金沙江大雪灘群河床演變與灘險(xiǎn)礙航特性

胡小慶

(長江重慶航運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院，重慶 401147)

為加快長江干線航道建設(shè)，2005年4月交通部提出了長江干線航道近期按“深下游、暢中游、延上游”的系統(tǒng)治理思路，其中云南水富至四川宜賓金沙江河段Ⅲ級航道建設(shè)工程是“延上游”的主要組成部分，進(jìn)行航道整治是提高航道等級、實(shí)現(xiàn)“延上游”的有效措施.金沙江大雪灘群礙航嚴(yán)重，對長江干線航道“延上游”工程的水富至宜賓段起著控制作用.由于其緊臨金沙江與岷江匯合口，下游受岷江水流頂托的影響，水沙運(yùn)動規(guī)律十分復(fù)雜，加上近年來人類活動頻繁，河床演變規(guī)律發(fā)生改變，灘險(xiǎn)成因更為復(fù)雜，礙航因素更為多變，整治難度極大，進(jìn)行系統(tǒng)的河床演變規(guī)律研究、灘險(xiǎn)成因分析顯得尤為重要.

通過收集灘段地形、水文及流速比降等資料，充分應(yīng)用河工模型試驗(yàn)研究成果，采用航道整治、河流動力學(xué)、河床演變學(xué)等基礎(chǔ)理論［1－3］，借用川江銅鼓灘［4－6］、風(fēng)簸磧?yōu)?－8］和神背嘴灘［9－12］等類似灘險(xiǎn)的成功經(jīng)驗(yàn)，對大雪灘群河床演變規(guī)律和礙航特征進(jìn)行系統(tǒng)分析，可為研究大雪灘群航道整治方法及類似灘群的治理提供有力參考.

1 河段概況

大雪灘群位于金沙江下游河口段，地處金沙江與岷江匯合口(宜賓)以上2～6km河段，河段整體河勢較為順直，但枯水流路蜿蜒曲折，呈現(xiàn)上寬下窄的平面特性(見圖1)，以下分段進(jìn)行描述.

過渡淺區(qū)河段(磧首灘):深泓最淺處的枯水水深不足2.7m，由于其上右岸為三官磧磧壩，深槽位于左側(cè)，其下左岸為寬大的中壩卵石磧壩，深槽位于右側(cè)，致使枯水流路從左到右水流銜接不順，且河底縱坡達(dá)到38‰，枯水最窄處河寬約150m.

中壩至手扒巖河段(大雪灘):左岸為寬大的中壩卵石磧壩，最寬達(dá)270m，最長約550m，磧面高程259～260m，稍高于枯水水面.右岸為巫木嘴、手扒巖巖壁和大石包石盤突嘴，大石包伸入河心130m，水流方向長約130m，頂部最高達(dá)270.7m，高出枯水水面達(dá)12m以上.由于左側(cè)中壩和右側(cè)大石包交錯伸入江心、相互擠壓及突嘴頂沖，致使枯水流路彎曲，流向改變較大，局部深潭枯水水深達(dá)25m.枯水大石包突出端處最窄，河寬約120m，洪水河寬最大可達(dá)到580m.

大中壩至撈財(cái)壩河段(撈財(cái)壩灘):左岸為長直的大中壩卵石磧壩，磧壩長約1300m，寬約170m，磧面高程259～266m，且磧面分布眾多礁石.右岸為撈財(cái)壩淺磧和燈桿石石梁，撈財(cái)壩256m等高線伸出河心較多，與大中壩共同擠壓水流，使該河段枯水主要流路集中在左側(cè)約150m的河寬內(nèi)，加之該河段深泓較高，沒有明顯深槽，枯期岷江頂托作用較小時，流急坡陡.至燈桿石河段，深泓從左岸突轉(zhuǎn)為右岸，且上下深槽略有交錯，水流阻力較大.枯水燈桿石處最窄，河寬約190m，洪水河寬440～490m.

中壩大橋河段(小雪灘):左岸朝天棒等石梁，高程259～274 m，右岸青草壩礁石及石盤，高程260～270m，二者左右對峙，河面較窄.枯水中壩大橋河寬最窄，約170m;洪水河勢順直，河寬370～400m，沿程變化很小.深泓于大橋上游的右岸逐漸左移，至大橋斷面靠近左岸，隨后又漸右移至鐵路橋處居中.

