山，下至人头矶，长约24 km。江心洲河段平面形态呈两头窄、中间宽的顺直分汊状(图1)。上端东、西梁山之间河宽1.1 km，自东、西梁山往下河道骤然展宽，中部宽达8 km，下端人头矶江宽又收缩至3.8 km。江中有彭兴洲和江心洲等将河道分成左、右两汊，最大的江心洲长度约17.5 km，最大宽度约5.3 km。河段左汊为主汊(即江心洲水道)，左汊外形顺直，长约24 km，宽约2 km，有牛屯河、姥下河、太阳河等支流汇入。右汊为支汊(习称太平府水道)，中部弯曲，长约26.8 km，宽约0.6 km，有姑溪河、采石河支流汇入。

图1 江心洲河段河势及方案布置图Fig.1 Diagram of the project layout

近30 a来，由于主流及深泓持续右摆，左岸牛屯河边滩逐渐形成并壮大，至2005年，牛屯河边滩已成长为长约12.4 km，宽约1.15 km的出水边滩，江心洲水道逐渐向相对较好的微弯形态转化。在牛屯河形成和发展的同时，处于水道中下段的江心洲心滩则持续下移，在下移的过程中，心滩面积由1989年的约55万m2，增长至2006年的239万m2左右，心滩平面形态上以1998年为界，1998年前，心滩长度增加，宽度缩小，之后则呈长度减小宽度增加趋势。

1.2 演变特性

江心洲河段左汊在1881～1931年间逐渐发展成为稳定的主汊，河中彭兴洲、江心洲逐渐淤并成型。1932～1960年间，江心洲左岸不断崩塌，江心洲水道宽度增加，进一步巩固了主汊地位，在江心洲水道内，又出现新的洲滩发育，逐渐形成目前的水道内多分汊格局。

自20世纪60年代以来，江心洲河段演变主要表现为以下特点[6-10]：(1)江中主要洲体彭兴洲、江心洲维持主体稳定，江心洲河段左汊主汊地位稳定，主汊中枯水分流比基本稳定在90%左右，两汊分流比变化不大；(2)江心洲河段主要变化表现在江心洲水道内部，较大的洪水河宽为水道内滩地发育和沙洲、心滩的发展提供了空间，较长的直段为水流动力轴线的摆动提供了可能；(3)江心洲水道深泓摆动则伴随着边滩的变化，彭兴洲—江心洲左缘的崩退、深泓的微弯为牛屯河边滩的发育壮大创造了条件，江心洲左边滩随着牛屯河边滩的发育而下移、解体(分为上、下何家洲)并形成心滩，即江心洲边滩已由上何家洲、下何家洲和江心洲心滩代替。牛屯河边滩的淤长下延和江心洲边滩的萎退是相呼应的，即此长彼消；(4)近期变化表明，牛屯河边滩至江心洲心滩河段是江心洲河段最具变化、最不稳定的河段，而牛屯河边滩、江心洲心滩的稳定是江心洲水道航道条件稳定和改善的基础边界，通过采取一定工程措施，形成一个相对完整、稳定的上、下边滩，对江心洲水道优良航道条件的保持是极为重要的。

1.3 碍航特性

一期工程实施前，由于江心洲水道过于长直(从西梁山至小黄洲头长达22 km)，主流摆动频繁，航槽也经常发生大幅度摆动，上、下深槽之间的过渡段也随之上提下挫，航道维护部门需要不断调标才能维持船舶的正常航行。在航槽摆动过程中，个别年份过渡段航道的水深也出现不足6.5 m的情况。

江心洲水道出口的小黄洲洲头航道从左至右急剧转折，几乎横越河道，形成上下两个接近90°的急弯，加之河宽狭窄，又处于多汊汇流区，流态紊乱，航行条件差，目前已设为航行管制河段，大型船舶只能单向航行。

