長(zhǎng)江中游牯牛沙水道河床演變規(guī)律及整治措施研究

朱玉德，李旺生，劉萬利，崔喜鳳，邢順敬

（交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300456）

鵝頭形河道是沖積平原河流中的一種常見河型，在我國以長(zhǎng)江中下游居多，這類河型分為單一型和分汊型，形態(tài)復(fù)雜、放寬率大。河道變化基本上伴隨主流線擺動(dòng)，并由此引起灘地的侵蝕或淤積，同時(shí)在洪枯水不同的流路間容易淤積形成淺灘而礙航，是一種較不穩(wěn)定的河型。研究鵝頭形河道的演變及淺灘礙航成因是治理的前提條件。本文以長(zhǎng)江中游牯牛沙水道河床演變分析［1-2］為基礎(chǔ)，通過對(duì)水道整治原則、整治思路及航道整治工程措施等問題的分析研究，最終確立了該水道航道整治方案。

1 工程河段概況

牯牛沙水道位于長(zhǎng)江中游湖北省境內(nèi)，上起西塞山，承接黃石水道，下迄葉家灣，連接蘄春水道，屬單一鵝頭形彎曲河型（圖1）；水道淺區(qū)位于西塞山至茅山港的過渡段內(nèi)，為磯頭控制下的放寬淺區(qū)。河段航道維護(hù)尺度為4.0 m×100 m×1 050 m（水深×航寬×彎曲半徑，下同），保證率98%。到2020年規(guī)劃航道標(biāo)準(zhǔn)為4.5 m×200 m×1 050 m，保證率為98%。

近十余年來，尤其是2003年三峽水庫蓄水后，受上游來沙量減少、來水過程變化及河道采砂等因素影響，牯牛沙邊灘逐漸沖蝕后退，灘體寬度變窄、高程降低，枯水期河道放寬，水道通航條件不斷惡化，導(dǎo)致牯牛沙水道逐漸成為長(zhǎng)江中游重點(diǎn)礙航水道。隨著三峽水庫正常蓄水運(yùn)行，上游來沙量將繼續(xù)減少，牯牛沙水道右邊灘自然還灘能力進(jìn)一步減弱。

圖1 長(zhǎng)江牯牛沙水道示意圖Fig.1 Sketch of Guniusha waterway

2 來水來沙特性

河段水沙特性主要表現(xiàn)為［1-3］以下三方面。

（1）牯牛沙水道年內(nèi)水量分布不均。漲水期一般在4～6月，7～9月為洪水期，9～12月為退水期，次年1～3月則為枯水期，每年5～9月共4個(gè)月的總水流量約占全年的60%，而枯水期1～4月的總水流量?jī)H約占全年的16%。

（2）河段的水位流量關(guān)系具有明顯的逆時(shí)針繩套關(guān)系；河段比降隨流量的變化同水位流量關(guān)系一致，為順時(shí)針繩套關(guān)系。

（3）河段的含沙量和輸沙量比較小，河床變形主要由懸移質(zhì)泥沙沖淤產(chǎn)生，推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)的沙量不大。雖然推移質(zhì)沙量遠(yuǎn)小于懸移質(zhì)沙量，但在中枯水期的河床變形中，推移質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)卻有著十分重要的作用。

3 河段河床演變［1-5］

（1）黃石、牯牛沙兩水道的彎曲方向相反且其間無明顯過渡段。牯牛沙水道的上游是黃石水道，黃石水道為逆時(shí)針方向的彎曲河型，平面上呈明顯“半圓”形，兩端窄中間寬，彎頂位于黃石大橋下游的貓兒磯（右岸）。牯牛沙水道為順時(shí)針方向的彎曲河型，和上游黃石水道彎曲走向相反，形態(tài)上兩彎道間不存在明顯的過渡性河段。

（2）西塞山節(jié)點(diǎn)的導(dǎo)、挑流作用是牯牛沙水道上深槽形成的主要原因。黃石水道的出口即為牯牛沙水道的進(jìn)口，牯牛沙水道進(jìn)口受西塞山和周家灣雙節(jié)點(diǎn)控制，左、右對(duì)峙的節(jié)點(diǎn)對(duì)水流起到了明顯鉗制作用。由于右岸的西塞山節(jié)點(diǎn)凸入河槽，對(duì)水流產(chǎn)生明顯的導(dǎo)、挑作用，而水流同時(shí)受左岸周家灣節(jié)點(diǎn)的擠壓，在雙重作用下西塞山附近（河床收縮斷面）形成一個(gè)巨大的深槽，該沖刷坑即為牯牛沙水道的上深槽。

（3）牯牛沙水道彎曲的河勢(shì)是下深槽形成的主要原因。牯牛沙水道的上深槽自西塞山?jīng)_刷坑向下延伸至花家屯附近，上深槽一般位于河心。受牯牛沙水道彎曲河勢(shì)影響的下深槽一般靠近左岸（凹岸）。上、下深槽的成因不同且受河寬增大的影響，花家屯至茅山港河段存在雙槽，即位于河心的上深槽和位于左岸邊的下深槽，該段的上深槽多寬淺，下深槽則相對(duì)窄深。