圖1 大雪灘群河勢Fig.1 River regime of Daxuetan shoals

綜上所述，研究河段呈現(xiàn)典型山區(qū)河流的河谷特征，深泓高低不平，深槽與淺脊相間，河底縱坡局部陡急，突嘴、石梁、石盤眾多，礁石隨處可見.枯水河槽彎曲，河寬沿程變化頻繁.磧壩寬大，其卵石組成較粗，抗沖性強(qiáng).

2 水文特性分析

研究河段上游約56km設(shè)有屏山水文站;金沙江右岸一級支流橫江于研究河段上游約25km匯入金沙江，并設(shè)有橫江水文站;岷江于與金沙江匯合口上游6km設(shè)有高場水文站.這3個水文站對研究河段的水文條件形成了較為完整的控制.鑒于灘段地處河口段，分析其獨(dú)特的匯流特性和水位流量關(guān)系是整治工程的首要任務(wù).

2.1 金沙江、岷江匯流特性

設(shè)Q屏為金沙江屏山站流量;Q橫為橫江站流量;Q岷為岷江高場站流量;Q金為金沙江屏山站和橫江站流量之和，Q金=Q屏+Q橫;Q總為金沙江屏山站、橫江站和岷江高場站流量之和，Q總=Q金+Q岷;R為金沙江匯流比，R=Q金/Q總.另定義Rp為頻率匯流比，即匯流比R小于等于Rp的天數(shù)占統(tǒng)計(jì)總天數(shù)的百分?jǐn)?shù).

統(tǒng)計(jì)分析金沙江屏山水文站、橫江水文站和岷江高場水文站1999—2008年10年日均流量資料(見圖2).各種流量情況下，匯流比在 0.65～0.75時出現(xiàn)頻率約 51.1%，在0.60～0.80時出現(xiàn)的頻率達(dá)到 78.26%.不同的流量段，匯流比存在一定差異，如Q金≤1500m3/s時，匯流比0.60～0.70，0.55 ～0.75 時出現(xiàn)頻率分別達(dá)到 69.31%和 92.05%，Q金＞15000m3/s時，匯流比 0.70 ～0.80，0.65 ～0.85 出現(xiàn)頻率則分別為50.00%和88.24%.

圖2 金沙江匯流比累計(jì)頻率曲線Fig.2 Cumulative frequency curve of Jinsha River

通常情況下，航道整治工程選擇原則為“不利”和“可能”.金沙江大多為急灘，匯流比較大，即流量偏大，則灘段流速大，對急灘而言則為“不利”;“可能”是實(shí)際有可能出現(xiàn)的匯流比，根據(jù)實(shí)際統(tǒng)計(jì)資料獲得.研究金沙江大雪灘群代表流量，當(dāng)Q金≤1500m3/s時，匯流比宜選用0.72左右，因?yàn)榇笥谠搮R流比出現(xiàn)的頻率已不到5%，且0.72出現(xiàn)頻率也比較大;當(dāng)Q金＞15000m3/s時，匯流比宜選用0.80左右，因?yàn)樵搮R流比為該流量區(qū)段出現(xiàn)頻率最多的匯流比;其他流量區(qū)段可參照選用相應(yīng)值.

2.2 灘段水位流量關(guān)系

統(tǒng)計(jì)分析固4水尺2008年3—12月水位與金沙江和岷江流量關(guān)系(見圖3)，固4水尺水位與金沙江流量的關(guān)系較為散亂，相關(guān)性較差，而與兩江總流量的關(guān)系相對集中，相關(guān)性極強(qiáng).因此，固4水尺水位與兩江總流量具有良好的單一關(guān)系，顯示了近河口段的獨(dú)有特性，可作為大雪灘群水位流量關(guān)系的基本資料.

