山區(qū)河流彎曲分汊淺灘整治技術(shù)研究

劉旺喜，譚 昆，楊祥飛，楊 衛(wèi)，張俊鋒

(1.長(zhǎng)江航道局，湖北 武漢 430010;2.長(zhǎng)江重慶航運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院，重慶 401147)

山區(qū)河流彎曲分汊淺灘整治技術(shù)研究

劉旺喜1，譚 昆1，楊祥飛2，楊 衛(wèi)1，張俊鋒1

(1.長(zhǎng)江航道局，湖北 武漢 430010;2.長(zhǎng)江重慶航運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院，重慶 401147)

結(jié)合川江銅鼓灘的整治情況，對(duì)山區(qū)河流彎曲分汊淺灘水流運(yùn)動(dòng)特性、卵石輸移運(yùn)動(dòng)規(guī)律、淺灘礙航特征、整治措施等彎曲分汊類淺灘的整治技術(shù)進(jìn)行研究，歸納出彎曲分汊淺灘治理要點(diǎn)，為彎曲分汊類淺灘的整治工作提供借鑒。

航道整治;長(zhǎng)江;彎曲分汊淺灘

長(zhǎng)江是世界第三大河，我國(guó)第一大河，貨運(yùn)量世界第一，是橫貫我國(guó)東西部地區(qū)的水上運(yùn)輸大通道，是我國(guó)內(nèi)河交通運(yùn)輸網(wǎng)的重要組成部分。其中長(zhǎng)江干流宜昌以上河段(俗稱川江)位于我國(guó)西部地區(qū)，航運(yùn)的發(fā)達(dá)程度直接影響到到西部地區(qū)沿江經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。從20世紀(jì)50年代以來(lái)，國(guó)家投入資金對(duì)川江進(jìn)行大規(guī)模的整治，使得長(zhǎng)江上游宜昌至重慶河段航道等級(jí)達(dá)到Ⅰ級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)，通行萬(wàn)噸級(jí)船隊(duì)，重慶至宜賓段航道達(dá)到Ⅲ級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)，能通行千噸級(jí)船隊(duì)，取得了良好的整治效果［1］。但是山區(qū)河段內(nèi)的彎曲分汊淺灘，由于河床演變受水流條件、泥沙運(yùn)動(dòng)條件的影響較大，成灘機(jī)理復(fù)雜，在航道整治工程完工2～3年后灘勢(shì)逐漸惡化，航道尺度減小，直接影響了航道整治效果的發(fā)揮［2］。分析原因，除航道維護(hù)力度不夠外，主要是進(jìn)行整治設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)這類復(fù)雜灘險(xiǎn)的灘性認(rèn)識(shí)不夠，對(duì)彎曲分汊淺灘水流及推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律認(rèn)識(shí)不足，從而致使整治方案不能徹底解決灘段的礙航問(wèn)題。為此對(duì)山區(qū)河流彎曲分汊類淺灘的整治技術(shù)進(jìn)行研究，切實(shí)提高整治效果，就顯得十分必要。

筆者結(jié)合川江銅鼓灘的整治情況，對(duì)山區(qū)河流彎曲分汊淺灘成灘機(jī)理、河段內(nèi)卵石輸移運(yùn)動(dòng)規(guī)律及淺灘礙航特性、整治措施等彎曲分汊類淺灘的整治技術(shù)進(jìn)行研究，為彎曲分汊類淺灘的整治工作提供借鑒。

1 彎曲分汊淺灘概況

山區(qū)河流彎曲放寬段大多形成分汊河型，又以兩汊最為常見(jiàn)，即河道分為彎槽和磧槽。我國(guó)西南山區(qū)河流中廣泛的分布有類似彎曲分汊淺灘，其礙航特征表現(xiàn)為“彎、淺、險(xiǎn)”，是山區(qū)河流航道整治中較為復(fù)雜的河型。

