马鞍山长江大桥江心洲右汊及乙字河临时工程防洪评价

丁 丁，姜传军

(1.中水珠江规划勘测设计有限公司安徽分公司,安徽 芜湖 241000；2.安徽省合肥生态环境监测中心,安徽 合肥 230088)

1 概述

巢湖至马鞍山城际铁路线路自商合杭铁路巢湖东站引出，途经含山、郑蒲港新区，跨长江至宁安城际铁路马鞍山东站，全线位于安徽省境内，线路正线全长75.717 km。马鞍山长江公铁大桥是巢马铁路的重要组成部分，位于马鞍山长江公路大桥上游2.3 km处，桥梁全长9799.9 m。因桥梁主体工程建设需要，施工期需在江心洲右汊、乙字河等区域设置施工临时栈桥、临时支墩等大型临时工程。拟建大型临时工程位于马鞍山河段江心洲右汊(副汊)襄城河口下游及乙字河。桥位江心洲侧右汊内有一沙洲，称为幸福洲，幸福洲与江心洲基本连为一体。自上而下有江心洲、小黄洲2个主要汊道，下接南京河段新济洲段。其中江心洲左汊为主汊，河道顺直微弯，滩槽交错依附两岸。右汊为支汊，窄而弯曲，姑溪河出口在右汊弯顶附近。

2 防洪综合评价

2.1 河道演变趋势分析

马鞍山江心洲右汊拟建桥位断面总体呈现“V”型。自1959年来，江心洲右汊渐趋缓慢萎缩，平均过水断面面积、河宽及平均水深均趋减小。总体上看，姑溪河口上段断面特征值年际间变化较大，下段变化相对较小，这与右汊口门段的复杂多变和姑溪河入流量的调节密切有关。随着河道、堤防的不断整治，乙字河河道抗冲刷能力有所提高，堤防抗御洪水能力也大为增加。多年来运行情况表明，河道自然演变微小，河道平面形态和中泓线未发生较大变化。工程位置河道断面变化较小，冲淤基本平衡，河势基本稳定。除了在大洪水的条件下，可能发生局部的河道冲淤变化外，两条河道仍将保持相对稳定的河势，总体来说：该段河道河势将保持稳定，不会发生大的河势变化[1，2]。

2.2 河道演变对工程建设的影响分析

通过对工程所在的河段河道演变分析，受河段内节点和两岸堤防的控制，河段内的河势基本稳定，河段内江心洲、彭兴洲等洲体也相对较为完整，随着一系列河道治理工程，堤防工程、航道整治工程的实施，总体相对稳定，变化不大。河道演变对本项目建设影响较小，但应密切关注近岸河床冲淤变化情况，遇不利情况及时采取工程措施[3～5]。

2.3 防洪评价计算

2.3.1 水文分析计算

根据《长江流域防洪规划》(国函〔2008〕62号批复)，拟建工程区江心洲右汊设计洪水位为10.57 m[6]。乙字河汛期最高运行水位应考虑到在保证片区防洪安全的前提下，乙字河汛期最高运行水位满足乙字河陈家圩段堤防安全确定。乙字河陈家圩段现状堤防非常薄弱，堤顶高程9.15～9.19 m，宽度仅1～3 m，堤后地面高程约为7.65 m，本次考虑乙字河汛期最高运行水位不超过堤后地面高程，设计流量采用非汛期5年一遇设计流量40 m3/s，计算得到乙字河入江口处非汛期最高运行水位为7.45 m。

2.3.2 壅水计算分析

根据国内科研院所对这一问题所进行的水槽概化模型及原型试验研究成果，对工程实施前后的流态分别建立能量方程，得出壅水高度计算公式：

(1)

江心洲右汊临时工程在设计洪水位下阻水面积约为713.7 m2，面积收缩比为6.1%，引起的最大壅水高度为3.07 cm、乙字河临时工程在设计水位条件下阻水面积约为12.05 m2，面积收缩比为4.8%，引起的最大壅水高度为0.10 cm。临时工程的壅水高度与河道断面面积相比影响较小。

表1 江心洲右汊临时工程局部壅水高度不淹没计算成果

表2 乙字河临时工程局部壅水高度不淹没计算成果

2.3.3 堤防渗流稳定分析

依据《堤防工程设计规范》(GB50286-2013)，需要分析工程对堤防的渗流影响[10]。为此，分别建立临时工程建设前后的堤防渗流计算模型，采用Autobank软件对堤防渗流流场进行了计算分析[11]。