圖3 固4水尺水位與金沙江和岷江流量的關(guān)系Fig.3 Relationships between water level at No.4 water ruler and flow discharge of Jinsha River and Minjiang River

3 灘段流速比降分析

3.1 平均比降分析

根據(jù)固3和固4水尺水位觀測資料，分析了研究河段平均比降(固3與固4水尺間)隨金沙江流量和匯流比的變化(見圖4).由圖4(a)可見，由于受岷江頂托等影響，水面比降與流量關(guān)系不單一，同一流量下比降變幅一般為0.2‰，枯期變幅可達(dá)0.4‰.但從整體上可看出，中、枯水期，比降隨流量增大而減小，至Q=6000m3/s左右達(dá)到最小，而中洪水期則表現(xiàn)出隨流量增大而增大的趨勢，但增速緩慢.由圖4(b)可見，總體上比降隨匯流比的增大而增大，但關(guān)系仍不單一.經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，比降隨匯流比的變化明顯反映在不同的流量區(qū)段，Q≤2500m3/s時的比降均位于上部，而Q＞2500m3/s時均位于下部，上部的趨勢線斜率大于下部.這說明，小流量時隨匯流比增大，比降增速較快，而大流量時隨匯流比增大，比降增速較慢.

圖4 水面比降隨金沙江流量和匯流比的變化Fig.4 Slope of water surface with discharges and flow concentration ratio of Jinsha River

3.2 比降沿程變化

根據(jù)2008年4月、7月和8月水面線觀測資料，分析了各級流量水位的沿程變化(見圖5).從圖5可見，洪、枯水水面形態(tài)有明顯差異，洪水沿程水面線上凸，枯水則下凹.枯水出現(xiàn)兩處的局部陡比降，特別是河心最為明顯，洪水水面沿程變化相對較均勻.

枯水最大河心比降出現(xiàn)在磧首灘淺區(qū)，局部約2.06‰，鄰近最大流速3.06m/s;其次出現(xiàn)在撈財(cái)壩段，局部比降1.69‰，鄰近最大流速2.69 m/s.洪水期水面明顯分為3段，第1段為三官磧至大石包，水面相對平緩，河心平均比降0.25‰;第2段為大石包至青草壩，水面相對較陡，7月9日實(shí)測河心平均比降0.58‰，隨匯流比不同有所變化;第3段為青草壩以下，水面基本水平.

圖5 各級流量水位沿程變化對比Fig.5 Water level with different flow discharges

3.3 流速沿程變化

根據(jù)2008年4月、7月和8月表面流速流向觀測資料，分析了各級流量最大表面流速的沿程變化(見圖6).可以看出，洪枯最大流速沿程變化差異較大，洪水流速均大于枯水流速.

枯水最大流速沿程分布存在2個高速區(qū)和3個低速區(qū);磧首淺區(qū)到手扒巖流速最大，一般在3m/s左右，最大為3.06m/s;其次為撈財(cái)壩段，流速一般在2.6～2.8 m/s，最大2.83m/s;3個低速區(qū)為三官磧、大石包和鐵路橋段，流速一般在1.2m/s左右.

洪水最大表面流速沿程可分為3段，三官磧至撈財(cái)壩段流速沿程變化不大，流速值居中，大多在3.5m/s;撈財(cái)壩至鐵路橋段流速最大，一般在4～5m/s內(nèi)，最大達(dá)到4.78 ～5.47m/s;鐵路橋以下段流速迅速減小至2.2m/s左右.

圖6 各級流量最大表面流速沿程變化Fig.6 Maximum surface velocity with different flow discharges

4 河床演變規(guī)律分析

4.1 多年河床演變分析

對比1966年、2003年和2008年水深地形圖，40余年來研究河段因受城市建設(shè)等人為因素的影響，左側(cè)岸線變化較大，但深泓平面整體上變化不大，邊灘、深槽、淺脊等布置格局基本未變，其特點(diǎn)是:(1)左側(cè)岸線大幅右移，右側(cè)岸線基本固定;(2)深泓平面變化不大，上段深泓線高程變化較小，而下段明顯沖刷;(3)中壩磧面普遍刷深，磧首沖刷小而磧尾沖刷大;(4)大中壩邊灘的高程和形態(tài)基本穩(wěn)定;(5)中壩磧首淺區(qū)、手扒巖彎段和撈財(cái)壩直槽段，其枯水河槽的形態(tài)、高程和寬度基本穩(wěn)定.

