突咀挑流影響分析及其在險灘整治中的應(yīng)用

□李錦成（二灘水電開發(fā)有限責(zé)任公司）

交通運(yùn)輸是現(xiàn)代國民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分?，F(xiàn)代的交通運(yùn)輸方式主要包括鐵路、公路、管道、水路及航空，其中水運(yùn)具有運(yùn)量大、成本低、能耗小等優(yōu)勢，一直受到世界各國的廣泛重視。我國西部山區(qū)河流灘險流急，各類礙航險灘眾多，而險灘的存在嚴(yán)重影響船舶航行安全。開發(fā)西部水運(yùn)交通必將對眾多礙航灘險河段進(jìn)行整治，突咀是山區(qū)河流主要礙航灘險之一，對船舶安全航行威脅極大，常使船舶發(fā)生海損事故。深入研究其治理方法，將為礙航突咀灘險治理提供可靠的手段，對加快西部山區(qū)河流礙航灘險的治理具有重要的現(xiàn)實意義。

1.突咀挑流簡介

險灘根據(jù)其礙航原因可分為礁石險灘與不良流態(tài)險灘兩種類型。其中礁石險灘指在某些河段中，由于突出石梁或零散礁石影響船舶的安全航行。突咀挑流是礁石險灘中常見的一種礙航險灘。由于突咀挑流的影響，導(dǎo)致局部水流流態(tài)紊亂，特別是河道兩岸伸向江中的突咀阻水挑流是構(gòu)成泡、漩水的重要原因。

整治工程措施：由于河岸有局部突出障礙物阻水，可以通過炸除局部障礙物，使河床趨于平整，從而平順?biāo)?，減弱因挑流而產(chǎn)生的不利副流，以達(dá)到平整岸線的目的。

2.突咀挑流影響分析

由于突咀挑流，在突咀斷面前發(fā)生水流分離，突咀的下游有相對大范圍的回流，在回流與分離區(qū)的邊界上有一串串漩渦。當(dāng)水深小、流速小時，泡漩很弱少，且只出現(xiàn)在回流與分離區(qū)的邊界上；當(dāng)流量加大以后，除在這些區(qū)域有泡漩之外，回流區(qū)內(nèi)以及下游近區(qū)域都有泡水和漩渦。對產(chǎn)生這種流態(tài)的原因分析如下：

在突咀的上游，由于水流受到突咀的阻擋，底部水流上涌而形成泡，并形成范圍不大的回流區(qū)。

在突咀的下游，因邊界層水流分離而出現(xiàn)大范圍的回流區(qū)。除回流與主流交界面形成一連串漩水以外，一方面由于回流區(qū)尾部范圍是不穩(wěn)定的，因而水流紊亂，回流區(qū)尾部回流水和擴(kuò)散的主流沖撞槽壁，形成水流上涌，動能變成位能而成泡水。另一方面由于主流流速沿垂線分布不均勻，岸壁突咀下游沿水深的各個平面上的回流區(qū)范圍不一致，主流流速大小與回流區(qū)范圍大小成正比，靠近水面的回流區(qū)范圍較大，而底部回流區(qū)范圍較小，所以底部的主流擴(kuò)散上升進(jìn)入上層回流區(qū)，動能轉(zhuǎn)變?yōu)槲荒芏苫亓鲄^(qū)內(nèi)的強(qiáng)烈泡水。這種泡水是陣發(fā)性的，且出現(xiàn)位置也不固定。當(dāng)泡水冒出水面后，由于水流上涌而帶動周圍水流旋轉(zhuǎn)而形成的漩水出現(xiàn)。

圖1 突咀挑流示意圖

3.突咀附近流區(qū)劃分

水流經(jīng)過突咀后，水流的速度場和壓力場都發(fā)生了變化，流態(tài)比較復(fù)雜。水流流向突咀時受到阻擋，比降逐漸減小，接近突咀時出現(xiàn)反比降，迫使水流流向河心，繞過突咀下泄。當(dāng)水流接近突咀斷面（B-B）時，流速加大，比降也加大。水流繞過突咀后在慣性力作用下，發(fā)生流線分離和水流進(jìn)一步收縮現(xiàn)象，形成一個收縮斷面（C-C），此時流線彼此平行，動能最大，流速最大。在收縮斷面下游，水流由于逐漸擴(kuò)散，動能減少而位能增大，至斷面（A-A）時，水流的壓縮程度等于丁壩斷面。在這以下水流擴(kuò)散，慢慢恢復(fù)到天然狀態(tài)下的水流狀態(tài)。

圖2 突咀附近流區(qū)劃分圖

類似于突咀挑流現(xiàn)象的水流分布在工程實際中到處可見。以瀘州至赤水（川黔界）高速公路赤水河特大橋為例，橋梁進(jìn)行施工圍堰情況下，布置于岸邊的圍堰部分位于通航水域內(nèi)，其水流形態(tài)類似于突咀挑流的影響。為了初步了解其水流基本要素，通過平面二維數(shù)值模擬計算，驗證突咀挑流水流分布狀態(tài)。

圖3 圍堰附近二維計算流場分布圖

計算結(jié)果表明，從圍堰處流速分布看來，水流在圍堰處受到阻擋，引起水流產(chǎn)生繞流運(yùn)動。圍堰上游水流受到阻擋產(chǎn)生滯留，水流流速降低，橋軸線斷面由于河床束窄、水流過水?dāng)嗝婷娣e減少，水流流速增加。在圍堰上下游存在回流區(qū)，水流流態(tài)紊亂，類似于突咀挑流。

4.突咀挑流險灘治理在工程實際中的應(yīng)用

例如川江的螃蟹岬（見圖4）就是采取這種方法取得成功的。螃蟹岬河道彎曲，位于凹頂?shù)膬蓚?cè)及凸岸的一側(cè)有品字形突咀交錯挑流，洪水期產(chǎn)生較大的回流，泡漩洶涌，嚴(yán)重礙航。整治采用炸除兩岸突咀平順岸線的方法，使回流和泡漩水范圍縮小，減弱了強(qiáng)度，滿足船舶安全航行要求。金沙江的灑水壩灘等也是采取類似的整治方法取得成功的。

圖4 螃蟹岬整治前后流態(tài)變化圖

5.結(jié)語

結(jié)合工程實際案例，研究與分析突咀挑流水流流態(tài)，對岸邊礁石險灘礙航整治具有重要的指導(dǎo)意義。近年來隨著水運(yùn)的復(fù)蘇，使得礙航險灘問題成為無論在工程設(shè)計還是理論研究方面都需要迫切解決的問題，本課題的研究成果在這一研究領(lǐng)域搭建了一個初步的基礎(chǔ)平臺。隨著試驗手段和計算機(jī)技術(shù)水平的提高，如果以上問題能夠得到逐一展開研究，有關(guān)突咀挑流的研究理論會得到不斷豐富完善，礙航險灘的治理方法也會相應(yīng)更加成熟，從而更好地為內(nèi)河航運(yùn)服務(wù)。

[1]長江航道局.航道工程手冊[M].北京：人民交通出版社，2003,8.

[2]程昌華,等.航道工程學(xué)[M].北京：人民交通出版社，2001,1.