安康樞紐回水變動區(qū)重點礙航淺灘航道整治研究

張 波，張秀芹，李一兵，劉萬利

（交通部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津300456）

漢江發(fā)源于陜西寧強縣，流經漢中、安康，于白河進入湖北后，在武漢市匯入長江，全長1 567 km，其中陜西段長709 km。漢江是長江最大的一級支流，是陜西省最重要的通航河流，也是陜西省通江達海、溝通東部地區(qū)的唯一水上通道。漢江安康—漢口是長江水運主通道之一，漢江梯級規(guī)劃為7級，即黃金峽、石泉、喜河、安康、旬陽、蜀河、白河七級樞紐，其中安康、石泉2座樞紐已建成。

石泉樞紐運用后，下游河道受調峰影響，水位陡漲陡落，礙航情況嚴重。其中的安康水庫回水變動區(qū)段的漩渦鎮(zhèn)—漢王城成為主要礙航河段［1］。

1 河段概況

1.1 河道概況與灘險自然特性

漩渦鎮(zhèn)—漢王城之間為回水變動區(qū)，區(qū)間長11 km；漢王城以下至安康大壩的108 km河段為常年回水段，當安康水庫的壩前水位降至310 m時，回水變動段恢復到天然河流狀態(tài)。

回水變動段地處漢江上游的山區(qū)地段，平面上呈現峽谷與開闊地段相間的特征，峽谷段兩岸多為石質懸崖，河床狹窄；而開闊段多為堅質黃土，岸坡相對平緩，部分河段岸坡為垃圾與廢渣土堆成。河段內共有6個灘險段，分別為柏果灘、雁子石灘、雁子灘、桐桐灘、桐桐灣灘、漢王城灘。各灘組成不一。

回水變動段的通航水流條件既受上游石泉電站日調節(jié)影響，又受下游安康電站水庫調度的影響；水流特點既有山區(qū)河流灘險特性，又有庫區(qū)河道的特點。當河道受安康樞紐回水影響時，河道灘險被淹沒，水流平緩，水面開闊，具有庫區(qū)航道特點；而當水庫不受安康樞紐調節(jié)影響時，河道變窄，比降和流速加大，低水位時灘險出露，航槽多變，水深嚴重不足，部分淺灘段流速比降過大，灘險流速一般在1.5～3.0 m/s，以柏果灘、雁子灘和雁子石灘最為嚴重，屬于亟待整治的重點灘險。

1.2 水文泥沙特征

建庫前的河道呈現典型的山區(qū)河道的特征，流量變幅大，大小流量相差幾百倍。相應的水位呈現暴漲暴落的特點，最高和最低水位相差約20.0 m。流量年內分配很不均勻，每年的6～10月為汛期，來水量約占全年的70%，而枯水期（12月至次年3月）僅約占全年的10%。

漢江的泥沙主要來自支流，多年的輸沙量從上游到下游逐漸增大，安康站的輸沙量比石泉站多2倍以上，來沙量主要集中在幾次洪峰過程中，汛期的沙量占到了全年的70%～80%，而枯水期含沙量很小。建庫后，石泉站的多年平均含沙量基本沒有變化，而安康站則明顯減小。

1.3 建庫后同流量下水位下降

石泉水庫于1975年1月正式蓄水運用，水庫下泄清水，導致壩下游河段產生長距離的沖刷，水位下降，水庫運用后，在設計流量下，至1998年石泉站水位下降約0.7 m，其中建庫后的10 a（1974～1983年）間下降幅度較大，約降落0.45 m，而后的16 a間下降了0.25 m。水位降落不僅體現在枯水期，在中洪水流量下，水位也產生了明顯的下降。

2 灘險礙航特點及成因

2.1 柏果灘

該灘位于本河段的上段，屬于一級灘險，上距漩渦鎮(zhèn)3 km，下距漢王城8 km。河床組成為沙卵石淺灘，淺灘段長度約2 000 m，平均比降0.3‰，曲率半徑200 m，有效航寬10 m，洪枯水時期水面寬度分別為220 m、90 m。河中有一江心洲，中枯水時期形成左右兩汊。左汊為主航道，枯水階段水淺流急，轉彎半徑過小，航行條件差；右汊枯水期斷流，中洪水才開始過流，但槽內河床高程較高，水深仍然難以達到通航要求，只有到洪水階段，船舶才可以自由航行。

