采沙對(duì)長(zhǎng)江德感壩河段影響研究

沈 靈，凌 霄，陳 言

(1.重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶 400074，2.重慶市合川航道管理段，重慶 401520)

河段內(nèi)的采沙行為與該河段的河床演變、河勢(shì)穩(wěn)定相互影響?？偹苤?，采沙將引起河段內(nèi)流速大小、方向的改變，使其流場(chǎng)重新分布，導(dǎo)致河段內(nèi)流場(chǎng)重塑主流帶偏移、水流結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，水沙條件進(jìn)行重新調(diào)整，迫使河床結(jié)構(gòu)進(jìn)行演變以適應(yīng)新的水沙平衡，從而影響到整個(gè)河段內(nèi)河勢(shì)的穩(wěn)定[1]。

一般來(lái)說(shuō)，大江大河沿岸水行政主管部門(mén)對(duì)涉河建筑以及涉河行為管理都十分嚴(yán)格，由于長(zhǎng)江上游具有山區(qū)河流特性，河床組成以堅(jiān)固的基巖為主，河勢(shì)不易改變，較為穩(wěn)定，采沙行為對(duì)采砂河段的河床演變以及防洪安全影響不大[2]，正因如此，長(zhǎng)江上游多處河段從未實(shí)行禁采，由此引發(fā)的無(wú)序和過(guò)量的開(kāi)采對(duì)航槽區(qū)域以及航道條件造成了巨大的破壞。例如長(zhǎng)江上游的蘭敘河段，近年來(lái)由于濫采的影響，該河段內(nèi)枯水期水流分散，對(duì)河床的沖刷減弱，導(dǎo)致主航槽發(fā)生偏移，航槽寬度銳減，航槽內(nèi)最淺水深由2002年的4.05 m下降到2008年的2.00 m，極大的影響了通航能力和通航安全。

由此可見(jiàn)，違規(guī)無(wú)序開(kāi)采河沙，將影響河勢(shì)穩(wěn)定，惡化通航條件，加大防洪隱患，危及采沙區(qū)域沿江兩岸人民的經(jīng)濟(jì)和生命安全[3]。因此，在全國(guó)范圍內(nèi)，各級(jí)政府以及當(dāng)?shù)厮姓鞴懿块T(mén)按照國(guó)家相關(guān)法律法規(guī)，嚴(yán)格控制采沙作業(yè)準(zhǔn)入制度、規(guī)范監(jiān)管采沙作業(yè)勢(shì)在必行。利用物理概化模型，為研究采沙作業(yè)對(duì)當(dāng)?shù)睾佣蔚挠绊懸约安缮车目尚行蕴峁┝丝茖W(xué)的依據(jù)。同時(shí)應(yīng)結(jié)合試驗(yàn)成果，科學(xué)、合理、持續(xù)的開(kāi)采利用河沙資源。

1 山區(qū)河流河床演變一般規(guī)律

從總的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，平原河流位于地殼沉陷地區(qū)，河床演變以堆積抬高為主，變形速度快變形幅度大，河床邊界受地質(zhì)構(gòu)造、巖性組成的影響較小，河心灘發(fā)育比較成熟，而位于地殼抬升地區(qū)的山區(qū)河流正好與之相反，其河床演變主要以侵蝕下切為主，受河床和邊壁巖性結(jié)構(gòu)影響，變形速度慢變形幅度小，河床邊界易受其構(gòu)造影響，容易出現(xiàn)峽谷、沖積扇、卵石淺灘等特殊地形。

由于不同河段地質(zhì)構(gòu)造、河床邊界、上游來(lái)水來(lái)沙情況以及原河床地形等條件差異較大，在研究其采沙影響時(shí)，必須結(jié)合具體河段的具體情況進(jìn)行研究。而山區(qū)河流的基巖一般都覆蓋有粒徑較大的卵礫石，其河床的演變就具體體現(xiàn)在這些卵礫石覆蓋層的沖刷、淤積、輸移的變化過(guò)程和結(jié)果，因此在研究山區(qū)河流河段的河床演變，就是研究其卵礫石覆蓋層的分布、輸移變化[4]。

1.1 山區(qū)河流卵礫石運(yùn)動(dòng)

