湘江橘子洲综合利用岸线整治工程试验研究（姚仕明,廖小永,范北林）

时间：2021-01-12 08:02:12　来源：柠檬阅读网本文已影响人

摘要: 橘子洲位于湘江长沙城区河段中部，洲上零乱的现状严重影响城市生态与环境，亟待治理。根据实测资料对橘子洲河段的河道演变进行分析，采用河工模型试验的手段对橘子洲综合利用岸线整治工程进行试验研究。研究结果表明:该河段多年来河势相对较为稳定，橘子洲左右汊分流比变化不大;工程实施后有利于洲、水、城市相互融合，易形成良好的区域生态与环境，但对附近河段防洪水位、汊道分流比、湘江一桥桥墩局部冲刷有一定不利影响。为减小与避免工程建设对防洪及涉水建筑物的影响，研究提出了工程设计方案的优化改进措施，为工程决策和设计提供了参考依据。

关键词: 演变分析;河工模型;岸线整治;橘子洲

中图分类号: TV86 文献标识码: A

1 概述

湘江是洞庭湖水系中最大的河流，全长859.4km，在长沙市境内由南向北穿越市区，分城市为东、西两部分。橘子洲位于湘江长沙城区河段中部，南北伸展，纵卧江心，南北长约4850m，宽50～200m，将湘江分为左右两汊（见图1）。目前洲上除历史保护建筑外，其它建筑基本拆除，河岸及洲面上废渣堆积，码头零乱无章，严重影响洲面及附近城区的生态与环境，亟待治理。长沙市拟利用橘子洲独特的自然资源，引人入胜的人文景观和浓厚的伟人文化，将其建设为生态、文化、旅游、休闲的洲岛，以改善千古名胜橘子洲的生态与环境，促进人与水的和谐，提升城市形象。

本文采用河道演变分析和河工模型试验相结合的方法，就橘子洲岸线综合整治工程对河势、防洪、航运及重要涉水建筑物等方面可能产生的影响进行了研究，提出了为减小与避免对防洪及涉水建筑物产生影响的优化工程设计方案，为工程决策和设计提供参考依据。

2 河道演变

橘子洲河段上起黑石铺大桥，下至龙洲尾部，长约20.0km，为一顺直微弯分汊河道。除橘子洲外，江中还有傅家洲、中洲和龙洲等江心洲。橘子洲和傅家洲主流走右汊，中洲与龙洲主流走左汊。河段内沿程有黑石铺大桥、猴子石大桥、湘江一桥及湘江二桥横跨湘江。左岸有支流靳江与龙王港入汇，右岸有支流浏阳河与捞刀河入汇，见图1（略）。

据历史资料记载与河道地形资料分析，橘子洲河段的河势和形态早在几百年前就已经形成，近40多年来未见明显改变，河道处于相对稳定的平衡状态。

2.1 深泓线变化

由于河段两岸均有基岩出露形成节点，控制河床展宽，加上近几年在两岸修建堤防与实施护岸工程以后，橘子洲分汊河段岸边界渐趋稳定。

由图2（略）可知，橘子洲河段2005年与1989年的深泓线相比，深泓摆幅较大处位于橘子洲尾部至中洲头部一带，1989年深泓在橘子洲尾部已开始向左岸过渡，而2005年深泓是从湘江二桥下游开始向左岸过渡，过渡点下移约2km，2005年与1989年相比，深泓在该段的摆幅最大，最大值约590m。而橘子洲尾部以上及中洲以下一带，深泓摆幅不大，相对较为稳定，橘子洲右汊深泓线在湘江一桥以上河段主要以左移为主，最大左移幅度约80m，湘江一桥以下至洲尾，深泓线明显向右侧移动，最大摆幅位于洲尾，约150m。

2.2 汊道分流比变化

根据不同年份，不同流量下橘子洲分汊河道的分流比实测资料分析，当湘江流量小于600m3/s时，左汊基本断流，当流量大于600m3/s时，左汊分流比随流量增大而增大，但右汊始终为主汊。2005年实测的分流比与20世纪90年代初相比，同流量下，左汊分流比在中洪水时有所增大，在小流量时稍有减小。

