長江中游牯牛沙水道河床演變及礙航特性分析

李雨晨，李青云

（1.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210798；2.長江航道局，武漢 430010）

長江中游牯牛沙水道河床演變及礙航特性分析

李雨晨1，李青云2

（1.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210798；2.長江航道局，武漢 430010）

以牯牛沙水道為例，重點(diǎn)分析了彎曲河段的演變過程和礙航特點(diǎn)。通過分析牯牛沙水道的演變過程、演變影響因素、演變趨勢及礙航特性等，揭示灘槽演變的規(guī)律，探討航道整治一期工程前后的礙航特性變化，并對一期工程實(shí)施后航道條件不穩(wěn)定的具體原因進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上，提出二期工程的整治思路和方案。

航道整治一期工程；河床演變；礙航特性；牯牛沙水道

Biography：LI Yu?chen（1994-），female.

長江中下游彎曲河段較多，該類河段深槽偏靠凹岸，凸岸有較大規(guī)模的邊灘。三峽蓄水后，由于來沙量大幅減小，長江中下游彎道段凸岸邊灘普遍沖刷萎縮，相應(yīng)的凹岸深槽普遍淤積［1］，部分彎道出現(xiàn)撇彎現(xiàn)象，河道過渡段斷面形態(tài)趨于寬淺，從而形成礙航段。因此研究彎曲河段的演變過程、影響因素、礙航特性以及航道條件不穩(wěn)定的原因等是航道治理的前提和基礎(chǔ)。本文以長江中游牯牛沙水道河床演變分析為基礎(chǔ)，通過分析其演變過程、一期整治工程前后的礙航成因和特性，最終提出后續(xù)工程的整治思路和方案。

1 水道概況

牯牛沙水道位于武漢—安慶段內(nèi)，上起西塞山，下迄下棋盤洲，全長約15.5 km。牯牛沙水道的河道平面形態(tài)以高家灣為界分為上、下兩段，上段為受節(jié)點(diǎn)控制的彎道，下段為順直段（圖1）。由于20世紀(jì)80年代后，牯牛沙邊灘沖退，枯水河道放寬，上深槽右偏，上下深槽交錯(cuò)，至2003年開始出淺礙航，2007年成為長江中下游重點(diǎn)礙航水道。

圖1 牯牛沙河勢圖Fig.1 Sketch of Guniusha waterway

圖2 一期工程平面布置示意圖Fig.2 Layout of the 1st phase regulation project of Guniusha waterway

牯牛沙水道淺區(qū)位于水道上段西塞山至茅山港的過渡段內(nèi)，一般汛期過渡段淤積形成淺埂，汛后水流沖刷不力而發(fā)生礙航。為緩解航道維護(hù)困難局面，最終解決該水道的礙航問題，2006年該水道航道治理前期工作開始啟動(dòng)，確定了總體治理目標(biāo)和工程方案，工程分期實(shí)施。一期工程由右岸牯牛沙邊灘上布置3道護(hù)灘帶、護(hù)岸加固工程和疏浚工程組成［2-3］（圖2）。一期工程實(shí)施后，制止了牯牛沙邊灘的沖刷后退，邊灘淤高展寬，淺灘開始由交錯(cuò)型向正常型轉(zhuǎn)化，過渡段航槽向微彎方向發(fā)展，航道水深得到提高［4］。

本水道目前航道維護(hù)尺度為4.0 m×100 m×1 050 m（水深×航寬×彎曲半徑），保證率98%。根據(jù)《長江干線航道總體規(guī)劃綱要》，2015年牯牛沙水道航道尺度達(dá)到4.5 m×200 m×1 050 m規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)，并較大幅度地延長5 000 t級(jí)海船的通航期。

2 河床演變及礙航特性

圖3 第一階段平面等深線分布Fig.3 Depth contour of the first stage

2.1 河床演變特點(diǎn)

歷史上，本水道河勢較為穩(wěn)定，灘槽形態(tài)較好，上、下深槽不交錯(cuò)，航道條件較好，5 m等深線貫通，航道條件較好。但近期灘槽形態(tài)發(fā)生了不利變化，牯牛沙邊灘受沖后退明顯，上、下深槽交錯(cuò)，航道條件變差，河道向?qū)挏\方向變化。

2.1.1 各階段演變特點(diǎn)