一期工程2010年实施完成后，基本实现了限制牛屯河边滩不利发展，初步稳定江心洲河段航道条件的目标。但随着上游来水来沙时间上和空间上的变化，江心洲水道出现了新的不利变化趋势，主要表现在两个方面，一是一期彭兴洲—江心洲左缘护岸的崩塌，可能破坏江心洲水道较好的微弯岸滩形态，进而危机江心洲河段较好的航道条件；二是随着牛屯河边滩下部和江心洲心滩的冲淤变化，江心洲水道下过渡段至小黄洲头限制性航道的航道条件趋于恶化，对江心洲心滩过渡段航道稳定不利，且不利于船舶航行连续通过小黄洲过渡段、江心洲心滩过渡段及马鞍山大桥桥区过渡段。

2 已建航道整治工程概况

鉴于江心洲河段洲滩多，汊道多，河段目前处在动态调整阶段等特点，在前期研究中，针对江心洲河段确定了因势利导、综合协调、守护为主、整治结合、总体设计、分期实施的总体整治原则。江心洲河段航道整治目前已实施两期工程，重点对河段内江心洲水道内的不利演变趋势加以抑制和改变。

一期工程整治原则为守护重点，固滩护洲。对河段航道条件起控制作用的江心洲水道边滩、洲滩进行守护，稳定当时的滩槽形态，防止航道条件向不利方向发展。一期工程方案由牛屯河边滩守护工程和彭兴洲—江心洲左缘护岸工程组成。牛屯河边滩守护工程采用护滩方式进行守护，工程由3条护滩带组成，在护滩带窜沟部位抛筑锁坝，目的是抑制牛屯河边滩的冲刷后退和窜沟的发展，防止江心洲河段进口主流摆动带来的不利航道变化；彭兴洲头、江心洲头及左缘护岸工程主要对彭兴洲头、江心洲头及左缘实施护岸工程，增强江心洲水道入口右边界的稳定性。一期工程于2009～2010年施工，2012年竣工。

2015～2017年实施的江心洲河段航道整治工程是按照江心洲河段总体治理思路，结合一期工程以来的河道变化及航道存在的新问题研究分析的基础上，开展的江心洲河段总体治理中的第二阶段航道整治工程。近期江心洲水道中下段上何家洲、江心洲心滩冲刷后退，牛屯河边滩淤积下延导致航道条件有恶化趋势，且水道上段彭兴洲及江心洲左缘一期已建护岸工程多次崩退水毁[11-12]，需进行整治和加固[13]，因此实施了江心洲河段航道整治工程。

第二阶段整治工程治理思路为采取工程措施稳定江心洲水道下段滩槽格局，避免航道条件恶化，同时延续及强化一期工程效果，为后续江心洲及其下游航道持续治理打好基础。工程方案主要包含上何家洲守护工程，江心洲心滩守护工程，彭兴洲—江心洲左缘护岸加固及太阳河口护岸加固工程。上何家洲护岸工程在上何家洲设置护底带3道，同时实施上何家洲护岸，其目的是保护上何家洲低滩及岸坡，稳定江心洲水道下过渡段右边界，抑制江心洲心滩过渡段航道条件进一步恶化；江心洲心滩护岸工程主要为江心洲心滩护岸及水下延伸护底，其目的是稳定心滩滩体，从而稳定心滩过渡段边界，稳定滩槽格局；加固彭兴洲及江心洲左缘护岸则主要是延续和强化一期工程效果；加固太阳河口护岸作用是减弱和消除上何家洲守护工程及心滩护岸工程对长江江堤的不利影响。第二阶段工程于2015年底开工建设，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年交工以来，整治建筑物基本稳定，牛屯河边滩窜沟逐年淤高，整体稳定；彭兴洲—江心洲左缘护岸在工程完工后局部存在崩岸现象，经修复后维持稳定。一期工程实施主要取得以下几方面效果：(1)整治工程实施后，限制了牛屯河边滩的不利发展，稳定了江心洲水道的航道条件；(2)整治工程稳定了江心洲岸坡，稳定了河势，改善了左汊航道条件，整治后江心洲水道枯水航道尺度达到6.5 m×200 m×1 050 m的要求，且航行基面下10 m水深宽度基本在200 m以上，为实现本河段规划航道尺度打下了基础；(3)整治工程实施后，限制了本河段主流和航槽的摆动，有利于堤防的稳定和港口的发展。总体来说，一期整治工程实施稳定了水流条件，抑制了岸线的冲刷后退，达到了控制河势，稳定江心洲左汊主流，维持左汊航道条件的预期目标。