根據(jù)長(zhǎng)江上游山區(qū)河段的卵礫石輸移實(shí)測(cè)資料，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)卵礫石運(yùn)動(dòng)在時(shí)間、空間上都具有明顯的不連續(xù)性。卵礫石輸移的根本動(dòng)力來(lái)自水流對(duì)河床的剪應(yīng)力，這具體體現(xiàn)在上游來(lái)水來(lái)沙條件的變化以及河床比降等因素。

卵礫石運(yùn)動(dòng)在時(shí)間上的不連續(xù)性主要受上游來(lái)水條件影響，汛期上游來(lái)水量增大，水流挾沙力增強(qiáng)，卵礫石輸移強(qiáng)度較大；非汛期各河段來(lái)水量較小，卵礫石輸移強(qiáng)度較小。

卵礫石運(yùn)動(dòng)在空間上的不連續(xù)性主要受河床比降及部分河段回水條件影響。在上游來(lái)水來(lái)沙量大致相同的情況下，河床比降越大，卵礫石輸移強(qiáng)度越大，此外，在三峽庫(kù)區(qū)常年回水區(qū)和變動(dòng)回水區(qū)，庫(kù)區(qū)水流回流會(huì)改變整個(gè)河段水流結(jié)構(gòu)，重塑流場(chǎng)分布，抵消一部分水流挾沙力，減小卵礫石的輸移強(qiáng)度。

1.2 山區(qū)河流河床演變基本規(guī)律

長(zhǎng)江上游河段為我國(guó)典型的大型山區(qū)河流，河床、河岸組成主要是堅(jiān)硬的基巖[5]，河型較為穩(wěn)定。各河段河床比降較大，水流急，懸移質(zhì)不易落淤，河床的變形主要為卵礫石推移質(zhì)的分布、輸移變化。整個(gè)山區(qū)河流年際間基本保持沖淤平衡，受上游來(lái)水來(lái)沙量影響，年內(nèi)有沖有淤，沖淤變化復(fù)雜，沖淤變化過(guò)程可分為消落期前的微淤，消落期沖刷、汛期充水淤積以及汛末、汛后的沖刷4個(gè)階段，周而往復(fù)。總的來(lái)看，受兩岸基巖束縛以及其河床巖性構(gòu)成，河型河勢(shì)比較穩(wěn)定，基本不會(huì)出現(xiàn)變化。因此，分析采沙對(duì)山區(qū)河流河床演變的影響應(yīng)主要針對(duì)河道的主航槽、邊灘以及岸坡[6]。

2 徳感河段概況

徳感壩河段位于重慶江津境內(nèi)，上起江津白楊灘，下至鯉魚(yú)石，總長(zhǎng)約9 km，其上下游都連接著連續(xù)急彎，整個(gè)平面形態(tài)呈弧度較大的“S”形。受上游來(lái)水來(lái)沙情況以及該河道特有地形的影響，徳感壩河段彎道處，中表層水流沖擊淘刷凹岸，底層的水流則向凸岸匯聚，水流作螺旋流動(dòng)。河段附近涉河工程較多，較為重要的有江津長(zhǎng)江大橋(航道里程735 km)、幾江濱江路以及過(guò)江纜道。對(duì)該河段多年實(shí)測(cè)資料進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該河段河勢(shì)較為穩(wěn)定，深泓線年際變化最大值不到5.5 m(圖1)。

3 概化模型設(shè)計(jì)布置

3.1 概化模型試驗(yàn)范圍

江津流域的采沙區(qū)域都集中在幾個(gè)地方，其中徳感壩河段采沙數(shù)量最大[7]。目前，該河段共有3個(gè)采沙坑，都分布在左側(cè)航槽的左邊界。3個(gè)采沙坑基本首尾相接，連成一片(圖2)。1 # 采沙坑頭部距江津長(zhǎng)江大橋970.62 m，平均厚度6.5 m，面積39 500 m2，采沙量約為32.5萬(wàn)m3。2 # 采沙坑頭部距江津長(zhǎng)江大橋1 379.1 m，平均厚度6.9 m，面積62 000 m2，采沙量為46.3萬(wàn)m3。3 # 采沙坑頭部距江津長(zhǎng)江大橋1 850 m，平均厚度6.6 m，面積45 300 m2，采沙量為26.1萬(wàn)m3。