4.2 年內(nèi)河床演變分析

根據(jù)2008年3月、7月和8月水深地形圖，分析了研究河段年內(nèi)深泓平面、深泓縱向和橫斷面(見圖7～9)變化.

從圖7可見，自三官磧始，深泓平面有3處左右過渡，分別于磧首灘淺區(qū)、燈桿石和青草壩段.整體上看，深泓平面年內(nèi)未出現(xiàn)大范圍以及大幅度的變化.在中壩至手扒巖段深泓洪期有所左移，最大約50m(3—7月移動30m，7—8月移動20m)，但深泓移動是枯水深槽淤高，水深相對變淺形成，并非洪水主流另刷深河床而致;另在大中壩至撈財(cái)壩段約有15m右移，但主要體現(xiàn)在7—8月，而3—7月的深泓基本一致.

Fig.7 Changes of thalweg in plane圖7 深泓平面變化

圖8 深泓縱向變化Fig.8 Change of thalweg in longitudinal

從圖8可見，灘段洪、枯期深泓淺脊、深槽的布置格局基本未變.三官磧至磧首灘、大石包至青草壩段深泓線上下交錯、相互交織，沖淤變化不大，基本保持穩(wěn)定.變化最大的為手扒巖深槽段，從磧首灘至大石包約850m河段內(nèi)，洪期深泓有不同程度的淤高，大石包上游深潭內(nèi)最大淤高達(dá)15.4 m;變化較大的為鐵路橋窄深段，深泓出現(xiàn)明顯沖刷，最大沖深8.1 m.

圖9 橫斷面變化Fig.9 Changes in cross section

從圖9可見，整體上沖淤變化主要體現(xiàn)在深槽內(nèi)，而邊灘、磧壩基本保持穩(wěn)定.洪期在磧首灘淺區(qū)、撈財(cái)壩和中壩大橋段沖淤變化很小，三官磧段也僅在三官磧磧面存在約3m的沖刷.手扒巖沿岸深槽存在明顯淤積，最大淤積達(dá)到20m，3—7月和7—8月各淤10m，淤積方式主要為平行抬升式，而中壩、大中壩灘面基本穩(wěn)定.在天心窩和鐵路橋段存在明顯沖刷，最大沖深約9.2m，3—7月和7—8月沖刷幅度基本相同，沖刷方式主要為平行刷低式.另外，在大石包磯頭處也存在2～8 m的局部沖刷.

總體看來，年內(nèi)沖淤變化與水流條件密切相關(guān)，手扒巖沿岸深槽枯水期為主流區(qū)，而洪水期為回流和緩流區(qū)，主流趨直走中壩磧中，所以呈現(xiàn)洪淤枯沖的特點(diǎn).天心窩和鐵路橋段窄深，枯水水流緩慢，水面平緩，泥沙落淤，而洪水流速增大、比降變陡，沖刷河床，所以體現(xiàn)為洪沖枯淤的演變規(guī)律.其他如過渡段、邊灘以及深泓平面等基本保持穩(wěn)定，航道整治可根據(jù)這一特點(diǎn)分別選用適當(dāng)?shù)姆椒?

5 灘險(xiǎn)成因及礙航特性分析

為全面分析灘險(xiǎn)成因及礙航特性，利用1∶100河工模型進(jìn)行了流量為1250，1720，2547，4875，8300和12400m3/s等11級特征流量的水流特性試驗(yàn).依據(jù)試驗(yàn)資料分析，研究河段存在礙航的灘段主要有4處，即磧首灘、大雪灘、撈財(cái)壩灘和小雪灘.

5.1 磧 首 灘

磧首灘位于三官磧深槽與大雪灘深槽過渡段，受左側(cè)中壩和右側(cè)卵石突嘴限制，枯水河面狹窄，加之深泓高突，河床底坡陡、組成粗難以下切，致使水深淺、流速急、比降陡，為枯水卵石淺急灘.礙航特點(diǎn)具體表現(xiàn)在:(1)水淺:Q＜1720m3/s枯水期，3m水深線不貫通，不滿足設(shè)計(jì)通航水深的要求.(2)坡陡流急(見圖10):枯水比降最大達(dá)4.76‰，后逐漸減小，至Q=8300m3/s后穩(wěn)定在0.8‰左右;流速呈現(xiàn)枯、洪水大，中水小的規(guī)律，枯水流速最大達(dá)4.17m/s，Q=4875m3/s時流速最小，然后又隨流量增大而逐漸增大，至 25700m3/s時為 4.02m/s.Q=1250～2547m3/s的設(shè)計(jì)航線比降達(dá)3.04‰ ～4.76‰，流速達(dá)3.65 ～4.17m/s，遠(yuǎn)超消灘水力指標(biāo).