彎曲汊道，洪水期為回流緩流區(qū)，有較細(xì)泥沙淤積，淤積量較大，容易使航槽淤塞，此時(shí)主流走直汊，船舶通行不走彎曲漢道，所以不礙航;汛后隨著水位下降，水流逐步回歸彎槽，流量大部分走彎曲汊道，流速較大，洪水期淤積的泥沙被大量帶走，彎槽沖深，但有時(shí)會(huì)出現(xiàn)有效航寬不足、水流流態(tài)較壞的礙航現(xiàn)象，這類灘險(xiǎn)通常具有淺、險(xiǎn)灘的礙航特征［3］。長(zhǎng)江上游的彎曲分汊卵石灘險(xiǎn)，如筲箕背、風(fēng)簸磧、神背嘴、銅鼓灘等灘險(xiǎn)均為長(zhǎng)江上游宜賓至重慶河段中枯水期重點(diǎn)淺險(xiǎn)灘，由于成灘機(jī)理復(fù)雜，整治難度較大。要徹底整治類似灘險(xiǎn)，需要深入研究這些灘險(xiǎn)的水流運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)、推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律、河道變化和形成機(jī)理、河演趨勢(shì)，方能制定出經(jīng)濟(jì)合理的整治方案。

川江銅鼓灘為典型的彎曲分汊淺灘，該灘彎槽位于彎曲狹窄河段凸岸的下方(圖1)。為彎曲放寬河道，江心有卵石磧壩存在，將中枯水河床分為兩汊。灘段平面形態(tài)參數(shù)［4］見(jiàn)表1。

圖1 銅鼓灘河勢(shì)Fig.1 Geographic position of Tonggutan

表1 灘段平面形態(tài)參數(shù)Tab.1 Parameter list of river beach flat morphology

2 彎曲分汊淺灘水流及卵石運(yùn)動(dòng)規(guī)律

2.1 彎曲分汊淺灘水流特點(diǎn)

彎曲分汊河道是普遍存在于我國(guó)西南地區(qū)河流中的一種較為特殊的河型，多出現(xiàn)在彎曲狹窄河段下游的放寬段，多為兩汊形態(tài)。淺灘上游一般為深槽，寬度較窄，淺灘段為放寬段，寬度較寬。淺灘兩岸大多為卵石邊灘。

彎曲分汊類淺灘具有彎道和放寬河段的雙重特性。彎道過(guò)水?dāng)嗝娴膶挾纫话闶窃谧兓?，彎道寬度的變化?huì)對(duì)彎道水面的橫比降、彎道環(huán)流的發(fā)展、彎道環(huán)流的消亡和流速流向變化產(chǎn)生很大的影響。

2.1.1 橫比降最大值出現(xiàn)的位置

一般在河道是等寬的時(shí)候，即放寬率β=1時(shí)，橫比降由彎道進(jìn)口沿程逐漸增大，到達(dá)彎頂附近，橫比降達(dá)到最大值，再向下游又逐漸減小。當(dāng)β較大時(shí)，最大橫比降的位置一般出現(xiàn)在彎道進(jìn)口至彎頂段，也就是說(shuō)當(dāng)下游河道放寬后，會(huì)使橫比降的最大值的位置向彎道上段移動(dòng)。

橫比降的最大值出現(xiàn)的位置還隨著水流強(qiáng)度的變化而有所不同，在同一個(gè)彎道中，當(dāng)Fr較大的時(shí)候，橫比降的最大值出現(xiàn)在彎道中間稍向上偏的位置，但是當(dāng)Fr減小到很小時(shí)，其最大值出現(xiàn)的位置會(huì)在彎道的進(jìn)口。

2.1.2 縱比降最大值出現(xiàn)的位置

水面的縱比降和流速是工程應(yīng)用中最關(guān)心的兩個(gè)水力要素，對(duì)于山區(qū)通航河流來(lái)說(shuō)，一般都會(huì)規(guī)定航道內(nèi)流速和局部縱向比降不能過(guò)大。

由于水面橫比降的影響，水面縱比降沿橫向的分布是不均勻的，同一斷面上，凸岸和凹岸之間的縱比降差別很大，方向也往往是不同的;縱比降沿縱向的分布往往也是正負(fù)相間的，最大比降出現(xiàn)的位置，是與橫向環(huán)流的充分發(fā)展、使最大流速區(qū)由凸岸移向凹岸，從而產(chǎn)生的局部加速區(qū)有關(guān)。