圖2 概化模型試驗(yàn)范圍Fig.2 Test range of generalized model

3.2 概化模型試驗(yàn)布置

為觀察采沙坑的沖刷狀況，結(jié)合實(shí)際的徳感壩采沙坑地形，采用35%中值粒徑為0.5～1 mm、65%中值粒徑為1～3 mm的混合沙來(lái)鋪設(shè)采沙坑進(jìn)口段，其長(zhǎng)9.7 m，寬1 m，厚0.065 m。采沙坑的底部和出口用中值粒徑為3 mm的卵礫石鋪設(shè)〔圖3(b)〕，采沙坑之間的沙梗用可沖混合沙布置，邊坡設(shè)置為1∶1.5〔圖3(b)〕。

圖3 采沙坑及采沙梗布置示意Fig.3 The arrangement diagram of sand mining pit and sand mining terrier

根據(jù)長(zhǎng)江德感壩采沙河段實(shí)際流量狀況以及實(shí)際流量過(guò)程，采沙坑試驗(yàn)方案選取4級(jí)洪水流量 (Q=13 600，20 400，37 500，46 000 m3/s)進(jìn)行采沙坑模型概化試驗(yàn)放水，見(jiàn)表1。

表1 概化試驗(yàn)參數(shù)Table 1 Generalized test parameters

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 采沙對(duì)德感壩河段河床演變影響分析

徳感壩河段現(xiàn)在共挖有3個(gè)采沙坑，大范圍的采沙必將引起采沙河段水流結(jié)構(gòu)及流場(chǎng)變化，從而影響河床床面受力，改變其地形分布。為分析采沙對(duì)徳感壩河段影響程度，選取了德感壩上游控制斷面、德感壩主槽、下游各段典型斷面，比較采沙前后，德感壩段流場(chǎng)變化以及河床演變趨勢(shì)(表2)。

表2 采沙后典型斷面流速變化Table 2 Velocity variation of typical section after sand mining /%

由于德感壩河段的左岸處于緩流區(qū)，且采沙坑的位置處于回流區(qū)，所以采沙后，左岸水深加大，流速減小，但變化幅度不大。德感壩河段的主流區(qū)靠近右岸，受左岸挖深水深增大流速減小的影響，整個(gè)斷面水流分布向左岸匯聚，因此右岸流速與主流區(qū)流速變化趨勢(shì)一致，都有小幅增加。根據(jù)該河段實(shí)際地質(zhì)資料，左、右岸河床主要為大粒徑的卵石灘，河床形態(tài)較為穩(wěn)定，采沙后對(duì)該河段的河床變化影響甚微[8-9]。

4.2 采沙對(duì)德感壩河段通航條件影響分析

采沙后形成的采沙坑使該河段的河床高程有所降低，過(guò)水面積小幅下降，航槽內(nèi)的水深減小，流速有增大趨勢(shì)。整個(gè)河段航槽內(nèi)水深、流速的平均變化如表3。

表3 采沙后德感壩河段航槽內(nèi)水深、流速平均變化值Table 3 Water depth, velocity average change value of channel in Degan dam reach rafter sand mining

從表3可見(jiàn)，由于采沙坑位置靠近左岸，離靠近右岸的航槽距離較遠(yuǎn)，因此采沙對(duì)整個(gè)航槽的水深、流速影響都較小，并不會(huì)影響正常通航。

4.3 采沙坑的變化

根據(jù)德感壩河段的2010年實(shí)際流量情況，按照表1的概化流量和時(shí)間模擬該年整年的流量過(guò)程。試驗(yàn)結(jié)果表明，在Q=13 600 m3/s時(shí)，基本沒(méi)有泥沙沖刷至采沙坑內(nèi)，采沙坑進(jìn)口前段的表層泥沙基本沒(méi)有起動(dòng)，在Q=20 400，37 500，46 000 m3/s時(shí)，采沙坑上游僅有邊緣部分有少量泥沙運(yùn)動(dòng)到采沙坑內(nèi)，而上游原地形較為穩(wěn)定，并沒(méi)有出現(xiàn)大的變化。

為了觀測(cè)長(zhǎng)時(shí)間的沖刷對(duì)采沙坑及附近的淤積變化，連續(xù)進(jìn)行了4次流量過(guò)程，其沖刷地形變化見(jiàn)表4。