5.2 大 雪 灘

大雪灘緊接磧首灘，左岸寬大磧壩邊灘和右岸大石包石盤相錯突入河心，致使枯水航槽極為彎曲，枯期下行船舶出三官磧后，受阻于中壩邊灘，調(diào)向右岸穿斜流淺區(qū)至巫木嘴，剛調(diào)順航向又緊急調(diào)向避讓大石包突嘴，稍有不慎即有觸礁危險(xiǎn).加之磧首到深槽、深槽至大石包等處航線斜流旺盛，航域選擇余地小，彎岸突嘴連連，流態(tài)紊亂，泡漩頻發(fā)，航行十分危險(xiǎn).可見，大雪灘為彎急、水亂的彎險(xiǎn)灘，礙航特點(diǎn)具體表現(xiàn)在:(1)彎急:該段枯水最小彎曲半徑約260m，水流流路局部彎曲半徑更小.(2)水亂:圖11顯示流速、比降滿足水力指標(biāo)要求，礙航的主要問題是存在橫流、回流、泡水等不良流態(tài).彎道枯水進(jìn)口水流流向與設(shè)計(jì)航行交角達(dá)到20°～40°，航線附近橫流速度最大可達(dá)2.0m/s.進(jìn)、出口段在航槽兩側(cè)出現(xiàn)雙向回流，回流強(qiáng)度達(dá)到1～2m/s.在大石包附近沖坑泡漩強(qiáng)烈.可以看出，該段流速出現(xiàn)枯、洪水大，中水小的規(guī)律，而比降則為枯水稍大，約1‰，然后逐漸減小至中水和洪水，穩(wěn)定在0.2‰左右.

圖10 磧首灘設(shè)計(jì)航線流速、比降隨流量變化Fig.10 The velocity and slope changes in design waterway with flow discharge change at Qishoutan shoal

圖11 大雪灘設(shè)計(jì)航線流速、比降隨流量變化Fig.11 The velocity and slope changes in design waterway with flow discharge change at Daxuetan shoal

5.3 撈財(cái)壩灘

大雪灘繞過大石包后即為撈財(cái)壩灘.該灘左側(cè)大中壩高邊灘和右側(cè)撈財(cái)壩淺磧突嘴相對突出河中，致使枯水航槽狹窄，過水?dāng)嗝孢^小，流速湍急;加之灘口枯水水面突然收縮，局部比降較大.可見，撈財(cái)壩灘為槽窄、坡陡、流急的枯水卵石急灘，礙航特點(diǎn)具體表現(xiàn)在:(1)槽直:通航水域較窄，枯水3m水深寬約70m，流速分布較均勻，無緩流區(qū)水域借用.(2)坡陡流急:Q＜2547m3/s的枯水期(見圖12)，設(shè)計(jì)航線水面比降達(dá)到3.03‰～5.69‰，Q=4875m3/s時迅速降到1.19‰，然后中水期基本穩(wěn)定在此比降附近，至洪水期比降小于 1.00‰;航線流速枯水期最大，為4.17～4.87m/s，至 Q=4875m3/s時降為3.65m/s，隨后又逐漸增大至Q=12000m3/s時超過4.0m/s，大于此流量時流速基本在4.0～4.2m/s范圍變化.撈財(cái)壩灘段已與小雪灘相接，用消灘水力指標(biāo)判定，難以尋找明顯的消灘流量，但是當(dāng)Q=4875m3/s時，3m水深寬度已達(dá)到230m，左側(cè)具有足夠的緩流水域.所以，可認(rèn)為Q=4875m3/s時甚至更小時已然消灘.

