長(zhǎng)江儀征水道航道條件分析及整治方案研究

伍文俊，李青云，李國(guó)斌，許 慧

(1.長(zhǎng)江航道局，湖北 武漢 430010;2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029)

儀征水道位于南京至鎮(zhèn)江河段，目前航道實(shí)際維護(hù)尺度為:水深10.5 m，航寬500 m.根據(jù)《長(zhǎng)江干線航道總體規(guī)劃綱要》，到2020年，南京至長(zhǎng)江口全河段實(shí)現(xiàn)12.5 m通航.本水道航道核查資料表明:2001年以前，部分年份12.5 m等深線斷開或?qū)挾炔蛔?00 m;2004年以后，12.5 m航道條件好轉(zhuǎn)，寬度基本滿足500 m的要求.但由于近年來(lái)主通航汊道分流比持續(xù)減小，右汊進(jìn)口段航槽淤積，航道條件向不利方向發(fā)展.因此需要對(duì)水道實(shí)施工程整治，確保12.5 m深水航道暢通.

1 河演分析

1.1 河道概況

儀征水道上迄三江口，下至瓜洲，長(zhǎng)約40 km(見圖1).其中三江口至泗源溝全長(zhǎng)約15 km，為單一型河道，河道上窄下寬，平均河寬約1 430 m，基本順直.

圖1 儀征水道河勢(shì)Fig.1 River regime of the Yizheng waterway

泗源溝以下被世業(yè)洲分為左右兩汊，汊道自泗源溝至瓜洲渡口，長(zhǎng)約25 km，右汊即高資彎道是主汊，為曲率比較小的彎曲河道，平均河寬約1 450 m;左汊為支汊，為順直型，平均河寬約880 m［1］.長(zhǎng)江主流沿世業(yè)洲右汊的右岸下行至龍門口附近與左汊支流匯合后，又向左過(guò)渡至六圩彎道，在世業(yè)洲洲尾建有潤(rùn)揚(yáng)大橋.

1.2 分流比變化

近幾十年來(lái)，世業(yè)洲左汊分流比緩慢發(fā)展，但近期呈快速發(fā)展態(tài)勢(shì).世業(yè)洲汊道的近期演變表現(xiàn)為左汊緩慢發(fā)展，右汊緩慢萎縮.若任其發(fā)展，則可能會(huì)引發(fā)新的河勢(shì)變化.1959年以來(lái)，世業(yè)洲汊道的分流分沙比見表 1［2］.

表1 世業(yè)洲汊道分流分沙比Tab.1 The flow and sediment delivery ratio of Shiyezhou branch %

1.3 深泓線變化

儀征水道深泓平面圖見圖2.可見，泗源溝至瓜洲間的深泓，在汊道分流段主要表現(xiàn)為分流點(diǎn)年際間上提下挫，且呈總體下挫態(tài)勢(shì);左汊的進(jìn)口段及下段兩過(guò)渡段頂沖點(diǎn)下移，汊道有所發(fā)展;右汊進(jìn)口段的深泓擺動(dòng)，下段深泓右移;匯流段受左汊持續(xù)發(fā)展影響，兩汊水流作用點(diǎn)右擺，龍門口一帶深泓隨江岸崩退而有所右移，在實(shí)施護(hù)岸工程后漸趨穩(wěn)定.

1.4 12.5 m 深水航道條件

2001年之前，世業(yè)洲右汊進(jìn)口及中上段部分年份12.5 m等深線斷開或?qū)挾炔蛔?00 m，例如:1986年右汊中段12.5 m航槽寬度不足100 m;1990，1998和2000年枯期12.5 m等深線在右汊進(jìn)口段斷開;2001年右汊進(jìn)口存在心灘，局部航寬僅190 m;2004年以后，航道條件好轉(zhuǎn)，滿足500 m的設(shè)標(biāo)要求.