表4 各次流量過(guò)程的沖刷地形變化Table 4 Scour terrain change of each flow process

連續(xù)放水1次時(shí)，沖刷坑頭部高程減小值為1.8 cm，溯源沖刷距離為25 cm，原地形比較基本沒(méi)有發(fā)生變化；連續(xù)放水4次以后，采沙坑內(nèi)最大沖填距離為15.5 cm，溯源沖刷距離為75 cm，最大沖刷厚度1.4 cm，相當(dāng)于原型的1.4 m。其余的2個(gè)采沙坑與1 # 采沙坑變化情況基本一致，原地形保存得較為完好，只有很少一部分細(xì)顆粒泥沙沖填至采沙坑內(nèi)，沒(méi)有引起嚴(yán)重的溯源沖刷(圖4)。

圖4 采沙坑連續(xù)沖刷后地形變化示意Fig.4 Terrain change diagram of the sand mining

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)物理概化模型試驗(yàn)，分析了采沙對(duì)長(zhǎng)江德感壩造成的影響。研究表明：引起溯源沖刷、河勢(shì)變化和河床演變的影響都較小，對(duì)航槽的通航能力影響甚微。可認(rèn)為，采沙坑很難造成溯源沖刷，對(duì)其附近的涉河工程影響甚微，可在此處設(shè)立采沙點(diǎn)進(jìn)行采沙作業(yè)。

采沙坑的發(fā)展是水流與其邊界相互作用形成的結(jié)果，其變化趨勢(shì)與采沙坑的形狀、深度、處于采沙河段的位置，上游來(lái)流量、原河床地形及河床構(gòu)造等諸多因素有關(guān)，值得進(jìn)一步研究。

[1] 竇國(guó)仁.泥沙運(yùn)動(dòng)理論[M].南京:南京水利科學(xué)研究所,1963.

Dou Guoren.Sediment Transport Theory [M].Nanjing:Nanjing Water Conservancy Science Research Institute,1963.

[2] 吳持恭.水利學(xué):下冊(cè)[M].3版.北京:高等教育出版社,2003.

Wu Chigong.Water Conservancy:Part Ⅱ [M].3rd ed.Beijing:Higher Education Press,2003.

[3] 楊勝發(fā),張艾文.重慶市北碚嘉陵江秤桿磧采沙研究報(bào)告[R].重慶:重慶交通學(xué)院,2004.

Yang Shengfa,Zhang Aiwen.Jialing River Beam Drift Sand Mining Research Report in Beibei,Chongqing [R].Chongqing:Chongqing Jiaotong University,2004.

[4] 楊勝發(fā),張艾文.重慶市長(zhǎng)江幾江河段德感壩采沙論證研究報(bào)告[R].重慶:重慶交通學(xué)院,2004.

Yang Shengfa,Zhang Aiwen.The Changjiang River Jijiang Reach Degan Dam Sand Mining Demonstration Research Report in Chongqing [R].Chongqing:Chongqing Jiaotong University,2004.

[5] 楊勝發(fā),張艾文.重慶長(zhǎng)江打魚(yú)磧河段采沙研究報(bào)告[R].重慶:重慶交通學(xué)院,2004.

Yang Shengfa,Zhang Aiwen.The Changjiang River Dayuqi Reach Dam Sand Mining Demonstration Research Report [R].Chongqing:Chongqing Jiaotong University,2004.

[6] 楊勝發(fā),張艾文.長(zhǎng)江上游洛磧河段采沙可行性論證報(bào)告[R].重慶:重慶交通學(xué)院,2005.

Yang Shengfa,Zhang Aiwen.The Upstream of Changjiang River Luoqi Reach Dam Sand Mining Feasibility Study Research Report [R].Chongqing:Chongqing Jiaotong University,2005.

[7] 楊祥飛.長(zhǎng)江上游銅鼓灘治理措施研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010,29(1):133-137.

Yang Xiangfei.Regulation measures of Tonggu beach at upstream of Yangtze River [J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2010,29(1):133-137.

[8] 胡鵬,胡江.中咀坡水電工程溢洪道水工模型試驗(yàn)研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010,29(5):813-815.

Hu Peng,Hu Jiang.Hydraulic model test of spillway in Zhongzuipo hydroelectric power projects [J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2010,29(5):813-815.

[9] 陳野鷹,劉開(kāi)佳,彭凱,等.閩江水口水電站尾水壅水堰模型試驗(yàn)研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2011,30(1):120-123.

Chen Yeyin,Liu Kaijia,Peng Kai,et al.Experimental study on backwater weir for shuikou hydroelectric station of Minjiang river[J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2011,30(1):120-123.