5.4 小 雪 灘

小雪灘礙航主要有兩段:上段燈桿石段和青草壩段，左岸大中壩卵石、礁石邊灘擠壓河槽，洪水泄流不暢，形成超過2000m的高速河段，實(shí)測洪水最大流速沿程均超過4 m/s，右岸斜臥燈桿石石梁，突入河中約40m，與左岸大中壩相互對峙，致使河面更為狹窄，水流更為湍急，實(shí)測最大流速達(dá)4.49 m/s，比降約1.66‰.下段右岸青草壩礁石與左岸朝天棒等石梁相對，河寬相對更窄，致使中水期水流急，流態(tài)亂，實(shí)測最大流速達(dá)4.78 m/s，比降約1.00‰.由于灘段流速普遍較大，燈桿石和青草壩段更甚，稍緩區(qū)需避讓磧壩、礁石，上水船舶難于尋找安全的緩流航線，下行船舶行于急流之間，上灘困難，下行危險(xiǎn).可見，小雪灘為流急的中洪水基巖急灘，礙航特點(diǎn)具體表現(xiàn)在:

圖12 撈財(cái)壩灘設(shè)計(jì)航線流速、比降隨流量變化Fig.12 The velocity and slope changes in design waterway with flow discharge change at Laocaibatan shoal

(1)灘長:在Q≥8300m3/s以后，燈桿石以下超過2000m的河段均為中、洪水高速段，主流帶流速均超過4 m/s，局部超過5m/s(見圖13).鑒于青草壩與朝天棒對峙以及礁石等原因，中壩大橋以下航寬相對較窄，且主流偏向于左側(cè)習(xí)慣上水航線，船舶上行借用緩流水域的余地不大.

(2)流急:航線流速從Q=2547m3/s的2.47m/s開始直線上升(見圖13)，Q=8300m3/s時達(dá)到4.20m/s，到Q=12400m3/s時流速超過5m/s.水面比降一般在2‰以下，變化規(guī)律為從枯水到洪水緩慢上升.

通過對以上4個灘段的分析可見，大雪灘群水流條件復(fù)雜、礙航原因多樣，集卵石灘、基巖灘，洪、中、枯水灘，坡陡型、流急型以及坡陡流急型灘，突嘴灘、峽谷灘，淺、彎、急、險(xiǎn)灘等于一體，包含了山區(qū)河流大多礙航特點(diǎn)，在山區(qū)河流礙航灘群中具有極強(qiáng)的代表性.

圖13 小雪灘設(shè)計(jì)航線流速、比降隨流量變化Fig.13 The velocity and slope change in design waterway with flow discharge change at Xiaoxuetan shoal

6 結(jié)語

大雪灘群河段因受城市建設(shè)等人為因素的影響，數(shù)十年來左側(cè)岸線變化較大，但深泓平面整體上變化不大，邊灘、深槽、淺脊等布置格局基本未變.年內(nèi)深泓平面擺動較小，沖淤變化主要出現(xiàn)在深沱內(nèi).

大雪灘群由磧首灘、大雪灘、撈財(cái)壩灘和小雪灘等4個灘險(xiǎn)組成，集淺、彎、急、險(xiǎn)于一體.磧首灘為坡陡、流急、水淺的枯水卵石淺急灘;大雪灘為彎急、水亂的彎險(xiǎn)灘;撈財(cái)壩灘為槽窄、坡陡、流急的枯水卵石急灘;小雪灘主要為流急的中洪水基巖急灘.

大雪灘群上段磧首灘、大雪灘和撈財(cái)壩灘枯水期礙航，整治措施主要是沿枯水河勢，疏浚磧翅并輔以整治建筑物，即利用原有航槽方案和沿中洪水河勢，磧壩開槽并輔以整治建筑物，即新開航槽方案兩類，以解決航道尺度為主，為下階段整治方案研究的重點(diǎn);下段小雪灘中、洪水期礙航，受地形條件限制，徹底治理難度較大，整治措施主要是疏炸撈財(cái)壩淺磧和燈桿石石梁，以改善流態(tài)為主，適當(dāng)加大通航流量.

［1］河海大學(xué)，重慶交通學(xué)院.航道整治［M］.北京:人民交通出版社，1987.(Hohai University，Chongqing Institute of Communications.Waterway regulation［M］.Beijing:China Communications Press，1987.(in Chinese))

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