一期工程实施总体达到了预期目标，但在河床演变预测及结构设计强度上仍稍显不足。在一期工程实施前，对江心洲水道入口深槽的右摆幅度和速度估计不足，由此带来的在彭兴洲—江心洲左缘护岸设计时，护岸水下护脚守护的范围偏小、强度偏弱，导致护岸在实施中和实施后，多次出现局部崩塌现象。

3.2 江心洲河段航道整治工程(第二阶段工程)效果

江心洲河段航道整治工程实施后，航道条件维持稳定，达到了航道建设目标要求，滩槽格局基本稳定，巩固了已实施工程效果[14]。第二阶段整治工程效果如下：(1)工程实施后，航道条件维持稳定。随着上何家洲护岸及护底带工程和江心洲护岸工程的效果逐步发挥，至2017年9月7.5 m等深线向左回摆约120 m，2018年以后，过渡段7.5 m等深线的宽度稳定在700 m左右。工程实施后实现了“十二五”期江心洲河段航道建设标准7.5 m×200 m×1 050 m 目标的要求；(2)工程实施后，基本稳定了洲滩格局。工程实施后，上何家洲护底带守护区域地形有所淤积，上何家洲低滩得到较为有效的保护，稳定了上何家洲岸线；江心洲心滩护岸守护工程区有所淤积，心滩护岸工程有效的守护了心滩，抑制住了心滩头部持续冲刷的发展趋势，心滩头部基本稳定；(3)工程实施后，巩固了已实施工程效果。彭兴洲至江心洲护岸加固工程、太阳河口加固工程的实施后，两处护岸加固工程均实现了稳定目标。

总体来讲，第二阶段江心洲河段航道整治工程的实施发挥了承前启后的作用，延续了江心洲乌江河段航道整治工程的总体思路，工程实施后实现了江心洲河段航道建设标准7.5 m×200 m×1 050 m 目标的要求，也为后续航道尺度提升至10.5 m×200 m×1 050 m创造了条件。

4 经验与不足

图2 江心洲心滩过渡段工程后7.5 m等深线变化图Fig.2 Interannual variation of 7.5 m isobath in the Jiangxinzhou reach

江心洲河段航道整治两期工程的实施，基本达到了预期的航道整治效果，但工程建设中也同样存在一定的问题。

4.1 工程设计经验

(1)准确把握洲滩演变特点及其与航道条件变化的关系，是工程取得较好效果的前提。

江心洲河段的主航道为左汊江心洲水道，江心洲水道整体微弯，河型较好，但右岸边界崩岸较为严重，下段过渡段存在上、下何家洲和江心洲心滩，形成复杂分汊河型。通过对江心洲水道长时期演变特点和变化规律的分析，系统总结了复杂分汊河段分流分沙特点和滩槽演变规律，深入研究了洲滩和深槽、主流动力间的联动变化关系。在一期工程实施时，准确的把握了本河段航道变化的根本问题，对起控制作用的进口左侧边滩和右侧岸坡实施了守护，达到了稳定航道条件的基本目标。第二阶段工程时通过分析认识到江心洲河段彭兴洲头、江心洲头及其左缘受冲条件及江心洲水道深槽位置发生了明显不利护岸稳定的变化，已实施护岸工程承受了超出预期的压力，护岸工程在深槽临岸、槽深滩高的情况下，稳定性较差，存在垮塌危险，上、下何家洲和江心洲心滩处在上、下过渡段之间，这三个江心滩洲所形成的洲滩群(称为心滩滩群)一定意义上起着边滩的作用，显然，过渡段航槽的稳定取决于边滩的高大和稳定，因此，心滩滩群的稳定是该河段航道稳定的基础。在后续工程中，继续延续和强化总体治理思路，工程着重对心滩滩群实施守护工程，同时加固一期工程不稳定护岸。由于项目设计组对江心洲水道内洲滩演变的认识清晰，选择的工程区及工程措施切合实际，因此，工程实施后经历三个水文年，工程结构物稳定，总体整治效果实现了预期目标。

