基于數(shù)學(xué)模型的大河家橋灘段疏浚工程深幅方案優(yōu)選研究

陳婷婷 吳林 于麗偉 四川省交通勘察設(shè)計研究院有限公司

2021年11月30日，黃河大河家至炳靈電站航運(yùn)建設(shè)工程正式開工建設(shè)，標(biāo)志著甘肅省“十四五”水運(yùn)項目正式拉開建設(shè)序幕。黃河大河家至炳靈電站航運(yùn)建設(shè)工程，起點(diǎn)為積石山縣大河家橋，終點(diǎn)至炳靈電站大壩，航道總長29公里，按5級航道標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。工程主要包括對大河家橋淺灘、蘇家窯子灘、喇家灘、韓陜家灣灘、崖底灘等5個灘段以及部分區(qū)段航道寬度內(nèi)水深不足的淺灘進(jìn)行航道疏浚整治，建設(shè)炳靈寺碼頭、大河家碼頭、祁河家碼頭、三二家碼頭等4座碼頭及相關(guān)附屬設(shè)施。由于行洪等各方面原因，選擇疏浚深幅方案是決定工程造價的重要因素，本次研究相比于之前同類工程對炸礁深幅方案優(yōu)選研究重點(diǎn)在于設(shè)計水深的影響。

該工程是2021年甘肅省開工建設(shè)的第一個水運(yùn)項目，也是交通運(yùn)輸部投資建設(shè)的內(nèi)河水運(yùn)重點(diǎn)項目。項目的開工建設(shè)，對改善黃河沿岸群眾安全便捷出行、鞏固拓展脫貧攻堅成果同鄉(xiāng)村振興有效銜接、協(xié)同推進(jìn)黃河治理、助推水運(yùn)項目建設(shè)開好局起好步、確保完成“十四五”規(guī)劃目標(biāo)任務(wù)等均具有十分重要的意義。

1.航道概況

黃河積石山縣航運(yùn)工程河段自大河家橋至炳靈水電站大壩，長約29km，河床主要為砂卵石，工程河段地勢西高東低，大河家橋～三二家河段河床深泓沿程平均坡降約為1.65‰，單一河道，分汊較少，但河道形態(tài)彎曲多變，邊界條件較復(fù)雜，其間存在急彎、寬淺河段及順直河段，寬淺河段有眾多高低不等的洲灘。

河道橫斷面形態(tài)一般呈寬闊不對稱的“U”型，少數(shù)河段因江心洲的出現(xiàn)呈現(xiàn)“W”型。大河家碼頭至祁河家碼頭的距離為8.5km，河寬一般為88～300m；祁河家碼頭至三二家碼頭的距離為5.5k m，河寬一般為95～600m；三二家碼頭至炳靈水電站的距離為14.2km，河寬一般為67～760m。工程河段河勢見圖1。研究河段自大河家橋開始，沿程相關(guān)水利樞紐設(shè)施包括積石峽水電站、大河家水電站、炳靈水電站和劉家峽水電站。

圖1 工程河段河勢圖

2.灘險概況

大河家橋淺灘位于大河家橋（項目起點(diǎn)）下游，灘長約300m，枯水期河寬在100～120 m，水面比降為2.40‰。屬卵石質(zhì)淺灘，般粒徑30～180 mm，約占總重55%左右，粒徑大于200 mm 的漂石含量約10～15%，最大粒徑可見400～650mm。該灘航道局部水深不足，最小水深在0.7m以下。

蘇家窯子灘位于大河家橋（項目起點(diǎn)）以下1.3～2.6k m，灘長約1.3 k m，屬于分汊型河段。河道內(nèi)有一處較大的江心洲，洲長約500 m，最寬處約163 m，頂高程1767.4～1770.86m?？菟趯⑺饕环譃槎?，水位升至1770.86m時恢復(fù)單一河道。左汊為支汊，設(shè)計水位下寬43m，汊道入口處水深較小，平均水深不足1m；右汊為主汊，寬約81 m，2 m等深線基本可以貫通右汊，最深處水深為4.51m，水深條件較好。在江心洲洲尾，兩汊交匯處由于水流交匯，流速降低后消能較大，泥沙在此處落淤。右汊河段流速1.67m/s～3.38m/s。該灘為枯水急流灘，右汊為主通航汊道，該汊槽窄、流急。河床底質(zhì)屬卵石質(zhì)淺灘，般粒徑30～180mm，約占總重55%左右，粒徑大于200 mm的漂石含量約10～15%，最大粒徑可見400～650mm。顆粒間由粗砂、中砂。