凸岸縱比降的最大值Jtu-max在Fr較大時(shí)，均出現(xiàn)在彎道進(jìn)口段，當(dāng)Fr減小的時(shí)候，Jtu-max會(huì)向下游轉(zhuǎn)移，出現(xiàn)在彎頂段。而凹岸縱比降的最大值Jao-max，一般都出現(xiàn)在彎道出口段，但是當(dāng)彎道進(jìn)口附近水流慣性很大，彎道中心半徑也很大時(shí)，彎道出流順暢，在凹岸沿程都沒(méi)有負(fù)比降的發(fā)生，這種情況下Jao-max就有可能出現(xiàn)在彎道進(jìn)口處。

2.1.3 流速流向特點(diǎn)

彎曲分汊淺灘水位期不同，流速流向各異。隨河道放寬，洪水期水流趨直，主流位于河心，走直汊，流速沿程逐漸增大。受上段彎道環(huán)流的影響面流趨直，但底流則偏向彎汊，同時(shí)受河勢(shì)影響，彎汊容易形成緩慢回流?？菟?，水流主流落灣，沖刷彎汊。流速亦沿程逐漸增大。洪、枯水期水流流速流向的不同直接影響到卵石推移質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

2.2 彎曲分汊淺灘卵石運(yùn)動(dòng)規(guī)律

推移質(zhì)的淤積和水流在橫斷面上的流速分布關(guān)系很大，流速如果大于起動(dòng)流速，推移質(zhì)會(huì)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)而不會(huì)落淤，如果某區(qū)域流速過(guò)小，推移質(zhì)也無(wú)法進(jìn)入到該區(qū)域，則該區(qū)域也就沒(méi)有推移質(zhì)的淤積。外形上，淤積區(qū)的外邊界的線形和回流區(qū)的邊界形狀在彎道段很相似，基本接近彎道的外形。出了彎道以后，回流區(qū)的邊界會(huì)向內(nèi)收縮，而淤積區(qū)的外邊界會(huì)向外擴(kuò)散?？偟膩?lái)說(shuō)，淤積區(qū)至內(nèi)岸的最大距離的變化規(guī)律基本上和回流區(qū)的寬度變化是一致的，都是隨著Rc的減小而增大的。

推移質(zhì)在淤積的過(guò)程中，其顆粒的大小在橫向的分布［5］，從河心到凸岸呈現(xiàn)出由大到小的分布規(guī)律(圖2)。

圖2 推移質(zhì)淤積區(qū)示意Fig.2 Process of filling up drawing

在洪水期，卵石從深槽向卵石邊灘輸移，由于邊灘較寬，水流分散，放寬段卵石輸移帶較寬，一般呈扇狀，如胡家灘、銅鼓灘、油榨磧等卵石淺灘。在枯水期，洪水期卵石輸移帶的地方易形成淺灘或暗磧礙航。

3 彎曲分汊淺灘礙航特性

彎曲分汊類淺灘一般具有淺灘和險(xiǎn)灘的礙航特征。洪水期彎汊為回流緩流區(qū)域，泥沙大量淤積，航槽淤堵，但此時(shí)主流走直汊，船舶通行不走彎曲漢道，所以不礙航;枯水期隨著水位下降，水流歸槽，水流大部分走彎曲汊道，流速較大，洪水期淤積的泥沙被沖刷，航槽沖深，有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)有效航寬不足或流態(tài)紊亂的礙航現(xiàn)象［6］。下面以川江典型灘險(xiǎn)——銅鼓灘的通航情況分析彎曲分汊淺灘的礙航特性及礙航成因。

銅鼓灘位于兩反向河灣之間，屬典型的彎曲分汊類淺灘。該灘具有“上淺、中彎、下險(xiǎn)”的礙航特征。從2007年4月測(cè)圖看，灘段入口銅鼓子淺區(qū)的航槽水深在2.2～2.6 m間，不能滿足2.7 m水深的航線達(dá)160 m長(zhǎng)，并且在某些年份維護(hù)水深達(dá)1.8 m都很困難。在灘中段建順壩后，掃彎水雖有所改善，以及下段流態(tài)得到一定改善，但由于航道彎曲半徑剛能滿足560 m的要求，而此處流速達(dá)3.56 m/s，船舶航行于此仍比較危險(xiǎn)。

