長江張家洲南港淺灘航道整治工程試驗(yàn)研究及整治效果分析

李文全 張 偉 鄧曉麗 雷家利

(長江航道規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,湖北 武漢 430011)

張家洲水道曾是長江下游枯水期礙航最突出的河段,該水道上起九江市鎖江樓,下止八里江口,全長約 32km。江中張家洲將河道分為左右兩汊,左汊習(xí)稱北港,河道彎曲,平面形態(tài)呈弓背狀;右汊習(xí)稱南港,河道較順直,航程比北港短約 6km。南港內(nèi)有官洲和新洲上下交錯(cuò)而立,出現(xiàn)二級(jí)分汊,南港下段右岸有鄱陽湖入?yún)R(圖1),現(xiàn)行航道維護(hù)尺度4.0m×100.0m×1050.0m(水深 ×航寬 ×彎曲半徑),保證率 98%,通航代表船隊(duì)為2000t駁船組成的2～3萬噸級(jí)船隊(duì)。1989年以前,北港為枯水期主航道,南港由于枯水期水深嚴(yán)重不足作為中、洪水期主航道。1989年后,枯水期南港分流比增大,遂辟為全年通航的主航道。南港內(nèi)存在上、下兩處淺區(qū),1998年長江大洪水之后,南港下淺區(qū)航道條件急劇惡化,嚴(yán)重影響航運(yùn)事業(yè)和沿江工礦企業(yè)的發(fā)展。為了從根本上改善該河段的通航條件,必須首先對(duì)南港下淺區(qū)進(jìn)行整治。

1 航道概況與礙航特征[1]

主航道南港內(nèi)主要有上、下兩處淺區(qū)。上淺區(qū)位于新港對(duì)開處,位置較穩(wěn)定,出淺范圍較短,礙航問題并不十分突出;下淺區(qū)位于官廠至鄱陽湖口之間長約 4km的過渡段上,枯水期河寬由 800m逐漸增大至1300m左右,河道平面形態(tài)呈喇叭狀,沿程流速減小,輸沙能力降低,主泓左右往復(fù)擺動(dòng),加上鄱陽湖出流影響,為下淺區(qū)的產(chǎn)生提供了條件,年內(nèi)呈現(xiàn)“漲淤落沖”的演變規(guī)律。

下淺區(qū)枯水航道條件的好壞與淺區(qū)過渡段主流位置有關(guān)。當(dāng)下淺區(qū)過渡段主流擺至左側(cè)時(shí),流路趨直,新洲右側(cè)邊灘沖刷,河道沿程展寬,水流分散,流速減小,淺區(qū)過渡段普遍淤積,枯水礙航嚴(yán)重,這種情況在1967～1982年間表現(xiàn)得較為明顯,此時(shí)淺區(qū)一般位于過渡段下口,例如1978年2月(圖2a),淺區(qū)下口 4m深航槽斷開1000余米,幾乎呈散亂型淺灘。20世紀(jì)末長江連年大洪水后,下淺區(qū)航道條件惡化的原因也在于此。

當(dāng)新洲邊灘發(fā)育,過渡段主流逐漸由官廠一帶擺至右側(cè)梅家洲尾部時(shí),流路微彎,枯水航槽單一、穩(wěn)定,礙航問題有所緩解。例如1997年11月(圖2b),新洲邊灘向右淤長,灘體寬大完整,而相對(duì)處于凸岸一側(cè)的官洲尾部和梅家洲邊灘也淤積增高,淺區(qū)過渡段灘槽高差明顯增大,束水作用加強(qiáng),水流相對(duì)集中,有利于汛后退水期淺區(qū)提前沖刷,加上鄱陽湖出口深泓右移,湖口出流對(duì)長江的頂托作用有所減弱,航道條件相對(duì)好轉(zhuǎn)。這種情況曾出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代末和1990～1997年間,此時(shí)即使出淺,淺區(qū)位置也僅限于下淺區(qū)上口,但上下深槽接近,呈現(xiàn)單一型淺灘,航道維護(hù)較易。

圖1 張家洲水道形勢

在過渡段主流位置左右擺動(dòng)的過程中,淺區(qū)位于上、下口,4m深航槽兩次斷開,呈現(xiàn)復(fù)式型淺灘,這種情況曾出現(xiàn)于1983～1990年間,從1989年5月份測圖中也可看到這種情況(圖2c)。

