馬鞍山長江大橋江心洲右汊及乙字河臨時工程防洪評價

丁 丁，姜傳軍

(1.中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計有限公司安徽分公司,安徽 蕪湖 241000；2.安徽省合肥生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心,安徽 合肥 230088)

1 概述

巢湖至馬鞍山城際鐵路線路自商合杭鐵路巢湖東站引出，途經(jīng)含山、鄭蒲港新區(qū)，跨長江至寧安城際鐵路馬鞍山東站，全線位于安徽省境內(nèi)，線路正線全長75.717 km。馬鞍山長江公鐵大橋是巢馬鐵路的重要組成部分，位于馬鞍山長江公路大橋上游2.3 km處，橋梁全長9799.9 m。因橋梁主體工程建設(shè)需要，施工期需在江心洲右汊、乙字河等區(qū)域設(shè)置施工臨時棧橋、臨時支墩等大型臨時工程。擬建大型臨時工程位于馬鞍山河段江心洲右汊(副汊)襄城河口下游及乙字河。橋位江心洲側(cè)右汊內(nèi)有一沙洲，稱為幸福洲，幸福洲與江心洲基本連為一體。自上而下有江心洲、小黃洲2個主要汊道，下接南京河段新濟洲段。其中江心洲左汊為主汊，河道順直微彎，灘槽交錯依附兩岸。右汊為支汊，窄而彎曲，姑溪河出口在右汊彎頂附近。

2 防洪綜合評價

2.1 河道演變趨勢分析

馬鞍山江心洲右汊擬建橋位斷面總體呈現(xiàn)“V”型。自1959年來，江心洲右汊漸趨緩慢萎縮，平均過水斷面面積、河寬及平均水深均趨減小。總體上看，姑溪河口上段斷面特征值年際間變化較大，下段變化相對較小，這與右汊口門段的復雜多變和姑溪河入流量的調(diào)節(jié)密切有關(guān)。隨著河道、堤防的不斷整治，乙字河河道抗沖刷能力有所提高，堤防抗御洪水能力也大為增加。多年來運行情況表明，河道自然演變微小，河道平面形態(tài)和中泓線未發(fā)生較大變化。工程位置河道斷面變化較小，沖淤基本平衡，河勢基本穩(wěn)定。除了在大洪水的條件下，可能發(fā)生局部的河道沖淤變化外，兩條河道仍將保持相對穩(wěn)定的河勢，總體來說：該段河道河勢將保持穩(wěn)定，不會發(fā)生大的河勢變化[1，2]。

2.2 河道演變對工程建設(shè)的影響分析

通過對工程所在的河段河道演變分析，受河段內(nèi)節(jié)點和兩岸堤防的控制，河段內(nèi)的河勢基本穩(wěn)定，河段內(nèi)江心洲、彭興洲等洲體也相對較為完整，隨著一系列河道治理工程，堤防工程、航道整治工程的實施，總體相對穩(wěn)定，變化不大。河道演變對本項目建設(shè)影響較小，但應(yīng)密切關(guān)注近岸河床沖淤變化情況，遇不利情況及時采取工程措施[3～5]。

2.3 防洪評價計算

2.3.1 水文分析計算

根據(jù)《長江流域防洪規(guī)劃》(國函〔2008〕62號批復)，擬建工程區(qū)江心洲右汊設(shè)計洪水位為10.57 m[6]。乙字河汛期最高運行水位應(yīng)考慮到在保證片區(qū)防洪安全的前提下，乙字河汛期最高運行水位滿足乙字河陳家圩段堤防安全確定。乙字河陳家圩段現(xiàn)狀堤防非常薄弱，堤頂高程9.15～9.19 m，寬度僅1～3 m，堤后地面高程約為7.65 m，本次考慮乙字河汛期最高運行水位不超過堤后地面高程，設(shè)計流量采用非汛期5年一遇設(shè)計流量40 m3/s，計算得到乙字河入江口處非汛期最高運行水位為7.45 m。

2.3.2 壅水計算分析

根據(jù)國內(nèi)科研院所對這一問題所進行的水槽概化模型及原型試驗研究成果，對工程實施前后的流態(tài)分別建立能量方程，得出壅水高度計算公式：

(1)

江心洲右汊臨時工程在設(shè)計洪水位下阻水面積約為713.7 m2，面積收縮比為6.1%，引起的最大壅水高度為3.07 cm、乙字河臨時工程在設(shè)計水位條件下阻水面積約為12.05 m2，面積收縮比為4.8%，引起的最大壅水高度為0.10 cm。臨時工程的壅水高度與河道斷面面積相比影響較小。

表1 江心洲右汊臨時工程局部壅水高度不淹沒計算成果

表2 乙字河臨時工程局部壅水高度不淹沒計算成果

2.3.3 堤防滲流穩(wěn)定分析

依據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB50286-2013)，需要分析工程對堤防的滲流影響[10]。為此，分別建立臨時工程建設(shè)前后的堤防滲流計算模型，采用Autobank軟件對堤防滲流流場進行了計算分析[11]。