下行船舶在上段灘口易擦淺。在下段需抱航槽左側(cè)潛磧行使。抱磧緊，易在潛磧擦淺;抱磧松，則在主流頂托下易在彎道對(duì)出的右岸石盤(pán)觸礁;加上流態(tài)壞，船舶轉(zhuǎn)向操作較為困難。上水船舶因航道窄、淺、彎，操作亦感困難。該灘上段銅鼓子淺區(qū)水深不足，中下段流速大，流態(tài)較壞，航道彎是礙航的主要原因［7］。

4 銅鼓灘治理措施及效果

銅鼓灘整治方案的整治措施為:①疏浚開(kāi)辟左槽。即開(kāi)挖江中迎賓閣與潛磧之間的磧槽。開(kāi)挖長(zhǎng)度1 100余m，開(kāi)挖寬度上段80 m，下段逐漸加寬到95 m，開(kāi)挖深度3.5 m。挖槽縱坡采用變坡。新挖左槽的目的是:將銅鼓灘上下深槽平順連接，從而徹底避開(kāi)流態(tài)紊亂、彎曲狹窄的舊航槽-右槽，根本解決該灘流態(tài)壞，航道彎曲的問(wèn)題。挖槽寬度下寬上窄，縱坡采用變坡是為了使下口水流分散，防止下口流速過(guò)大，船舶不能直航上灘［8］。②江中拋筑1道順壩和3道齒丁壩，同時(shí)在右槽建1道潛壩［9］。目的是調(diào)整兩汊分流比，增大左槽枯水期流量，以穩(wěn)定新開(kāi)的左槽。

圖3 銅鼓灘整治方案Fig.3 Improvement plan for Tonggutan

銅鼓灘是長(zhǎng)江干流重慶以上的三大名灘之一，也是長(zhǎng)江重慶以上航道整治投資力度最大的灘險(xiǎn)。左槽疏浚于2009年2月底交工驗(yàn)收，江中順壩、齒丁壩以及右槽潛壩和護(hù)底工作在2009年5月中旬全部完工。到目前，該灘的治理效果也是很好的。具體表現(xiàn)在:①新航槽穩(wěn)定性好。銅鼓灘左槽的挖槽范圍大，長(zhǎng)度達(dá)到1 100余m，像這種大面積新開(kāi)航道，航槽能否不回淤是很重要的問(wèn)題。目前左槽航道尺度穩(wěn)定，達(dá)到設(shè)計(jì)尺度要求，沒(méi)有回淤，穩(wěn)定性好。②航行條件較好。銅鼓灘上段水深時(shí)有不足，為防止左槽上口回淤，所以在江中拋筑整治建筑物調(diào)整分流，沖刷灘段上口。銅鼓灘下口流速大，如果上口入槽流量過(guò)大，會(huì)引起下口流速進(jìn)一步增加，致使該位置船舶直航上灘困難。為此，設(shè)計(jì)時(shí)特將挖槽下口逐漸放寬，以減緩下段水流的流速。目前看，左槽水流平順，船舶上下通行都很方便，沒(méi)有出現(xiàn)左槽下口流速過(guò)大，船舶難以上行的情況。

總的來(lái)看，銅鼓灘航道左槽開(kāi)通后，該灘上下游深槽平順連接，航道順直，水流平穩(wěn)，流速流態(tài)比降較好。該灘“上段淺、中段彎、下段險(xiǎn)”的問(wèn)題都得到好的解決，船舶上下通行都很方便。銅鼓灘新開(kāi)航槽，輔以整治建筑物維持新槽穩(wěn)定的治理方案獲得成功。

5 結(jié)論

根據(jù)山區(qū)河流彎曲分汊淺灘的水流特性、卵石運(yùn)動(dòng)規(guī)律、礙航特性，結(jié)合到典型灘險(xiǎn)——銅鼓灘的治理經(jīng)驗(yàn)，歸納彎曲分汊淺灘的治理要點(diǎn):

1)川江敘渝段彎曲放寬、枯水分汊典型卵石淺險(xiǎn)灘——銅鼓灘的河床演變、整治方案研究和效果分析表明:受河勢(shì)的限制，彎曲汊道的航道曲率半徑較小，流態(tài)壞，航道條件通過(guò)整治可有所好轉(zhuǎn)，但難顯著提高，加上彎曲汊道疏浚后，該區(qū)域的穩(wěn)定性差。磧槽枯水期航道尺度不滿足要求，但較為順直，并與上下游深槽平順連接，河床質(zhì)粒徑較粗，年內(nèi)基無(wú)沖淤變化。在彎曲汊道難以從根本上解決礙航問(wèn)題的情況下，可考慮航運(yùn)發(fā)展需求，在充分論證的前題下，開(kāi)辟江中磧槽，形成平順連接上下游深槽的新航道。