河道中部左岸岸線突然收縮，使得中洪水時期其上游左岸的水流明顯小于主槽流速，并伴有一個回流區(qū)域，造成左岸大量泥沙沉積，形成了一個較大的邊灘；由于該岸緊靠山體，岸邊組成堅硬，成為一個控制節(jié)點，在中洪水時期，迫使水流逼向右岸，受微彎河道的環(huán)流作用，把泥沙帶到河對岸，這也就形成了河中的江心洲和右岸的邊灘；其次，河段下游處有一條較大的溪溝從右岸匯入漢江，洪水時期受溪溝水流的壅水頂托影響，本淺灘段水流流速降低，也容易形成大量的泥沙淤積而在寬闊地帶形成洲灘（圖1）。

圖1 柏果灘河勢Fig.1 River regime of Baiguo shoal reach

2.2 雁子灘與雁子石灘

雁子灘位于柏果灘下游1.3 km處，屬于二級灘險，灘段長約1.5 km。進口段主流靠近河道右岸，下游出口段主流逐漸過渡到河道的左岸，在過渡段的河道中間有一個礫卵石堆積而成的凸洲，高程超過315 m，枯水時期突出于河床，中洪水時期被淹沒。主流從右岸過渡到左岸時，彎曲半徑為200 m（圖2）。

在雁子灘段下游出口處有幾個礁石灘橫立于河槽中部偏左岸一帶，為雁子石灘段，主流靠近右岸，為主航道。在中枯水期，本灘段由于相對地形偏高，加之卵石灘凸洲和礁石灘橫立于主河槽中間，過水面積突然減小，形成了水淺流急的現象，對漢江上的中小船型的航行造成極大威脅。

3 模型范圍及比尺

研究范圍自柏果灘上游進口至雁子石灘出口平順段，原型河道長約4 km，寬為200～300 m。物理模型比尺分別為水平水尺 1∶70，垂直比尺 1∶30，糙率比尺 1 ∶154，流量比尺 1 ∶11 502，流速比尺 1∶5.48［2-3］。

圖2 雁子灘—雁子石灘段河勢Fig.2 River regime of Yanzi shoal to Yanzishi shoal reach

4 工程前礙航與水流特性試驗

4.1 淺灘航道水深觀測

在設計流量下，柏果灘水深很小，航槽內最小水深只有0.47 m。即使是在整治流量下，水深情況也不容樂觀［4］。在流量為249 m3/s和392 m3/s時，1.2 m等深線才能夠貫通。

雁子灘不存在水深不足的情況，在任何流量級下水深均大于1.2 m，彎曲半徑為200 m，滿足Ⅵ級航道尺度要求（水深×寬度×彎曲半徑＝1.2 m×22 m×180 m）。雁子石灘則存在水深嚴重不足的問題，設計流量下，雁子石灘出淺段在C.S.58～C.S.62（模型斷面，下同），航槽內最小水深只有0.28 m（C.S.59處）。從河道地形看，C.S.58猶如一道天然潛壩，是雁子石灘的控制斷面。

4.2 灘段水流條件觀測

設計流量下，柏果灘段局部最大水面比降為3.04‰，出現在C.S.17～C.S.18（長度約50 m），隨著流量的加大，比降逐漸減小。柏果灘最大流速出現在C.S.18處，設計流量下流速值為2.1 m/s，整治流量下流速值為2.3 m/s。

設計流量下，雁子石灘段局部最大水面比降達到15.7‰，出現在C.S.59～C.S.60（長度約50 m）。雁子石灘最大流速出現在C.S.59處，設計流量下流速值為2.4 m/s，整治流量下流速值為2.3 m/s。

5 回水變動區(qū)航道整治原則

一般將回水變動段劃分為2類，一類不存在幅度較大的泥沙沖淤的回水變動段；另一類存在幅度較大的泥沙沖淤變化的回水變動段。對于泥沙沖淤變化比較大的回水變動段，還可以進一步細分為2種，一種是水庫已長期運行多年，回水變動段的河床形態(tài)已基本適應變化后水沙條件，即回水變動段河床泥沙沖淤年內已趨平衡；另一種是水庫運行時間不長，回水變動段河床為適應新的水沙條件而正處于重建被破壞的平衡狀態(tài)之中，一般表現為累積性的泥沙淤積［5］。

