嘉陵江土灣灘航道整治模型試驗(yàn)研究

何進(jìn)朝，母德偉

(重慶交通大學(xué) 西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所，重慶 400016)

嘉陵江下游航道是重慶航道規(guī)劃“一干兩支”中的“一支”，是重慶高等級(jí)航道體系的重要組成部分，也是重慶水路運(yùn)輸干支直達(dá)的重要通道［1］.然而嘉陵江草街以下68.2km河段灘險(xiǎn)多達(dá)27處［2］，航道等級(jí)較低，擬采用整治措施使其達(dá)到Ⅲ級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn).其中土灣灘是嘉陵江下游嚴(yán)重礙航的汊道淺灘，該灘處于三峽水庫175m調(diào)度方案變動(dòng)回水區(qū)，既受到三峽水庫回水影響，又受上游草街樞紐調(diào)水?dāng)r沙影響，還與兩江匯流組合有關(guān)，水沙條件和航道條件極為復(fù)雜［3］.以往的研究［4-6］表明，在三峽水庫175m運(yùn)行后，土灣河段出現(xiàn)泥沙累積性淤積，原航槽不具備通航條件，而三峽水庫正常蓄水，迫切需要對(duì)該灘進(jìn)行航道整治，以適應(yīng)蓄水后航運(yùn)發(fā)展要求.

1 灘段概況及成因分析

土灣灘是嘉陵江下游嚴(yán)重礙航的灘險(xiǎn)之一［2］，為汊道型淺灘，枯水航槽彎、淺、急，該灘上距磁器口3.5km，下距河口12km.灘段進(jìn)出口均較狹窄，尤其是進(jìn)口有兩巨大石梁聳立于江中，名為石門，將航道分為左右兩槽，右槽寬約40m，現(xiàn)為枯水主航道，洪水時(shí)右槽水陡流急，航行條件惡劣，行船改走左槽.土灣灘水流分汊，右汊航槽彎、淺，水流掃彎，是現(xiàn)行枯水主航槽;左汊雖順直，但長期水深不足.該灘的成因:一是該灘上游進(jìn)口段洪水河寬僅350m，至灘段驟然放寬到700m，水流擴(kuò)散，流速降低，泥沙大量沉積所致;二是由于汛期水流取直，主流左移至冤篼磧副槽，但此處河床由礁石組成，水流無法將其沖寬沖深，同時(shí)，主流取直后，右槽處于回流區(qū)或緩流區(qū)，泥沙大量落淤，汛后水位退落，水流歸槽沖刷，淤沙大部分被沖走，形成枯水彎槽.該灘整治前航道尺度為最小水深1.3m，槽寬35m，彎曲半徑350m.

三峽水庫采用汛后蓄水方式，推遲和縮短了嘉陵江土灣灘的沖刷走沙期，加上回水影響，導(dǎo)致土灣河段出現(xiàn)泥沙累計(jì)性淤積.同時(shí)，近年來在該河段進(jìn)口即石門大橋右側(cè)修建濱江路，占用有效河寬40m左右，造成洪水期土灣一帶回流范圍增寬和泥沙淤積范圍加大.泥沙系列試驗(yàn)［4］表明，水庫運(yùn)行30 a，該河段泥沙淤積總量為5.95×106m3，平均淤積量為2.97×106m3/km，土灣河段發(fā)生灘槽易位現(xiàn)象，原右岸枯水主河槽全部淤塞形成邊灘，灘面寬達(dá)100～320m，淤厚10～18 m，灘面高程達(dá)到178.5m左右，主槽已完全移至河道左側(cè)的冤篼磧磧壩上.在庫水位消落至低水位時(shí)，左槽航深不足，流速比降較大，船舶航行困難，需要進(jìn)行航道整治.