圖2 儀征水道深泓平面圖Fig.2 A plan of Yizheng waterway thalweg

2 數(shù)學(xué)模型的建立與驗(yàn)證

2.1 二維水沙數(shù)學(xué)模型

針對(duì)河道蜿蜒曲折的特點(diǎn)，選用正交貼體曲線坐標(biāo)擬合邊界［2－4］，以便較好地模擬河道邊界，又可大大減少?gòu)U網(wǎng)格.正交曲線坐標(biāo)系下水流泥沙運(yùn)動(dòng)基本方程見式(1)～(5).采用控制體積法對(duì)方程進(jìn)行離散，得到的離散方程具有良好的積分守恒性，并利用SIMPLER計(jì)算程式求解耦合方程［5－6］.有關(guān)數(shù)學(xué)模型的邊界條件、動(dòng)邊界處理及數(shù)值解法等詳見文獻(xiàn)［6－9］.

水流運(yùn)動(dòng)方程:

懸移質(zhì)不平衡輸移方程:

推移質(zhì)不平衡輸移方程:

式中:u，v分別為ξ，η方向流速分量;Z為水位;H為水深;C為謝才系數(shù);σξξ，σηη，σξη，σηξ為紊動(dòng)切應(yīng)力;αi為泥沙的含沙量恢復(fù)飽和系數(shù);ωi為第i組泥沙的沉速;Si為分組粒徑含沙量;S*i為分組粒徑挾沙力，εξ，εη分別為坐標(biāo)系ξ，η方向的泥沙擴(kuò)散系數(shù)，εξ= εη= νt;σs為常數(shù)，為第L組推移質(zhì)的挾沙能力;SbL為床面推移層的含沙濃度;αbL為第L組推移質(zhì)泥沙的恢復(fù)飽和系數(shù);ωbL為推移質(zhì)的沉速.

2.2 模型驗(yàn)證

圖3 水位與典型斷面流速計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.3 Comparison between the calculated and the measured values of water level and typical cross-section velocity

2.2.1 水流驗(yàn)證 根據(jù)收集的地形、水文測(cè)驗(yàn)資料，分別采用2006年5月和2010年3月2次水文測(cè)驗(yàn)資料進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算［10］.計(jì)算時(shí)上游進(jìn)口邊界與下游出口邊界均由實(shí)測(cè)潮位過(guò)程控制，計(jì)算河段內(nèi)的已建橋梁、碼頭等建筑物均作為固有邊界考慮.限于篇幅，此處僅給出部分驗(yàn)證成果(圖3中CS5為世業(yè)洲左汊進(jìn)口斷面，CS8為右汊進(jìn)口斷面).可見，水位計(jì)算值與實(shí)測(cè)值符合較好.典型斷面垂線平均流速分布計(jì)算值與實(shí)測(cè)值較為一致，僅個(gè)別點(diǎn)有所偏差.

2.2.2 泥沙驗(yàn)證 模型驗(yàn)證時(shí)，進(jìn)口流量和含沙量控制值均由大通站實(shí)測(cè)流量和含沙量過(guò)程概化求得，出口水位由鎮(zhèn)江站多年水位流量水位關(guān)系插補(bǔ)得到.初始地形為2006年6月測(cè)圖地形，驗(yàn)證地形為2010年3月測(cè)圖地形，施放2007，2008和2009全年及2010年1—3月水沙過(guò)程，作為驗(yàn)證水沙條件.比較了儀征水道各段河床沖淤量的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值，結(jié)果表明水道各部分的沖淤量基本相符，最大誤差為12.1%.2006—2010年河道計(jì)算沖淤分布與實(shí)測(cè)沖淤分布見圖4.可見，計(jì)算的沖淤部位與實(shí)測(cè)的吻合較好，表明模型能夠較好地反映儀征水道的水流泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律.

圖4 儀征水道實(shí)測(cè)與計(jì)算沖淤分布比較Fig.4 Comparison between calculated and measured deposition and erosion distribution of Yizheng waterway

3 航道整治單項(xiàng)工程方案

圖5 儀征水道航道整治單項(xiàng)方案平面布置Fig.5 Yizheng waterway individual regulation scheme

由于受到潤(rùn)揚(yáng)大橋凈空的限制，世業(yè)洲右汊主航道地位已定.目前，左汊分流比的增加，導(dǎo)致右汊萎縮，對(duì)航道將產(chǎn)生不利影響.因此，儀征水道航道整治的思路為:穩(wěn)定世業(yè)洲頭低灘，遏制左汊分流比的增加，維持右汊主航道地位;同時(shí)穩(wěn)定右汊進(jìn)口段－10 m低灘，防止其沖刷后退.