2.3 滩槽变化

橘子洲河段由于河段两岸边界受节点及护岸工程的约束，多年来河势较为稳定，河道冲淤变化主要表现为洲滩及深槽变化。

1989～2005年，本河段30m高程以上岸线相对稳定，但洲滩及河槽仍存在较明显的冲淤变化。橘子洲25m高程（黄海，下同）线变化相对较大，洲头冲刷后退约160m;湘江一桥以上洲体两侧冲刷内移，内移幅度右侧大于左侧;湘江一桥以下洲体左侧发生明显冲刷，最大内移约300m，而右侧则稍有淤展。柳叶洲早期为橘子洲左汊内的江心洲，后因左汊淤浅而并靠左岸。傅家洲在1989年由两部分组成，分别为当时的傅家洲和无名洲，而2005年地形显示，傅家洲与无名洲已连成一体，统称傅家洲。傅家洲25m高程线洲头附近冲刷后退，洲尾及洲体右侧淤展，最大淤宽约110m。中洲洲头冲刷最为严重，25m高程线冲刷后退约1500m，但中洲洲顶淤高。

由深槽等高线变化可知，橘子洲河段总体表现为冲刷。橘子洲右汊20m高程线在1989年没有贯通，2005年已全线贯通，其它深槽位置20m高程等高线也有不同程度的冲刷展宽。

2.4 河道冲淤变化

从1989年12月、1995年9月及2005年3月实测资料比较，本河段冲淤变化特点为:橘子洲上游河段表现为冲刷，主要发生在河槽左侧，最大变幅约7.0m，距离橘子洲越近，冲刷幅度越小;橘子洲一带30m高程以下断面冲刷幅度在0.65m左右，且左汊大于右汊;傅家洲以下河段冲淤变化较为复杂，中洲以上主要冲刷右侧河槽，最大冲深约7.0m，中洲近年来变化较大，洲顶淤高，洲体两侧冲刷崩退。总体而言，1989～2005年本河段表现为冲刷，平均冲深1.63m，年均冲深约0.1m。

2.5 河道演变趋势分析

根据对橘子洲河段的演变分析，可以预估，该河段在自然条件下，若上游来水来沙条件不出现大的变化情况下，未来橘子洲河段应能维持现有河势格局不变，河道年际冲淤应基本平衡或稍有冲刷，若河床发生冲刷时，其平均冲刷幅度有限。橘子洲左右汊分流比会因河床冲淤的相对平衡而趋于相对稳定。

3 治理方案

橘子洲处于湘江长沙城区河段中部，南北伸展，纵卧江心，南北长约4850m，东西宽50～200m，现状洲面高程多在34.0～35.5m之间，局部36.2m。洲上原有住户2250户，厂矿60家，人口0.70万人，房屋3800栋，占地面积约21万m2 ，历史性建筑40000m2 ，洲尾有砂场3处，占地面积约30000m2 。橘子洲综合利用岸线整治工程包括橘子洲周围岸线整治与洲面整治。

根据洲上各区域的保护对象、综合利用要求与现状情况等，橘子洲岸线综合治理工程采用不同的防洪标准确定相应区域的高程，设计分4级布置，即A、B、C、D4个区域，平面布置如图3（略）。

A区:历史性建筑保护区，控制高程35.80～36.20m，面积约12.0万m2 。

B区:生态景观区，为现有洲面除A区外的区域，控制高程35.40m，面积40.2万m2 。

C区:岸坡生态护砌区，即河岸岸坡，区域高程35.40～31.00m，区域面积26.8万m2 。

D区:低水位河槽区，为岸坡坡脚至枯水位，区域高程31.00～26.50m，区域面积21.6万m2 。

根据橘子洲附近的水流、河势、地形以及地质条件，并考虑与生态景观相结合，治理方案中滨水河岸岸坡的基本结构形式由固脚挡墙（脚槽）、模拟河床或混凝土网格植草皮护岸、临水步行道及土坡植草皮组成，具体有5种结构型式，即:退台式、阶梯式、平台式、缓坡式和裙墙式。各护岸型式分别布设在洲头、洲左侧、洲右侧、洲尾和洲面较窄的两内弯段。