2 模型簡介及試驗(yàn)條件

試驗(yàn)在三峽水庫變動(dòng)回水區(qū)重慶河段泥沙模型上進(jìn)行，模型范圍上起長江茄子溪下至銅鑼?shí){，長43km，嘉陵江從井口以上2km至河口，長25km.制模地形主要根據(jù)實(shí)測(cè)的1∶5000河道地形圖，采用斷面板法縮制，對(duì)局部特殊地形則參照不同單位實(shí)測(cè)的陸上和水下地形圖，采用加密斷面方式，并輔以等高線法相配合.同時(shí)采用最新實(shí)測(cè)河床地形對(duì)重點(diǎn)河段進(jìn)行重新塑造，還根據(jù)嘉陵江、長江兩岸新建的濱江路、防護(hù)堤、港口碼頭以及跨江大橋等對(duì)模型進(jìn)行了修改，以準(zhǔn)確反映人工建筑物對(duì)重慶河段水流條件及泥沙淤積的影響［7］.

考慮到近年來嘉陵江水沙條件變化，以及今后嘉陵江梯級(jí)開發(fā)對(duì)試驗(yàn)河段水沙條件的影響［8-10］，本研究采用1991—2000年系列水沙資料及其數(shù)模計(jì)算成果施放渾水過程，以便更好地反映模型試驗(yàn)的預(yù)測(cè)效果.模型各比尺分別為:平面比尺175，垂直比尺125，流速比尺11.18，流量比尺244570，糙率比尺1.89，水流時(shí)間比尺15.65，沉降速度比尺7.986，粒徑比尺1.495，起動(dòng)流速比尺9.353，挾沙能力比尺0.398，干重度比尺2.68，懸移質(zhì)時(shí)間比尺105.

3 整治原則與整治標(biāo)準(zhǔn)

3.1 整治原則

嘉陵江土灣河段位于三峽水庫變動(dòng)回水區(qū)中段，兼具天然河流與水庫特性，水庫175m方案蓄水運(yùn)行后，該河段水位壅高，流速減小，泥沙淤積加劇.汛后水庫蓄水，該河段水位壅高達(dá)10～15m，失去了建庫前汛末退水沖刷的條件，造成泥沙累積性淤積，邊灘淤高，支汊淤死，灘槽易位，河型轉(zhuǎn)化［3-4］.根據(jù)變動(dòng)回水區(qū)泥沙淤積規(guī)律與河床演變趨勢(shì)，采用基建性挖槽措施，沿洪水動(dòng)力軸線布置挖槽，增強(qiáng)消落末期沖刷能力，維持挖槽穩(wěn)定，改善通航條件.考慮到嘉陵江來沙量明顯減少，副槽泥沙淤積量不大，在未筑整治建筑物的情況下，利用水庫消落末期沖刷，達(dá)到挖槽穩(wěn)定要求.

3.2 整治標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)嘉陵江航運(yùn)發(fā)展規(guī)劃，土灣灘航道等級(jí)為內(nèi)河Ⅲ級(jí)，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為2.4 m×60m×480m(航深×航寬×彎曲半徑)，通航保證率為95%.在天然情況下，土灣河段通航保證率95%對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)流量為327m3/s，出現(xiàn)時(shí)間一般在12月至次年3月.而三峽水庫按175m方案運(yùn)行后，該河段將處于回水變動(dòng)區(qū)中段，根據(jù)水庫調(diào)度方式，三峽壩前水位于10月底蓄水至175m，次年2月底起水位逐漸消落，至5月底消落至155m控制水位，屆時(shí)在12月至次年3月雖然上游來水量較小，但受三峽水庫壅水影響，本河段水位仍較高，灘段航道條件較好，根據(jù)數(shù)模計(jì)算成果，每年4月至5月消落期該河段才出現(xiàn)礙航情況，按95%保證率推求得到嘉陵江土灣灘設(shè)計(jì)流量為937m3/s(相應(yīng)長江流量為3181 m3/s)，以此作為該河段在三峽水庫按175m蓄水運(yùn)行30 a的設(shè)計(jì)流量.

4 試驗(yàn)成果分析

4.1 整治方案

開辟左槽通航，挖槽軸線沿洪水動(dòng)力軸線方向布置，開挖長度1150m，挖槽斷面型式為梯形，底寬80m，邊坡 1∶3，槽底高程在進(jìn)口處挖至 159.50m，縱坡0.5‰，進(jìn)口做成喇叭口形，使上口水流平順，方便船舶進(jìn)出槽，出口也加深加寬，便于與下游深槽平順銜接，整治方案布置見圖1.