（4）不同水文條件下，牯牛沙水道的上、下深槽平面位置的變化是淺灘出淺與否的主要原因之一。受河型、河勢(shì)影響而形成的雙槽河段一般情況下均存在過渡段淺灘，雙深槽河段存在的淺灘是否礙航取決于航道等級(jí)的設(shè)定和上、下深槽的平面位置溝通情況，如果上、下深槽間南轅北轍產(chǎn)生脫離，則航道條件惡化、淺灘礙航；若上、下深槽橫向攏靠，則主流收束，航槽將在落水期不會(huì)因水流分散而來不及沖深，航道水深將改善而成為不礙航淺灘，即優(yōu)良淺灘。對(duì)于牯牛沙水道來說，若上深槽右偏，因彎道而形成的下深槽就會(huì)后退，兩深槽出現(xiàn)脫節(jié)，淺灘礙航；若牯牛沙淺灘上深槽左偏，由于左側(cè)的單寬流量加大，淺區(qū)河段彎道效應(yīng)加大，下深槽上提，上、下深槽銜接溝通，淺灘不礙航，這是牯牛沙過渡段淺灘發(fā)育和消亡變化的原因之一。

（5）牯牛沙水道上深槽右偏、下深槽衰退導(dǎo)致近年來牯牛沙水道過渡段航道條件惡化。牯牛沙淺灘為過渡段淺灘，動(dòng)力軸線的變化、淺灘位置的左右變動(dòng)及右邊灘的發(fā)育或蝕退具有十分密切的關(guān)系。2003年以前，牯牛沙水道河勢(shì)比較穩(wěn)定，長(zhǎng)期維持優(yōu)良的航道條件。但2003年后，受上游三峽水庫蓄水后來水來沙變化等因素影響，牯牛沙右邊灘遭蠶食（包括人為采砂），中枯水河寬增大、水流動(dòng)力軸線變化空間加大，淺區(qū)上深槽右偏、下深槽衰退，上、下深槽橫向錯(cuò)開，洪水期在過渡段形成的局部沙埂、沙包在中枯水期由于水流分散而來不及沖刷，影響航道暢通。目前牯牛沙淺灘礙航較為嚴(yán)重，三峽水庫175 m蓄水運(yùn)用后將可能加劇牯牛沙邊灘的蝕退，使過渡段航道條件進(jìn)一步惡化。

4 整治原則及整治參數(shù)［3］

4.1 整治原則

根據(jù)牯牛沙水道過渡段淺灘的水動(dòng)力特點(diǎn)、淺灘演變特點(diǎn)、河床演變趨勢(shì)以及淺灘治理目標(biāo)、外部條件等，提出牯牛沙水道航道整治原則：（1）保持現(xiàn)有河道格局，促使航道條件朝有利方向發(fā)展；（2）固灘促淤，束窄過渡段河寬，集中水流沖刷枯水航槽；（3）治理方案與河勢(shì)控制規(guī)劃一致，與地方港口規(guī)劃相協(xié)調(diào)，對(duì)防洪、堤防基本無影響。

4.2 整治參數(shù)

采用1982年確定的航行基準(zhǔn)面作為設(shè)計(jì)水位，即牯牛沙水道設(shè)計(jì)水位為6.95 m（黃海高程）。通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，參照已建工程以及模擬優(yōu)良河段等方法綜合確定，當(dāng)整治水位取3 m時(shí)，牯牛沙水道整治線寬度取1 300 m。

5 整治措施研究

5.1 航道治理的基本思路［1，6］

當(dāng)受西塞山挑流影響的過渡淺區(qū)上深槽右偏時(shí)，牯牛沙右邊灘中上段就會(huì)沖蝕后退，枯水河寬增大，因彎道環(huán)流而形成的下深槽就會(huì)后退，兩深槽出現(xiàn)脫節(jié)及淺灘礙航；當(dāng)牯牛沙過渡淺區(qū)上深槽左偏時(shí)，左側(cè)的單寬流量加大，淺區(qū)河段彎道效應(yīng)加大，下深槽上提，上、下深槽銜接溝通，淺灘不礙航，這是牯牛沙過渡段淺灘發(fā)育和消亡的主要表現(xiàn)。

因此牯牛沙河段整治目標(biāo)就是要將上、下深槽溝通并穩(wěn)定起來。對(duì)應(yīng)的航道治理思路有2種：一是改變上深槽的橫向位置，二是改變下深槽的橫向位置。第一種治理思路實(shí)施方案是在牯牛沙右邊灘修建建筑物，限制主流右擺，一定程度的恢復(fù)邊灘，遏制枯水河寬增大趨勢(shì)，使淺灘流速適當(dāng)增加而少淤或多沖；第二種治理思路的實(shí)施方案是在下深槽倒套進(jìn)行填槽，減少倒套吸流，集中水流沖刷過渡段淺埂，2種思路殊途同歸，使上、下兩槽上下溝通。由于上深槽變化是下深槽變化的誘因，因此解決牯牛沙過渡淺灘礙航問題的最佳途徑是從上深槽入手。