2)根據(jù)彎曲分汊河段水流運(yùn)動(dòng)特性和泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律，新開(kāi)磧槽宜采取基建性航槽疏浚與筑壩相結(jié)合的枯水整治方法。挖槽斷面的寬深比B/H=18～22時(shí)推移質(zhì)輸移強(qiáng)度大，所以新開(kāi)航槽采取窄深型較好［10］。在疏浚的同時(shí)，可在江中和彎曲汊道內(nèi)修建整治建筑物以增加直槽的分流量，從而增加直槽的輸沙能力;可在磧槽內(nèi)筑壩束水攻沙以維護(hù)挖槽穩(wěn)定。

［1］長(zhǎng)江航道局.川江航道整治［M］.北京:人民交通出版社，1997.

［2］長(zhǎng)江重慶航運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院.長(zhǎng)江干線宜賓合江門(mén)至瀘州納溪航道建設(shè)二期工程可行性研究報(bào)告［R］.重慶:長(zhǎng)江重慶航運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院，2006.

［3］重慶交通大學(xué).長(zhǎng)江上游銅鼓灘航道整治數(shù)值模型研究報(bào)告［R］.重慶:重慶交通大學(xué)，2005.

［4］重慶西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所.長(zhǎng)江干線敘瀘段銅鼓灘航道整治定床模型試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.重慶:重慶交通大學(xué)，2006.

［5］重慶西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所.長(zhǎng)江干線敘瀘段銅鼓灘航道整治動(dòng)床模型試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.重慶:重慶交通大學(xué)，2006.

［6］重慶交通大學(xué).長(zhǎng)江敘渝段典型卵石淺險(xiǎn)灘的整治技術(shù)研究報(bào)告［R］.重慶:重慶交通大學(xué)，2007.

［7］楊祥飛.長(zhǎng)江上游銅鼓灘治理措施研究［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，29(1):133-136.

YANG Xiang-fei.Regulation measures of Tonggu Beach at Upstream of Yangtze River［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science，2010，29(1):133-136.

［8］JTJ 312—2003航道整治工程技術(shù)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2003.

［9］長(zhǎng)江重慶航運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院.長(zhǎng)江干線宜賓合江門(mén)至瀘州納溪航道建設(shè)二期工程初步設(shè)計(jì)［R］.重慶:長(zhǎng)江重慶航運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院，2007.

［10］楊祥飛，張俊，周林.長(zhǎng)江上游汛期疏浚設(shè)計(jì)方法［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，29(3):454-457.

YANG Xiang-fei，ZHANG Jun，ZHOU Lin.Design method of dredgeing up the upper changjiang river at flood season［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science，2010，29(3):454-457.

On Regulation Technology of Bend Branching Shoal in Mountain River

LIU Wang-xi1，TAN Kun1，YANG Xiang-fei2，YANG Wei1，ZHANG Jun-feng1
(1.Changjiang River Waterway Bureau，Wuhan 430010，Hubei，China;
2.Survey＆ Design Institute of Yangtze River Harbor＆ Waterway Engineering，Chongqing 401147，China)

The mechanism of forming the gravel shoals on bending braided montain river is complex.Lack of cognition for characteristics of complex rapids and scree running law would exert influence on improvement result.Based on the understanding of Chuanjiang Tonggutan situation，it made a research the governing ways of flow running law，scree moving law，shoal blocking characteristic and regulation technology was carried out.Governing ways of shallow curved branching points were summarized，which provided some reference for improving the situation of bending braided gravel shoals.

waterway regulation;The Yangtze River;bending braided shoals

U617

A

1674-0696(2011)03-0448-04

2011-03-08;

2011-03-17

劉旺喜(1964-)，男，湖北武漢人，高級(jí)工程師，主要從事航道整治技術(shù)研究、航道建設(shè)管理方面的工作。E-mail:4951190@qq.com。