安康回水變動區(qū)河段，其各個灘險段雖呈現不同的礙航特征，但都是枯水礙航。從表象看，該灘段既受安康樞紐回水變動影響，又受石泉下泄流量過程的影響，但從多年河床地形變化特點看，該回水變動區(qū)河段可視為清水回水變動段。從這一特點出發(fā)，本河段在采取整治工程措施時，遵循以下主要原則：（1）回水變動段的上段主要以修建整治建筑物為主，必要時輔以疏浚或挖槽。（2）寬淺河段或沙卵石河段的淺灘主要采取整治建筑物來縮窄河床過水面積，提高水庫消落期或者自然河流退水期的流速，延長退水歷時，通過沖刷河槽來達到增加航深的目的。（3）對于基巖河段的淺灘或急流險灘，主要通過挖槽或者爆破手段，來增加航深或者調整比降流速等通航水流條件參數，以滿足通航要求。

6 航道整治工程方案試驗

6.1 整治原則與目標

本河段礙航原因主要是枯水期淺灘處水深不足、比降過大，因此確定整治原則為中枯水整治，在增加水深的同時，減小灘段局部比降［6］。

通過整治，使本河段航道達到Ⅵ級航道尺度標準（水深×寬度×彎曲半徑＝1.2 m×22 m×180 m），航道內表面流速小于3.0 m/s，水面比降小于3.0‰。

6.2 整治參數

由于本河段淺灘礙航的主要原因不是回水變動段的累積性淤積，而是受上游石泉電站下泄水沙和下游安康電站水位調節(jié)雙重影響，表現為小幅沖淤動平衡狀態(tài)，和天然河流的沙卵石淺灘的沖淤規(guī)律類同，不同的是天然河流沙卵石淺灘的沖淤變化動平衡多在年內進行，而安康回水變動區(qū)則往往可能發(fā)生在年際，或者說更近似于水文過程的周期性變化而引起的河床沖淤變形的長周期性動平衡變化。因此，就安康水庫回水變動段而言，仍可借用天然河流推求整治線寬度和整治流量的計算方法進行推求。

根據《安康水庫回水變動區(qū)河段自然特性與通航條件分析報告》［6］提供的數據，柏果灘整治參數初定為設計流量74 m3/s，整治流量150 m3/s，整治水位316.62～317.09 m，整治線寬度80 m。雁子灘和雁子石灘整治參數初定為整治流量150 m3/s，整治水位315.596～316.21m，整治線寬度80 m。

6.3 方案1

由于水流由右岸過渡到左岸時，過渡段河底高程過高，導致柏果灘水深不足，比降過大，在設計流量下柏果灘的比降達到3‰。須通過整治工程增加水深，減小水面比降。該灘礙航位置主要在C.S.15～C.S.20。挖槽以C.S.20設計水位下1.4 m的高程點為基點，向上游按照1.8‰的底坡挖槽，槽寬22 m。在設計流量下，工程前，柏果灘最大比降為3.04‰，超過3‰；工程后，比降均有所減小，水位也有所下降，航槽內流速有所增大。

雁子石灘水深較淺，同時由于C.S.58～C.S.60的比降很大，超過12‰，在設計流量下根本無法通航。挖槽以C.S.62設計水位下1.4 m的高程點為基點，向上游按照5‰的底坡降挖槽，槽寬22 m。雁子石灘天然狀態(tài)下如同潛壩，是上游水位的控制點，對下游而言是跌坎；水深嚴重不足，比降大；工程后，水深增加，比降減小很多，水位也隨之有所下降，航槽內流速有所增大。

該方案實施后，在設計流量下，工程前其他河段航槽內水深一般較深，工程后水位雖有所下降，但仍滿足1.2 m航深要求；流速略有增加，但一般不超過2 m/s，比降也在0.5‰以下。