5.2 整治措施研究［1-2］

通過對(duì)河段水動(dòng)力條件的分析，結(jié)合對(duì)河段河床演變以及治理思路的認(rèn)識(shí)，針對(duì)河段存在的礙航問題，借助河工模型試驗(yàn)對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化，其中第一種治理思路是在牯牛沙水道右邊灘設(shè)置丁壩群，河工模型分別對(duì)丁壩個(gè)數(shù)、長(zhǎng)度、間距進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明整治效果明顯；第二種治理思路是改變下深槽，降低彎道環(huán)流作用，增加上下深槽過渡段流速，水流條件試驗(yàn)成果表明這類方案對(duì)過渡淺區(qū)航槽流速增加有限，通過比選最終確定了該河段推薦方案。

（1）推薦方案布置。于牯牛沙淺區(qū)右邊灘沿整治線布置4道丁壩，其中前3條為勾頭丁壩，目的是集中水流沖刷淺埂，丁壩壩頭頂部為航行基面上2 m，縱坡1：300，同時(shí)在工程區(qū)左岸實(shí)施岸灘加固工程，工程布置見圖2。

（2）工程治理效果。定床試驗(yàn)表明：工程實(shí)施后各級(jí)流量下工程區(qū)上游水位雖有壅高，但壅高的幅度不大，壅高最大值0.05 m（流量為11 900 m3/s）；右岸壩田區(qū)處于回流、弱流區(qū)，中枯水水位較天然情況略有減?。浑S流量增大水位變幅越來越小，40 000 m3/s流量時(shí)水位已經(jīng)基本無變化，水位的微幅變化對(duì)岸坡以及防洪的影響較小。工程實(shí)施后，上、下深槽過渡段淺區(qū)斷面流速增大明顯，11 900 m3/s流量下斷面平均流速增幅在10%～20%，中枯流量下淺區(qū)流速增大有利于過渡段淺區(qū)落水沖刷。

圖2 牯牛沙水道航道整治工程方案布置圖Fig.2 Regulation project layout of Guniusha waterway

圖3 工程后航道水深圖Fig.3 Depth of channel after regulation

動(dòng)床試驗(yàn)表明：工程實(shí)施后過渡淺區(qū)整治線內(nèi)流速增加，沖刷效果明顯；經(jīng)系列水文年后，上、下深槽4.5 m等深線方案后能全線貫通（方案實(shí)施后2003～2006系列年航道水深見圖3），河段航道滿足4.5 m×200 m（水深×航寬）航道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)要求。丁壩壩頭水流較為平順，壩頭局部沖刷坑約3 m。

河工模型試驗(yàn)表明牯牛沙水道航道整治總體推薦方案實(shí)施后，可以達(dá)到河段遠(yuǎn)期規(guī)劃航道尺度要求。但需要特別關(guān)注長(zhǎng)江中下游平原河流中修建丁壩等整治建筑物的穩(wěn)定性。

6 結(jié)論

（1）牯牛沙淺灘段航道條件近期趨于惡化，主要原因是牯牛沙右邊灘蝕退，中枯水河寬增大、水流動(dòng)力軸線變化空間加大，淺區(qū)上深槽右偏、下深槽衰退。

（2）分析認(rèn)為牯牛沙淺區(qū)上深槽的變化是下深槽變化的誘因，解決牯牛沙淺灘礙航問題應(yīng)從上深槽入手。

（3）借助河工模型試驗(yàn)探索了航道整治工程方案，提出了基于河床演變分析所確立的治理思路，滿足航道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的淺區(qū)河段航道治理總體推薦方案。河工模型試驗(yàn)表明牯牛沙水道航道整治推薦方案實(shí)施后，可以達(dá)到河段遠(yuǎn)期規(guī)劃航道尺度要求。

［1］朱玉德，劉萬利.長(zhǎng)江中游牯牛沙水道航道治理工程物理模型定床試驗(yàn)研究［R］.天津：交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2007.

［2］朱玉德，劉萬利.長(zhǎng)江中游牯牛沙水道航道治理工程物理模型動(dòng)床試驗(yàn)研究［R］.天津：交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2008.

［3］蔡大富，李文全.長(zhǎng)江中游牯牛沙水道航道整治工程工程可行性研究報(bào)告［R］.武漢：長(zhǎng)江航道規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，2009.

［4］李旺生，朱玉德.長(zhǎng)江中游沙市河段河床演變分析及趨勢(shì)預(yù)測(cè)［J］.水道港口，2006（5）：223-226.LI W S，ZHU Y D.Some thoughts about technical problem on regulation of waterway in the middle and lower reach of the Yangtze river［J］.Journal of Waterway and Harbor，2006（5）：223-226.

［5］李旺生.長(zhǎng)江中下游航道整治技術(shù)問題的幾點(diǎn)思考［J］.水道港口，2007（6）：418-424.LI W S.Some thoughts about technical problems on regulation of waterway in the middle and lower reach of the Yangtze River［J］.Journal of Waterway and Harbor，2007（6）：418-424.

［6］張明進(jìn).長(zhǎng)江中游戴家洲河段航道整治工程數(shù)學(xué)模型研究報(bào)告［R］.天津：交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2007.