對于穩(wěn)定滲流，符合達西定律的非均各向異性二維滲流場，水頭勢函數(shù)滿足微分方程：

經(jīng)計算，以上工況條件下堤后地表滲流比降值見表3。

表3 堤后地表滲流比降值結(jié)果

綜合來看，陳焦圩江堤跨堤段新建棧橋?qū)Φ谭赖臐B透穩(wěn)定影響不大，依據(jù)地勘參數(shù)及計算結(jié)果，此段堤防地基以下約10 m處存在厚約4 m的礫砂夾層，從工程安全考慮，建議對該段堤防采取一定防滲措施。

2.3.4 岸坡穩(wěn)定性分析

按照《水利水電工程水土保持技術(shù)規(guī)范》(SL575—2012)附錄F中瑞典圓弧法公式計算[12]。計算軟件采用河海大學AutoBank7.7。根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB50286-2013)，堤防邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)見表4。

表4 土堤邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

本次計算主要驗算江心洲右汊兩岸堤防邊坡、迎水側(cè)前沿岸坡及乙字河兩岸堤防邊坡。工程后：根據(jù)堤防斷面及內(nèi)外護堤地地形、地勘報告提供的土層分布等情況，結(jié)合后期棧橋運行需要堤防車輛荷載情況，建立計算模型。本工程對堤防新增荷載主要為橋臺荷載、車輛荷載，橋臺位于堤防外堤坡，主要承受棧橋自重及過往車輛，棧橋及橋臺自重為靜荷載，汽車為動荷載，按55 t汽車計算。選擇水位降落期，水位自平灘水位6.0 m驟降2.0 m。計算結(jié)果見表5。

表5 堤防邊坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)計算結(jié)果

從計算結(jié)果及對應(yīng)堤防等級來看，工程區(qū)堤防邊坡及岸坡可滿足穩(wěn)定要求。考慮長江副汊主河道前沿岸坡較陡，建議對岸坡加強觀測分析，必要時采取防護措施。

2.3.5 沖刷計算

臨時施工棧橋建成后橋下江邊灘將發(fā)生沖刷，分為一般沖刷和局部沖刷，對工程區(qū)灘地與河槽按流量分配進行計算，幸福洲圩堤灘地設(shè)計洪水位下過流面積2887.00 m2，灘地計算流速為0.51 m/s；陳家圩江堤灘地設(shè)計洪水位下過流面積830.00 m2，灘地計算流速為0.51 m/s[13]。

在設(shè)計洪水位條件下，左岸幸福洲側(cè)灘地一般沖刷深度為0.38 m，局部沖刷深度為0.25 m。右岸陳家圩側(cè)灘地一般沖刷深度為0.26 m，局部沖刷深度為0.18 m。經(jīng)計算棧橋段河灘部位發(fā)生一般性沖刷，鋼管樁周邊會發(fā)生局部沖刷，考慮擬建工程屬臨時工程，設(shè)計使用年限5年左右，結(jié)合沖刷計算結(jié)果，建議采取相應(yīng)的防護措施并加強觀測。

3 防洪評價主要結(jié)論

江心洲右汊是支汊，分流比基本穩(wěn)定在10%左右，河床略有緩慢淤積，主要發(fā)生在姑溪河以上及口門段。右汊衰退主要原因：一是口門有攔門沙，阻礙右汊的入流；二是右汊河長相對左汊要長，沿程阻力比左汊大；三是出口水流受小黃洲水流的頂托，出流不暢。但右汊的發(fā)展也存在有利的方面：一是右汊分流比大于分沙比，有利于河道沖刷；二是分流區(qū)主流的右移，在一定程度上有利于右汊口門河床的沖刷。因此在以上兩種綜合因素的作用下，右汊河道呈緩慢衰退的趨勢。本項目位置位于江心洲右汊左右兩岸和乙字河河道上，通過對工程所在的河段河道演變分析，受河段內(nèi)節(jié)點和兩岸堤防的控制，河段內(nèi)的洪勢基本穩(wěn)定，隨著一系列河道治理工程，堤防工程、航道整治工程的實施，河段內(nèi)江心洲、彭興洲等洲體總體相對穩(wěn)定，變化不大。工程興建對堤防及岸坡穩(wěn)定影響局限在工程區(qū)附近，為確保堤防岸坡穩(wěn)定及防洪安全，須對大臨工程與堤防銜接段堤防及岸坡采取加固措施。工程的建設(shè)對水利規(guī)劃、航道整治規(guī)劃、港口規(guī)劃及規(guī)劃的實施影響較小，工程興建后不會對其所處河段河勢產(chǎn)生明顯不利影響,對防汛搶險也無明顯不利影響[14～16]。