總的來說，工程實施后，柏果灘的通航條件得以改善，工程前C.S.14～C.S.21河段航深不足1.2 m，工程后達到了1.2 m的設計標準，C.S.14～C.S.17雖然仍未達到1.2 m航深要求，但較工程前的航深有所增加，工程前柏果灘局部位置比降超過3‰，工程后該灘段所有比降均在2.3‰以下，工程后各級流量下流速也都在2.4 m/s以下；雁子石灘的通航條件得以改善，原來C.S.58～C.S.62航深都不滿足1.2 m，工程后只有C.S.58～C.S.60航深未達到1.2 m，流速由原來最大2.4 m/s增加到3 m/s左右，比降下降到6‰左右，工程后的流速和比降還很大，需進一步研究解決；工程后其余河段的航深、流速和比降均滿足要求。

6.4 方案2

針對方案1實施后部分位置航深仍不夠的問題，柏果灘方案2以C.S.20工程前設計水位下1.4 m的高程點為基點，向上游按照1.5‰的底坡挖槽，槽寬22 m。該方案的試驗結果表明：（1）方案2工程實施后，設計流量（Q=74 m3/s）下，柏果灘水位與工程前相比下降了0.17～0.39 m，與方案1實施后的水位相近，由于方案2的挖槽底坡降比方案1略小，方案2航深大于方案1，能夠滿足1.2 m航深要求。隨著流量的加大，航深也越深。（2）方案2工程實施后，流速有所增大，與方案1的流速相近。設計流量下很少超過2 m/s；整治流量下最大流速出現在C.S.18航槽內，為2.4 m/s；Q=249 m3/s和Q=392 m3/s時，最大流速同樣出現在C.S.18航槽內，各級流量下流速均小于3 m/s要求。（3）工程實施后，最大比降為2.2‰，小于3‰，滿足要求。

針對方案1實施后部分位置航深仍不夠、流速增大及比降大的問題，雁子石灘方案2以C.S.62方案前設計水位下1.4 m的高程點為基點，向上游按照3‰的底坡挖槽，槽寬22 m。方案2的試驗結果表明：（1）雁子石灘的航槽水深均達到1.2 m的航深要求；（2）航槽流速均在2.2 m/s以下，流速滿足要求；（3）工程實施后，C.S.57～C.S.58的比降為3.2‰，略大于3‰，需進一步研究解決。

總的來說，工程實施后，柏果灘航槽內的水深均達到1.2 m航深要求，流速符合要求，比降降到3‰以內；工程實施后，雁子石灘航槽內的水深均達到1.2 m航深要求，流速符合要求，比降略大于3‰，需進一步研究以降低比降；其他位置均滿足通航要求。

6.5 方案3

方案3針對方案2雁子石灘局部比降略大于3‰進行局部調整。在方案2的基礎之上，將C.S.58～C.S.59挖槽寬度由22 m拓寬至30 m，為防止水位進一步下降，在航槽右側開挖復式航槽。結果表明，除個別水尺水位稍有下降，其余水尺基本沒有變化。也就是說方案3解決了方案2中C.S.57～C.S.59比降大的問題，使全河段都滿足通航要求。

7 結語

通過安康樞紐回水變動區(qū)重點淺灘航道整治物理模型試驗研究，得到以下認識：

（1）通過灘性分析以及工程前水流特性試驗可以看出，柏果灘主要問題是中枯水期水淺，雁子石灘則主要是中枯水期水淺、比降大而礙航。

（2）針對柏果灘和雁子石灘2個重點灘段的礙航特性，確定淺灘的整治原則“中枯水整治，在增加水深的同時，減小灘段局部比降”是符合實際的。

（3）通過整治方案的不斷優(yōu)化，方案3實施后的航道尺度、水面比降和流速均滿足整治目標的要求。

［1］熊錫林，曾濤，余鈞漢，等.漢江（漩渦—安康）航運建設工程初步設計說明書［R］.成都：四川省交通廳內河勘測規(guī)劃設計院，2000.

［2］JTJ/T233-98，內河航道與港口水流泥沙模擬技術規(guī)程［S］.

［3］謝鑒衡.河流模擬［M］.北京：水利電力出版社，1988.

［4］趙連白，張波，張秀芹.安康水庫回水變動區(qū)河段自然特性與通航條件分析報告［R］.天津：交通部天津水運工程科學研究所，2005.

［5］張瑞瑾.河流動力學［M］.北京：中國工業(yè)出版社，1960.

［6］JTJ312-2003，航道整治工程技術規(guī)范［S］.