(2)深入分析岸坡稳定的内因和外因，有针对性的开展结构设计，是实现工程自身稳定的保证。

江心洲河段内心滩形成时间较短，岸坡土质差，稳定性差，不管是自然未护岸线还是已实施守护工程护岸，近年来均出现了较大频次崩岸问题。鉴于此，在开展第二阶段江心洲河段航道整治工程设计的同时，专题开展了一期工程护岸损毁的资料分析及理论分析，稳定性计算分析，结合水槽试验等多种手段，深入分析了彭兴洲—江心洲护岸损毁的外部原因及内部原因，并对其损毁机理做了探索研究。

分析认为，江岸岸坡稳定性，取决于两个方面，即重力稳定性和冲刷稳定性。两者之中，对于江心洲护岸来说冲刷稳定性是主导因素。就重力稳定而言，目前岸坡上部低于1∶3，下部低于1∶5的边坡是稳定的；另地下水的渗透压力是影响重力稳定的一个重要因素。冲刷稳定性是评价流水冲刷的动力作用对岸坡表层物质稳定性的影响。深槽和深泓的逼近是各种崩岸的巨大威胁。在环流作用下，水流对侵蚀岸的侵蚀作用首先发生在坡脚处。在深槽逼进的态势下，环流强烈地对侵蚀岸侵蚀下切。深槽不断发展，坡脚强烈侵蚀，是目前本河段的主要的冲蚀特点。

根据专题研究成果，在新建护岸设计和护岸加固设计中，对岸坡排水、护岸坡度、坡脚保护、岸线平顺设计、水下护底守护范围及排边防冲刷设计等方案，均根据实际情况进行了分区段设计。

实践证明，工程实施后，经历三个水文年，加固护岸工程区冲淤变化不大，工程区整体稳定，工程实施后未再出现新的水毁。新建护岸工程结构稳定，护岸实施效果良好。

(3)贯彻动态设计理念，及时、科学的开展设计变更是确保工程效果充分发挥的关键要点。

江心洲航道整治工程开工后遭遇长江下游2016年枯水期长江水位长期偏高，护岸工程枯水平台和陆上结构无施工条件，造成上何家洲护岸和江心洲心滩护岸水下护底实施完成后需间隔一个汛期后才能实施陆上工程，更加不利的是2016年汛期长江下游洪水流量大且持续时间长，造成本工程设计变更次数多、内容多。在工程工可至设计阶段，乃至工程实施期间，设计组均依据不同时期测图，强化现象分析及原因分析，有针对性的优化调整工程方案及整治建筑物结构，持续加强观测，密切关注整治建筑物变形情况，对局部变形较大的部位及时进行加固维护，保障了建筑物的稳定和整治效果的发挥。

(4)因地制宜，采用了多种生态结构和材料，在确保工程稳定的前提下，实现了航道整治效果和生态效果的双赢。

在本工程设计中，针对工程不同部位，采用了不同的生态结构，既达到了航道整治效果，也实现了生态环保效果。如在陆上护坡中，采用了钢丝网格护坡，保证了岸坡本身稳定，也保留了岸坡与河道的连通性，保留了生物通道；为防止坡顶冲刷，在心滩马道后方布置了三维加筋垫结构，既防止了坡顶洪水期冲刷，也为泥沙落淤和植物生长提供了稳固的载体；在水下，根据不同的部位功能要求不同，设置了抛石或抛透水框架，起到防冲促淤效果的同时，也为水生生物的产卵和栖息提供了场所。生态环保工程结构的采用，既保护了岸坡，也保护和促进了工程区微生态环境的形成，符合绿色航道建设要求，从工程效果来看，也有效的实现了建筑物的自身稳定，实现了工程的整体功能。