圖1 土灣灘整治方案布置Fig.1 Regulation scheme for Tuwan shoal

4.2 試驗(yàn)成果分析

4.2.1 航道尺度 整治方案實(shí)施后，土灣灘航槽順直，彎曲半徑大于1000m，航寬80m，航深在2.5m以上，航道條件根本改善，滿足Ⅲ級(jí)航道尺度要求.

4.2.2 水流條件 在天然情況下，挖槽引起上游水位明顯降落，比降也相應(yīng)調(diào)整，設(shè)計(jì)流量時(shí)新航槽分流比達(dá)到79%，灘上水位下降1 m，水面比降由整治前的0.82‰降至0.27‰;在兩江(嘉陵江/長江，下同)流量分別為2600/5200m3/s時(shí)水面比降從0.79‰降至0.40‰.

在三峽水庫運(yùn)行30 a后，由于邊灘淤高，水流歸槽，同流量情況下，雖然水位抬升1 m左右，但水面比降均有所增加，兩江流量937/3181 m3/s時(shí)，灘段上游水位增加1.05m，水面比降由蓄水前的0.27‰增至0.43‰;在兩江流量2600/5200m3/s時(shí)水面比降從0.40‰增至0.62‰.整治前后水位及比降見表1.兩江流量為937/3181 m3/s時(shí)，新開航槽水流平順，流速分布比較均勻，最大流速為2.8 m/s.兩江流量為2600/5200m3/s時(shí)，新槽中段和出口處的最大流速分別降至3.50和3.31 m/s.由于右汊被淤死，導(dǎo)致過水面積明顯減小，因此使得灘段流速較蓄水前普遍增大.如流量為937/3181 m3/s時(shí)，挖槽最大流速出現(xiàn)在中部，其值為3.6m/s;兩江流量為2600/5200m3/s時(shí)，挖槽段最大流速已達(dá)4.6m/s，船舶上行困難.

表1 土灣灘整治前后水位及比降Tab.1 Water levels and gradients before and after regulation of Tuwan shoal

4.2.3 河床演變 從土灣灘段淤積地形、淤積等厚線(圖2)及淤積剖面圖(圖3)可見，隨著水庫運(yùn)行時(shí)間的增長，灘槽逐漸發(fā)生易位，右汊原枯水主航槽逐漸淤塞形成新邊灘，左汊副槽則變?yōu)橹骱讲?，三峽水庫運(yùn)行30a右岸新邊灘已寬達(dá)100～250m，淤厚一般在5～12m，灘面高程為168～172m.挖槽內(nèi)泥沙淤積甚少，厚度小于0.5m.可見新開航槽基本穩(wěn)定，航道尺度仍滿足設(shè)計(jì)要求.

圖2 整治后三峽運(yùn)行30 a淤積等厚線Fig.2 Contours of sediment thickness after 30-year-running of the Three Gorges reservoir

圖3 整治后三峽運(yùn)行30 a淤積剖面Fig.3 Sedimestation vertical profiles after 30-year-running of the Three Gorges reservoir

5 結(jié)語

(1)三峽水庫按175m方案運(yùn)行后，土灣河段將發(fā)生累積性泥沙淤積，河道邊灘淤高，右岸枯水深槽將被淤塞形成新的邊灘，原有枯水主航程將逐漸左移，而左岸在天然情況下是邊灘，航槽左移致使航道尺度降低，航深不足，迫切需要進(jìn)行航道整治.

(2)土灣灘航道整治工程是適應(yīng)該河段未來河床演變規(guī)律的整治措施，其整治原則必須抓住該河段未來“灘槽易位，河型轉(zhuǎn)化”的特點(diǎn)，根據(jù)變動(dòng)回水區(qū)泥沙淤積規(guī)律與河床演變趨勢(shì)，采用基建性挖槽措施，沿洪水動(dòng)力軸線布置挖槽，增強(qiáng)消落末期沖刷能力，維持挖槽穩(wěn)定，改善通航條件.

(3)試驗(yàn)結(jié)果表明，整治方案實(shí)施后，在天然情況下，航槽順直，航道彎曲半徑明顯增加，航道條件得以改善，達(dá)到整治目的.

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