為了限制左汊分流比的繼續(xù)增加，進(jìn)行了4種單項(xiàng)整治方案的探索性試驗(yàn)(見圖5):

(1)在世業(yè)洲頭布置魚骨壩，保護(hù)世業(yè)洲頭低灘，抑制左汊分流.魚骨壩由1道縱向脊壩及3道橫向刺壩組成，脊壩長(zhǎng)710 m，頭部壩頂高程在航行基準(zhǔn)面以下7.24 m，根部壩頂高程為航行基準(zhǔn)面以下0 m;左側(cè)3道刺壩自上游至下游分別長(zhǎng)150，190和240 m，與脊壩相交處，壩頂高程與脊壩相同，壩頭處頂高程分別為航行基準(zhǔn)面以下8.07，7.30和6.53 m;右側(cè)3道刺壩為護(hù)灘帶形式，長(zhǎng)度分別為70，126和158 m.

(2)對(duì)左汊進(jìn)口段－20 m深槽進(jìn)行填槽.填槽高程為航行基面下－20 m.

(3)對(duì)左汊實(shí)施潛壩方案，抑制左汊分流比，深槽處壩頂為高程航行基面下－10 m.

(4)對(duì)左汊實(shí)施護(hù)底帶和護(hù)灘帶工程.護(hù)底位于世業(yè)洲左汊口門處，長(zhǎng)480 m，寬300 m，壓石厚1.0 m，護(hù)灘帶工程是對(duì)左汊的左側(cè)灘地－11～－8 m以上高程部位進(jìn)行防護(hù)，長(zhǎng)1 600 m，拋石厚1.0 m.

分別對(duì)以上4種單項(xiàng)整治方案進(jìn)行計(jì)算，所得結(jié)果見表2.可見，對(duì)左汊分流比限制效果從大到小分別為魚骨壩工程(左汊分流比減小1.42%)、左汊潛壩工程(左汊減小1.07%)、左汊進(jìn)口護(hù)底工程(左汊減小0.19%)和左汊進(jìn)口深槽填槽工程(左汊減小0.13%).

表2 整治流量下單項(xiàng)工程實(shí)施前后分流比變化Tab.2 Division ratio changes before and after implementation of the individual project%

4 航道建設(shè)推薦方案

4.1 方案布置

在單項(xiàng)工程整治效果的基礎(chǔ)上，提出推薦方案工程布置，方案的具體布置為:①在洲頭低灘上建魚骨壩;②在世業(yè)洲左汊布置護(hù)底帶工程;③在世業(yè)洲左汊下段潤(rùn)揚(yáng)大橋上游1 300 m處修建1條潛壩，深槽處壩頂高程－10 m(航行基面下);④在世業(yè)洲右緣布置4道護(hù)灘帶，護(hù)灘帶長(zhǎng)度自上游至下游分別為500，520，520和500 m，寬度100 m.方案平面布置見圖6.

圖6 儀征水道航道整治組合方案平面布置Fig.6 Yizheng waterway combined regulation schemes

4.2 方案效果

4.2.1 分流比變化 整治工程實(shí)施后，世業(yè)洲左汊分流比有所減小，右汊分流比有所增大，且分流比改變量隨著來(lái)流量的增大而減小.在所計(jì)算的3組流量級(jí)下，汊道分流比變幅為 1.09% ～1.30%(見表3).

表3 推薦方案實(shí)施前后分流比變化Tab.3 Changes in division ratio before and after implementation of the recommended schemes

4.2.2 水位變化 世業(yè)洲頭上游河道水位上升幅度為0.002～0.011 m;左汊水位下降幅度為0.001～0.003 m;右汊水位上升幅度為0.002～0.006 m;世業(yè)洲尾匯流的下游河段水位基本不變.總體而言，方案實(shí)施后，河道水位變化幅度是隨流量的增大而增大;在所計(jì)算的流量級(jí)下，水位變化幅度為－0.003～0.011 m.