4.2 存在不足

江心洲河段航道整治工程已实施二期，总体来看是成功的，基本实现了稳定滩槽、稳定航道条件的目标，但仍存在需总结反思的问题。

(1)一期工程实施时，护岸水下护底守护范围偏小和结构偏弱，导致一期彭兴洲—江心洲护岸多次局部损毁。

一期护岸设计彭兴洲—江心洲护岸按照水下护底宽度100 m，沉D型排加排边缘抛石结构，从实施的结果看，护岸水下护底范围偏小，护底结构偏弱。根据对护岸损毁的总结分析看，一期工程前，江心洲水道入口深泓离岸距离较远，且水下边坡坡度较缓，按照设计规范，水下护底守护100 m宽满足规范要求。但从一期工程实施后的河槽变化看，在深泓摆动，深槽快速临岸的情况下，护岸稳定性受到较大威胁，且由于岸坡上部守护，下部冲刷后，岸坡坡度迅速变陡，更加剧了岸坡的不稳定因素。因此，在一期工程实施后，彭兴洲—江心洲护岸多次损毁。鉴于此，在江心洲第二阶段整治工程实施时，着重总结了一期护岸经验教训，加强了护岸设计研究，本工程新建护岸和加固护岸至今已经历3个水文年考验，未再出现崩岸现象。

(2)第二阶段整治工程实施时间稍晚，部分不利变化已然出现，未能把握住最佳治理时机。

江心洲航道整治工程2011年启动工可研究，工可报告在2013年初部审后，由于环保原因，暂停后续工作1年半，至2014年5月再次启动， 2015年8月开始进入初步设计及施工图设计，工程于2015年底开工，对于本工程来说，整治工程实施时间稍晚，工程准备期上何家洲至江心洲心滩头部的冲刷和心滩右汊分流比的异常增大。在工程研究阶段，已明显出现心滩的冲刷后退迹象，伴随着是牛屯河边滩滩尾的显著淤积下延和心滩右汊分流比的增大，这些变化是明显不利于江心洲心滩过渡段航槽稳定及心滩过渡段与上游马鞍山公路大桥桥区航道及下游小黄洲过渡段航道的平顺衔接的。在2013年初，作为江心洲心滩过渡段右边界的上何家洲至江心洲心滩低滩平均高程在-6～-10 m左右，辅以一定的工程措施，模型试验预计是能较好实现稳定过渡段目标的；及至2015年工程进入设计阶段时，上何家洲至江心洲心滩低滩高程已降低至-12～-15 m，航道整治工程又涉及防洪、环保等原因，无法大规模的恢复边滩，导致工程对心滩右汊的限制作用减弱，对心滩过渡段的冲刷作用力度也有限，致使工程实施后，起到了稳定过渡段，稳定滩槽的目标，但对工程前已形成的不利分流格局，改善效果不大。

(3)部分新结构设计不成熟，使用效果不理想。

首先是增加坡内排水的水平排水管使用，效果不理想。从对一期护岸多次崩塌的原因分析及其他护岸成败总结看，地下水渗透是影响护岸重力稳定性的一个重要因素，而江心洲心滩护岸沉积时间短，岸坡抗冲性差，也存在一定的排水问题，因此，在护岸设计中特别注重排水设计，在设置了盲沟排水、明沟排水的同时，也在坡面高差相对较大的区段设计了水平排水管排水。但从实际施工后效果看，由于水平排水管管径偏下，积水效果较差，同时，经历一个洪水期后，水平排水管出口堵塞严重，难以起到有效排水效果。其次是在曹姑洲心滩护岸左缘为了对抗排边缘冲刷，采用了双层排设计。但从实施过程看，双层排在施工过程中明显增加的施工工作量，且施工过程控制难度很大；从实施后实际工程效果看，双层排实施后，排边缘冲刷依然存在，且与未实施双层排工程区对比，防冲刷变形效果不明显。

4.3 几点认识

(1)航道整治工程方案设计应充分把握河段演变历史及演变趋势，把握重点问题，选准工程部位及时机，以期工程在自身稳定的条件下，实现整治目标。

(2)工程结构设计应充分了解影响稳定的内因和外因，有针对性的开展细部设计，尽可能的消除或减弱影响稳定的不利因素，确保结构总体稳定。

(3)在当前“共抓大保护，不搞大开发”的长江经济带总体建设要求的前提下，航道整治前期研究及工程设计时需树立综合治理的理念，特别重视航道整治与生态保护和修复的结合，认真调研，与有关各方进行沟通，重视各方意见，提出兼顾各方利益的方案；并对工程实施后产生的长远影响作出分析与预测，避免产生不利影响，也需避免由于外部因素影响而错过航道整治最佳时机。