对于稳定渗流，符合达西定律的非均各向异性二维渗流场，水头势函数满足微分方程：

经计算，以上工况条件下堤后地表渗流比降值见表3。

表3 堤后地表渗流比降值结果

综合来看，陈焦圩江堤跨堤段新建栈桥对堤防的渗透稳定影响不大，依据地勘参数及计算结果，此段堤防地基以下约10 m处存在厚约4 m的砾砂夹层，从工程安全考虑，建议对该段堤防采取一定防渗措施。

2.3.4 岸坡稳定性分析

按照《水利水电工程水土保持技术规范》(SL575—2012)附录F中瑞典圆弧法公式计算[12]。计算软件采用河海大学AutoBank7.7。根据《堤防工程设计规范》(GB50286-2013)，堤防边坡稳定安全系数见表4。

表4 土堤边坡抗滑稳定安全系数

本次计算主要验算江心洲右汊两岸堤防边坡、迎水侧前沿岸坡及乙字河两岸堤防边坡。工程后：根据堤防断面及内外护堤地地形、地勘报告提供的土层分布等情况，结合后期栈桥运行需要堤防车辆荷载情况，建立计算模型。本工程对堤防新增荷载主要为桥台荷载、车辆荷载，桥台位于堤防外堤坡，主要承受栈桥自重及过往车辆，栈桥及桥台自重为静荷载，汽车为动荷载，按55 t汽车计算。选择水位降落期，水位自平滩水位6.0 m骤降2.0 m。计算结果见表5。

表5 堤防边坡抗滑稳定系数计算结果

从计算结果及对应堤防等级来看，工程区堤防边坡及岸坡可满足稳定要求。考虑长江副汊主河道前沿岸坡较陡，建议对岸坡加强观测分析，必要时采取防护措施。

2.3.5 冲刷计算

临时施工栈桥建成后桥下江边滩将发生冲刷，分为一般冲刷和局部冲刷，对工程区滩地与河槽按流量分配进行计算，幸福洲圩堤滩地设计洪水位下过流面积2887.00 m2，滩地计算流速为0.51 m/s；陈家圩江堤滩地设计洪水位下过流面积830.00 m2，滩地计算流速为0.51 m/s[13]。

在设计洪水位条件下，左岸幸福洲侧滩地一般冲刷深度为0.38 m，局部冲刷深度为0.25 m。右岸陈家圩侧滩地一般冲刷深度为0.26 m，局部冲刷深度为0.18 m。经计算栈桥段河滩部位发生一般性冲刷，钢管桩周边会发生局部冲刷，考虑拟建工程属临时工程，设计使用年限5年左右，结合冲刷计算结果，建议采取相应的防护措施并加强观测。

3 防洪评价主要结论

江心洲右汊是支汊，分流比基本稳定在10%左右，河床略有缓慢淤积，主要发生在姑溪河以上及口门段。右汊衰退主要原因：一是口门有拦门沙，阻碍右汊的入流；二是右汊河长相对左汊要长，沿程阻力比左汊大；三是出口水流受小黄洲水流的顶托，出流不畅。但右汊的发展也存在有利的方面：一是右汊分流比大于分沙比，有利于河道冲刷；二是分流区主流的右移，在一定程度上有利于右汊口门河床的冲刷。因此在以上两种综合因素的作用下，右汊河道呈缓慢衰退的趋势。本项目位置位于江心洲右汊左右两岸和乙字河河道上，通过对工程所在的河段河道演变分析，受河段内节点和两岸堤防的控制，河段内的洪势基本稳定，随着一系列河道治理工程，堤防工程、航道整治工程的实施，河段内江心洲、彭兴洲等洲体总体相对稳定，变化不大。工程兴建对堤防及岸坡稳定影响局限在工程区附近，为确保堤防岸坡稳定及防洪安全，须对大临工程与堤防衔接段堤防及岸坡采取加固措施。工程的建设对水利规划、航道整治规划、港口规划及规划的实施影响较小，工程兴建后不会对其所处河段河势产生明显不利影响,对防汛抢险也无明显不利影响[14～16]。