4 河工模型试验研究

4.1 模型设计与验证

模型模拟范围上起黑石铺大桥，下至龙洲尾，全长约20.0km。模拟河段包括4个江心洲，4座大桥以及4条支流河口段，如图1所示。

模型平面比尺400，垂直比尺100，变率4，流量比尺400000，糙率比尺1.08，流速比尺10。

模型水面线、流速及分流比验证采用2005年水文实测资料。验证试验表明，模型与原型在水面线、流速分布及橘子洲左右汊分流比等方面基本相似，满足模型与原型水流运动相似的要求。

4.2 工程方案的试验研究

为研究岸线整治工程对河势、防洪、航运及重要涉水建筑物等可能产生的影响，共选择6种水文条件（见表1）。因岸线整治工程最低高程为26.50m，大于枯水期对应的水位，故只对前5种水文条件进行试验研究。

（1）水位变化。试验成果表明，在5种水文条件下，工程对水位的影响范围均在殷家冲至湘江二桥段，水位有壅有降，最大壅高值为1～3cm，最大降低值为1cm。以200a一遇洪水条件为例，工程实施后，洲头上500m以上及长沙船厂以下各站水位基本无变化;洲头上200m至洲公园段水位降低1cm;洲中段受洲体拓宽影响，过流面积稍有减小，水位壅高1～2cm;因洲尾向右汊倾斜，洲面培高，高水时产生阻水作用，致使湘江一桥至洲尾段右汊水位壅高1～3cm，左汊洲尾段壅高1～2cm。

（2）流速变化。试验成果表明，工程实施后，由于工程河段水流边界条件的变化，橘子洲附近河段流速将发生一定的变化。高水时橘子洲过流，整治工程对流场的影响主要表现为洲面、洲边缘流速增加，附近河段除洲内弯段及洲体近岸外，河道平均流速总体有所减小;低水时橘子洲不过流，流场变化主要受岸线治理的影响，洲近岸流速增加，其它区域流速则有所减小。工程实施后，洲面除保护性建筑外的其它房屋与阻水设施均被拆除，如200a一遇洪水洲面水流顺畅，流速值在0.50～1.10m/s之间，较工程前明显增加;岸坡治理总体上是上填下挖，受其影响，洲体近岸180m范围内水流更加顺畅，流速增加值一般为0.02～0.40m/s，最大增加值0.60m/s;洲内弯段，因其以填方为主，使断面过流面积有所减小，导致流速稍有增加;附近河段其它区域流速总体有所减小，减小值一般在0.01～0.10m/s之间，最大减小值0.15m/s。

（3）分流比变化。试验结果表明，工程对左右汊分流比影响相对较大，左汊分流比增大0.7%～4.5%，详见表2。

4.3 工程优化方案研究

为最大限度地减小整治工程对附近河段防洪及河势等方面的综合影响，基本维持治理前左右汊分流的格局，本文提出了整治工程优化方案，并对优化方案进行模型试验，研究优化方案对防洪及河势等方面的综合影响。

工程优化方案主要是在原方案的基础上提出改进措施，具体为湘江一桥至洲尾桩号2+106～3+450段长1344m岸线内移3～10.6m;左缘洲中至洲头桩号5+819～7+891段长2072m岸线外移2～9.4m;洲头右缘桩号8+087～8+498段长411m岸线内移1～5m;岸坡坡脚线高程由31.00m降低至28.50m。

从典型横断面比较来看，岸线整治工程主要表现为岸坡的挖填及洲面的填筑，断面净填方量较大主要位于洲中部内弯段，洲上下段的净填方量较小，部分位置甚至为净挖方。原方案与优化方案侵占过水面积见表3，优化方案阻水作用明显减小。

工程优化方案试验成果表明，工程实施后对本河段水位、流速的影响范围均在工程附近河段，水位变化较小，流速除洲体近岸外变化不大，分流比和主流线无明显变化。如200a一遇洪水条件下，洲面及洲体近岸流速增加0.01～0.40m/s，左右汊流速减小0.01～0.10m/s;水位最大壅高1.0cm左右，最大降低1～2cm;左右汊分流比影响在1.0%以内;主流线摆幅5～30m。

因此，工程优化方案实施后，对工程河段河势、河道行洪、两岸堤防以及左右汊的分流比不会带来明显的影响，对两岸码头、港口及取排水设施无明显影响。但工程实施后湘江一桥断面位于洲面及洲体近岸160m范围内流速增加0.02～0.40m/s，可能对该范围内桥墩的冲刷产生影响，建议加强观测，在出现不利情况时采取防护措施。