從以上分析可以看出:當(dāng)深泓左移,新洲邊灘(下邊灘)沖刷甚至消失,斷面擴(kuò)寬,水流順直且分散,同時(shí)官洲邊灘(上邊灘)灘尾下移,灘面沖刷變低,水流漫灘,過渡槽流量減少,流速降低,航道出淺,且淺區(qū)長;當(dāng)深泓右移,新洲邊灘淤長,斷面縮窄,同時(shí),主流微彎,有利于航道輸沙,淺區(qū)沖刷,水深改善,且淺區(qū)變短。因此,下淺區(qū)淺灘內(nèi)在因素的惡化,使江面放寬、流量分散,是南港下段出淺的主要原因。1998年長江大洪水后,南港下淺區(qū)新洲邊灘部分沖失,淺區(qū)上深槽貼近新洲邊灘,下深槽緊靠梅家洲尾,呈現(xiàn)交錯(cuò)態(tài)勢,航道條件惡化,1998年枯水期有長達(dá) 31d的航道維護(hù)水深不足4.0m,1999年枯水期礙航形勢更加嚴(yán)峻。

2 航道整治方案模型試驗(yàn)研究

下淺區(qū)航道整治模型試驗(yàn)分為定床和動(dòng)床兩個(gè)階段,在定床模型試驗(yàn)階段,主要通過觀測不同淺灘整治方案實(shí)施后水流條件的變化情況,初步分析判斷航道整治效果,從中篩選出較好的方案,然后再在動(dòng)床模型試驗(yàn)階段進(jìn)一步研究。

圖2 南港下淺區(qū)航道形勢

2.1 整治原則與整治參數(shù)的選擇[2,3]

根據(jù)對(duì)本水道河道演變及礙航特性的認(rèn)識(shí),綜合外部環(huán)境等因素考慮,選擇南港作為全年主通航汊道加以整治,依據(jù)因勢利導(dǎo)、低水整治的原則,針對(duì)南港下淺區(qū)出淺原因和特點(diǎn),采取工程措施,使主流從左岸官廠一帶逐漸過渡至梅家洲尾一帶,將航槽規(guī)劃成微彎形,束水攻沙,改善枯水通航條件。整治線寬度為 800m,整治水位為湖口航行基面上 4m(湖口航行基面為黃海高程4.20m),相應(yīng)整治流量長江為11770m3/s。航道整治標(biāo)準(zhǔn)為 4.0m×100.0m×1050.0m,通航保證率為 98%。

2.2 整治方案模型試驗(yàn)研究

模型定床范圍上起九江市鎖江樓,下迄八里江口,全長約 32km,鄱陽湖出口河道長約2.5km。動(dòng)床范圍上起九江市鎖江樓,下至八里江口上游5km兩汊匯流處。由于本河段護(hù)岸后岸線已趨穩(wěn)定,因此岸線為定床,僅黃海高程10m以下的河床及洲灘做成動(dòng)床。模型平面比尺 λL=420,垂直比尺 λH=120,變率 η=3.5。模型沙選用重率 γs=1.05t/m3的苯乙烯二乙烯苯聚合物塑料沙[4]。

2.2.1 定床模型方案試驗(yàn)[5]

在定床模型試驗(yàn)研究階段,提出了兩大類 8個(gè)整治方案,整治思路是恢復(fù)航道條件較好時(shí)的航道走向與灘槽形勢,提高汛后退水過程中水流沖刷能力,滿足枯水通航條件。第1類方案工程布置為左岸新洲一帶邊灘上修建丁壩群工程,新洲夾尾建一道鎖壩,促使主流右擺和新洲邊灘的淤長;右岸官洲尾部至梅家洲建護(hù)灘帶和丁壩,以利于穩(wěn)定航槽和減弱江湖之間的相互影響。第2類方案為在第1類方案的基礎(chǔ)上,加強(qiáng)對(duì)官洲尾部及梅家洲的守護(hù)力度。兩類代表方案見圖 3及表1、2。