圖2 大河家橋淺灘、蘇家窯子灘疏浚方案布置圖

表1 大河家橋淺灘方案沿程水深（航道中心線）

3.灘險成因及礙航因素

大河家橋淺灘為微彎順直河段，設(shè)計水位下灘段進(jìn)口水面寬度約100m，但在灘段中部河面擴(kuò)寬至160m左右，因此，水流在這里因河面變寬，流速降低，水流攜沙能力下降而導(dǎo)致泥沙落淤，進(jìn)而表現(xiàn)為河床局部河段出淺，最小水深在0.7m以下。

蘇家窯子灘為分汊型險灘，右汊為主流，雖然灘段內(nèi)大部分航槽尺度能滿足V級航道要求，但是由于枯水期河面窄，流速大，并伴有不良流態(tài)，船舶上灘困難，通航水流條件不滿足航行要求，且右汊出口河中有一礙航小心洲，本灘目前主要為急險灘。

4.方案布置

該灘共布置有2處疏浚工程。1號疏浚工程（切邊灘工程）疏浚長度為420m，通過疏浚工程增加右汊主航道的枯期流量，使水流歸槽，同時通過疏浚工程，增加右汊航道的航槽寬度及航道水深，改善分汊口位置的水流流態(tài)、流速，使其滿足船舶航行要求。2號疏浚工程疏浚長度為180m。

5.炸礁深幅優(yōu)選

甘肅大河家至炳靈電站航運(yùn)建設(shè)工程初步設(shè)計按國家內(nèi)河Ⅴ級、設(shè)計最低通航水位多年歷時保證率95%、航道尺度為1.3×40×270m（水深×航寬×彎曲半徑）的標(biāo)準(zhǔn)開展設(shè)計，確定工程河段航道最小水深為1.3m，由于工程河段河床質(zhì)覆蓋層為卵石土，且考慮到泥沙狀況較為復(fù)雜，根據(jù)疏浚實施后的二維數(shù)值模擬驗證成果，為保證工程河段各灘能夠有足夠的水深，水流條件改善，保證船舶安全航行，每個灘險河段疏浚水深各不相同。

大河家橋淺灘屬于寬淺型淺灘，水淺，航寬不足而礙航。該灘共布置有1處疏浚工程。根據(jù)數(shù)模計算結(jié)果，在只布置疏浚工程的情況，按照設(shè)計水深1.3m標(biāo)準(zhǔn)疏浚后，由于水面跌落，部分河段會出現(xiàn)水深不足的情況，因此根據(jù)數(shù)模計算結(jié)果，大河家橋淺灘1號疏浚深度為1.5m。

表2 蘇家窯子灘方案沿程水深（航道中心線）

圖3 大河家橋淺灘、蘇家窯子灘方案前后沿程水深圖（航道中心線）

圖4 大河家橋淺灘、蘇家窯子灘方案前后沿程水深圖（左航線）

圖5 大河家橋淺灘、蘇家窯子灘方案前后沿程水深圖（右航線）

圖6 大河家橋淺灘、蘇家窯子灘方案前及1.3m方案、1.5m方案后水深圖

6.結(jié)論

運(yùn)用二維數(shù)學(xué)模型，開展了大河家橋灘段航道疏浚工程的炸礁深幅方案優(yōu)選研究。分析揭示，1.3m疏浚深度工況下，疏浚工程對航道流力改變不大。1.5m疏浚深度實施后，區(qū)域適航寬度均存在顯著提升，治理前所存在不良流相顯著改善，航行流水條件較佳。而從航道規(guī)格、航域連續(xù)性、航道維護(hù)、航標(biāo)配置、工程量以及工程棄渣處理等等方面綜合考慮，1.5m疏浚方案的優(yōu)勢更明顯。故建議選擇1.5m疏浚方案開展整治。