4.4 动床模型试验研究

由于工程河段的演变与上游来水来沙与人类活动等因素有关，特别是整治工程实施后对工程河段的演变会产生多大影响需采用动床河工模型试验研究，模型沙为株洲精煤（重率γs =0.33×9.8kN/m3 ），并采用2005年的实测水沙和地形资料对模型进行了验证试验。结果表明:模型设计、选沙及各项比尺的确定基本合理，能保证模型的相似可靠性，验证试验确定，含沙量比尺为1∶1.0，河床冲淤变形时间比尺为1∶350。

根据研究目的，选择不同的来水来沙过程组合，包括冲刷组合（含200a一遇）和淤积组合的水沙年进行工程兴建前后动床模型试验，典型年组合见表4。

（1）全河段河床冲淤变化。工程兴建前后两组合试验中，河床冲淤变化过程和冲淤规律基本一致，仅冲淤幅度有所变化。以冲刷组合为例，河床冲淤规律为:在1991年型水文年涨水期河床开始冲刷，洪水期河床冲深加剧，汛期末达到最深，枯水期开始回淤，随后在2001年型、1998年型水文年和200a一遇洪水年河床出现冲淤交替变化，河床冲淤变幅最大出现在200a一遇洪水年，其它3个水文年河床冲淤变幅比较接近。

橘子洲综合利用岸线整治工程实施前后相比，各水文年河床冲淤变化规律基本相似，冲淤部位基本一致，仅冲淤幅度有所变化，具体表现为:橘子洲以上河段冲淤交替变化，冲淤幅度0.1～1.2m;橘子洲洲体河段左汊有所冲刷，右汊有所淤积，冲淤幅度一般为0.1～1.5m，最大3.5m，发生在200a一遇条件下洲体近岸160m范围内;湘江二桥以下河段冲淤变幅较小，在0.1～0.8m范围内，可认为基本处于平衡状态。

总的来看，在冲刷和淤积两种组合条件下，工程实施前后本河段河床冲淤变幅不大，相对较为稳定，仅部分位置河床略有冲淤，滩槽位置稳定，深泓变化较小。

（2）橘子洲近岸冲淤变化。岸线整治工程实施后，由于水流边界条件的变化，特别是低水河槽区即D区岸坡的疏挖，橘子洲洲体近岸水流更加顺畅，从而引起近岸河床冲淤变化，主要表现为冲刷，局部位置淤积，冲淤变幅一般为0.5～3.5m。扣除岸坡疏挖影响，工程前后相比，冲刷组合中近岸冲深一般为0.1～1.5m，淤积组合中近岸冲刷幅度较小，在0.1～0.6m范围内。

（3）对重要涉水建筑物的影响。湘江一桥位于橘子洲中下部，正处于橘子洲岸线整治工程范围内。工程实施后湘江一桥断面橘子洲洲体近岸150m范围河床表现为冲刷，扣除岸坡疏挖影响，在冲刷组合条件下近岸冲深一般为0.5～1.6m，可能对该范围内桥墩的稳定带来不利影响，建议加强观测，在出现不利情况时采取防护措施。湘江两岸近岸流速基本为减小，河床一般淤积0.1～0.8m，幅度较小，因此工程对两岸的护岸工程及堤防工程基本没有影响，对两岸码头、港口及取排水设施也不会带来明显不利影响。

5 结论与建议

（1）橘子洲河段由于受两岸节点及护岸工程的约束，多年来河势相对较为稳定。预计未来橘子洲河段河势及其左右汊分流比仍维持现有格局，不会发生大的变化。

（2）岸线整治工程的实施有利于洲、水、城市相互融合，易形成良好的区域生态环境。工程优化方案实施后，对工程河段河势、河道行洪、两岸堤防不会带来明显不利的影响，对两岸码头、港口及取排水设施无明显影响。

（3）工程实施后湘江一桥断面位于洲面及洲体近岸160m范围内流速增加，且该范围河床主要表现为冲刷，可能对该范围内桥墩的冲刷带来影响，建议加强观测，在出现不利情况时采取防护措施，以保证湘江一桥安全运行。

作者简介: 姚仕明，男，长江水利委员会长江科学院河流所，工程师，博士。

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