表1 兩類方案布置

在定床模型中,對(duì)上述各方案進(jìn)行洪、中、枯水流量,試驗(yàn)結(jié)果表明,從新洲頭部至新洲尾部,下淺區(qū)航槽內(nèi)流態(tài)平順,主流南移,流速普遍增大,在整治流量下,斷面流速增大20%～50%,且流速沿程遞增,說明整治工程對(duì)于提高下淺區(qū)汛后水流輸沙能力有明顯作用。整治工程對(duì)試驗(yàn)河段洪水位、近岸流速影響甚微,對(duì)鄱陽湖出口水位幾乎不產(chǎn)生影響,不改變南北港分流現(xiàn)狀,也不對(duì)上淺區(qū)產(chǎn)生不利影響。經(jīng)比較并充分考慮整治方案實(shí)施的可能性,推薦方案1和方案5為動(dòng)床模型深入研究方案。

圖3 定床模型試驗(yàn)代表方案工程布置

表2 方案工程布置

2.2.2 動(dòng)床模型方案試驗(yàn)[6-8]

動(dòng)床模型試驗(yàn)初始地形為1999年 4月,試驗(yàn)水文過程為1999年 4月 ～2000年 3月,該年下淺區(qū)淤積最為嚴(yán)重。在模型驗(yàn)證相似的基礎(chǔ)上,對(duì)定床模型試驗(yàn)階段推薦的2個(gè)方案進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,2個(gè)方案實(shí)施后,下淺區(qū)河床經(jīng)過一個(gè)水文年的沖淤調(diào)整,至枯水期航行基面下4.2m航槽均能夠上下貫通,最窄寬度達(dá)到200m,滿足現(xiàn)階段航道維護(hù)尺度。但方案1左岸上段丁壩群挑流作用較小,下段丁壩受力較大,使下段壩頭沖刷坑較深,水流過渡段下移,在過渡段航槽中間出現(xiàn)沙埂。方案5工程布置與方案1差別不大,航道存在的問題與方案1基本相同,而官洲夾尾堵壩工程枯水期影響地方小輪行駛,與地方利益發(fā)生矛盾。因此,其后僅對(duì)方案1進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整和試驗(yàn)研究。

通過對(duì)方案1左岸丁壩工程長度、方位、壩頭高程、整治線寬度和有無新洲夾下段鎖壩工程,以及對(duì)右岸丁壩和護(hù)灘帶的反復(fù)調(diào)整試驗(yàn)研究,最終確定的下淺區(qū)航道整治施工設(shè)計(jì)方案如圖 4所示。

圖4 南港下淺區(qū)航道整治施工設(shè)計(jì)方案

該方案在下淺區(qū)三百洲附近增加1道丁壩,使汛后主流提前向右岸過渡,左岸共布置 6道丁壩,前4道丁壩主要起挑流作用,設(shè)計(jì)為下挑勾頭丁壩,壩頭高程為設(shè)計(jì)水位上 3m,后2道丁壩主要起固灘作用,壩頭高程為設(shè)計(jì)水位上2m和1m。因丁壩已基本控制了新洲夾的發(fā)展,所以取消了新洲夾下段鎖壩工程。下淺區(qū)右岸官洲右緣護(hù)岸長 970m,梅家洲尾部布置2道護(hù)灘帶,加強(qiáng)對(duì)官洲及梅家洲邊灘的守護(hù)。整治線寬度為750m。該方案在整治流量下,主流從老官廠以下開始平順地向右過渡,經(jīng)過一個(gè)最不利水文年(1999年)試驗(yàn),過渡段內(nèi)航行基面下4.2m航槽全程貫通,航寬超過200m,上下深槽銜接平順,右岸邊灘淤積,岸線穩(wěn)定,且基本不對(duì)本河段防洪、南北兩港分流比和鄱陽湖出流等產(chǎn)生影響,達(dá)到了下淺區(qū)航道整治目標(biāo)。

3 航道整治效果分析

南港下淺區(qū)航道整治工程于2001～2003年實(shí)施,實(shí)踐證明,航道整治工程是成功的,完全達(dá)到了預(yù)期的整治目標(biāo)。