4.2.3 流速變化 世業(yè)洲左汊河道流速變化情況:受魚骨壩刺壩挑流的作用，世業(yè)洲左汊進(jìn)口的左側(cè)區(qū)域流速增大，進(jìn)口的右側(cè)區(qū)域流速減小;世業(yè)洲左汊內(nèi)流速整體表現(xiàn)為減小，其中潛壩下游右側(cè)區(qū)域流速略有增加.世業(yè)洲右汊河道流速變化情況:世業(yè)洲右汊河道左側(cè)流速減小，護(hù)底帶上流速略有增大，右側(cè)(航槽)流速普遍增大，且隨著流量的增大，方案對(duì)右汊河道流速影響也相應(yīng)增大.右汊航槽內(nèi)流速變化情況:隨著流量的增加，航槽內(nèi)流速的增加數(shù)值和變化范圍均相應(yīng)增大.在流量為14 000 m3/s時(shí)，右汊航槽內(nèi)流速普遍增大 0.01 m/s.

4.2.4 相對(duì)沖淤變化 有無(wú)工程的相對(duì)沖淤對(duì)比變化見圖7(工程后沖淤－工程前沖淤).可見，世業(yè)洲頭魚骨壩起到了保護(hù)世業(yè)洲頭低灘沖刷后退的作用，世業(yè)洲頭低灘得到了穩(wěn)定.世業(yè)洲左汊進(jìn)口段護(hù)底帶起到了保護(hù)河床沖刷下切的作用，使得左汊進(jìn)口沖深的趨勢(shì)得到控制.右汊航槽內(nèi)普遍沖刷，航道條件改善.5年末相比于無(wú)工程情況，世業(yè)洲低灘相對(duì)淤積幅度在3～4 m;左汊護(hù)底帶上相對(duì)淤積幅度為2 m，左汊河段平均淤積幅度為1.3 m;右汊航道相對(duì)沖刷幅度約為1.0 m.

圖7 工程實(shí)施后相對(duì)沖淤變化Fig.7 Relative changes of deposition and erosion after the regulation projects

工程實(shí)施后，與天然情況相比，工程對(duì)河道總體影響不大.從各年末的航道條件來(lái)看，航道變化主要表現(xiàn)為世業(yè)洲右汊進(jìn)口段航道條件逐漸好轉(zhuǎn)，進(jìn)口段航寬增大，10 a末12.5 m航道最小寬度為514 m，能夠滿足設(shè)計(jì)要求.

5 結(jié)語(yǔ)

(1)長(zhǎng)江儀征水道目前基本能滿足12.5 m航道水深的要求，但近年世業(yè)洲左汊分流比持續(xù)增加，右汊主航道緩慢萎縮，進(jìn)口“沖灘淤槽”，航道條件有向不利方向發(fā)展的趨勢(shì).

(2)目前地形條件下，隨著流量的增加，分流點(diǎn)逐漸下移、左擺，水流動(dòng)力軸線的變化促使洪水期主流動(dòng)力軸線偏向左汊，左汊得以沖刷發(fā)展.左汊沖刷發(fā)展后，又進(jìn)一步吸引分流點(diǎn)下移、左偏，造成左汊分流比近年來(lái)不斷增加.

(3)關(guān)鍵整治部位單項(xiàng)工程效果表明:對(duì)左汊分流比限制效果從大到小分別為世業(yè)洲頭魚骨壩工程、左汊潛壩工程、左汊進(jìn)口護(hù)底工程和左汊進(jìn)口深槽填槽工程.

(4)深水航道整治推薦方案數(shù)學(xué)模型計(jì)算表明，整治工程實(shí)施后，世業(yè)洲頭上游河道水位上升，世業(yè)洲左汊水位下降，世業(yè)洲右汊水位上升，河道水位變幅為－0.003～0.011 m;世業(yè)洲右汊分流比增加幅度為1.09% ～1.30%;右汊進(jìn)口航槽內(nèi)流速變幅為0.01～0.03 m/s;工程實(shí)施有利于維護(hù)右汊主航道地位.

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