從2003年12月河道觀測圖(圖5a)可以看出,工程實(shí)施后河床經(jīng)過一個(gè)汛期的沖淤調(diào)整,下淺區(qū)基本消失,新洲夾和新洲邊灘丁壩群間普遍淤積,主流右擺,航槽內(nèi)流速加大,汛后淺區(qū)過渡段沖刷,航行基面下4.2m航槽上下貫通,航寬超過200m,航道變化情況與模型試驗(yàn)結(jié)果基本一致,達(dá)到了設(shè)計(jì)航道尺度。之后,由于三峽水庫蓄水運(yùn)用,來沙量減少,長江中下游河床普遍沖刷,南港下淺區(qū)航道條件進(jìn)一步改善,從2005年 6月航道圖(圖5b)可以看出,下淺區(qū)航道水深達(dá)到5m,航寬超過200m,航槽穩(wěn)定,水流平順,直至目前,整治工程已運(yùn)行了 6個(gè)水文年,一直保持著這種優(yōu)良的航道形勢,不僅滿足現(xiàn)行航道維護(hù)尺度,而且也達(dá)到《長江干線航道發(fā)展規(guī)劃》的近期航道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí),整治工程對(duì)上淺區(qū)及對(duì)北港、鄱陽湖的出流條件等均無明顯影響。

圖5 南港下淺區(qū)整治后航道形勢

南港下淺區(qū)航道整治的成功經(jīng)驗(yàn)歸結(jié)如下。

(1)因勢利導(dǎo)是河道或航道整治應(yīng)該遵循的重要基本原則,欲達(dá)到預(yù)期的整治效果,必須根據(jù)河床或淺灘演變規(guī)律,朝著有利于建設(shè)要求的方向、目標(biāo)加以治導(dǎo)。特別是對(duì)于分汊河段、通航汊道的選擇,應(yīng)建立在對(duì)汊道和淺灘演變特征以及國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求進(jìn)行認(rèn)真分析研究的基礎(chǔ)上。張家洲水道整治,正是以此思想作指導(dǎo),合理地選擇南港作為全年通航的主航道,首先對(duì)枯水礙航最嚴(yán)重的下淺區(qū)加以整治。

(2)合理選擇淺區(qū)整治線和整治參數(shù)。整治線的選擇是另一個(gè)重要和復(fù)雜的問題,它決定了整治水位下航槽的基本走向和航道整治工程的投資與效益,甚至于關(guān)系到整治工程的成敗。張家洲水道南港下淺區(qū)整治線,是在對(duì)淺區(qū)演變規(guī)律分析的基礎(chǔ)上,針對(duì)淺區(qū)出淺的原因和特點(diǎn),根據(jù)歷史上枯水期曾經(jīng)出現(xiàn)過的航道條件較好時(shí)期的主流流路,并考慮工程實(shí)施的可能性等因素來確定的,這是整治工程取得成功的關(guān)鍵。在整治線方位確定之后,至于整治線寬度、整治水位等參數(shù)問題,可參照類似河段航道整治成功的經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算分析結(jié)果做出初步選擇,最終需通過模型試驗(yàn)研究來確定。

[1]謝鑒衡,丁君松,王運(yùn)輝.河床演變及整治[M].北京:水利水電出版社,1990.

[2]黃召彪,等.長江下游張家洲南港航道整治工程工程可行性研究報(bào)告[R].武漢:長江航道規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,2001.

[3]黃召彪,等.長江下游張家洲南港航道整治工程初步設(shè)計(jì)[R].武漢:長江航道規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,2001.

[4]謝鑒衡.河流模擬[M].北京:水利水電出版社,1990.

[5]李文全,等.長江下游張家洲河段航道整治定床模型試驗(yàn)研究報(bào)告[R].武漢:長江航道規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,2000.

[6]李文全,等.長江下游張家洲河段航道整治動(dòng)床模型試驗(yàn)研究報(bào)告[R].武漢:長江航道規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,2000.

[7]李文全,等.長江下游張家洲南港航道整治工程初步設(shè)計(jì)階段動(dòng)床模型試驗(yàn)研究報(bào)告[R].武漢:長江航道規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,2001.

[8]李文全,等.長江下游張家洲南港航道整治工程施工圖設(shè)計(jì)方案模型試驗(yàn)研究報(bào)告[R].武漢:長江航道規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,2002.