牯牛沙水道的演變可分為以下四個(gè)階段。

第一階段：20世紀(jì)90年代以前，牯牛沙邊灘高大完整，變化不大，深槽靠左岸分布，5 m等深線貫通，10 m等深線僅在茅山港偏上處斷開，深泓變化幅度?。▓D3）。這一階段，過渡段斷面呈偏“V”型（圖4），斷面最深點(diǎn)水深約為航行基準(zhǔn)面下14.6 m，河道穩(wěn)定少變，航道條件優(yōu)良，無礙航淺區(qū)存在。

第二階段：20世紀(jì)90年代～2002年。從20世紀(jì)90年代起，牯牛沙水道開始出現(xiàn)一些不利變化，主要是主流右偏，特別是1998、1999年連續(xù)大洪水后變化明顯。從深泓變化來看，1998、1999年，過渡段深泓大幅右擺，最大幅度達(dá)820 m，大水年過后，深泓回?cái)[，但仍未恢復(fù)到90年代中期以前水平，2002年相對于1995年，過渡段深泓右擺約375 m。

主流右偏引起灘槽的相應(yīng)變化。從灘槽平面變化來看，牯牛沙邊灘頭部開始沖刷后退，上深槽發(fā)展，5 m深槽向右展寬并下延；下深槽萎縮，5 m等深線變化不大，但10 m等深線明顯萎縮，5 m等深線開始出現(xiàn)交錯(cuò)。從斷面變化來看（圖4），20世紀(jì)90年代起牯牛沙邊灘開始沖刷后退，1995年相對于1976年，灘面沖刷下切1～2.3 m，0 m線后退約245 m，雖深槽仍靠左岸分布，但水深淤淺，寬度變窄，而右側(cè)河心隨著牯牛沙邊灘的沖刷后退，有所刷深，斷面形態(tài)開始向“W”型發(fā)展；受1998、1999連續(xù)兩年大洪水影響，牯牛沙水道下深槽和過渡段明顯淤積，而牯牛沙邊灘繼續(xù)受沖萎縮，灘面下切2.5～3.8 m，0 m線后退約100 m，右側(cè)深槽繼續(xù)沖刷發(fā)展，斷面已發(fā)展為“W”型，河道內(nèi)5 m深槽出現(xiàn)交錯(cuò)分布，灘槽形態(tài)向不利方向變化；至2002年，左右兩側(cè)深槽水深差別不大，左槽略窄，右槽較寬，河床斷面較為寬淺。

圖4 第一、第二階段典型橫斷面形態(tài)圖Fig.4 Typical cross?section shape of the 1st&2nd stages

總體而言，該階段過渡段斷面河床形態(tài)變化較大，牯牛沙邊灘沖刷后退、下深槽萎縮、上深槽發(fā)展、右偏，上下深槽出現(xiàn)交錯(cuò)，過渡段斷面由窄深的偏“V”型斷面向?qū)挏\的“W”型斷面發(fā)展。這一階段河道盡管出現(xiàn)了一些不利變化，但航道條件尚好，未出現(xiàn)礙航淺區(qū)。

第三階段：2003～2009年，牯牛沙邊灘繼續(xù)沖刷后退、高程降低，上下深槽交錯(cuò)范圍增大、過渡段寬淺，斷面呈“W”型或“U”型（圖5），過渡段河床沖淤變化幅度大。這一階段牯牛沙水道已演變成為礙航淺灘，出現(xiàn)礙航。

本水道右岸有牯牛沙邊灘，左岸有團(tuán)林岸邊灘，牯牛沙邊灘對航道條件影響較大，團(tuán)林岸邊灘位于河道凹岸，灘型較小，對航道條件影響較小。2003年以后，牯牛沙邊灘繼續(xù)沖刷后退并向下游發(fā)展，邊灘中上段左緣受沖后退，寬度變窄，面積減小（表1），2004～2006年，累計(jì)后退約210 m。造成河道放寬，主流擺動(dòng)空間增大，不時(shí)出淺，航道條件變差。

第四階段：2009年一期工程實(shí)施以來：牯牛沙邊灘總體淤積展寬，主流停止右擺，上下深槽分布由交錯(cuò)型演變?yōu)橄鄬π?，過渡段斷面呈“W”型或“U”型，航道條件得到一定程度改善，但過渡段仍然較為寬淺（圖5）。

針對牯牛沙邊灘持續(xù)沖刷后退，造成航道出淺礙航的情況，于2009年9月起開始實(shí)施牯牛沙水道一期整治工程，2012年11月通過竣工驗(yàn)收［5］。工程實(shí)施后，遏止了牯牛沙邊灘沖刷后退的趨勢，抑制了枯水河寬的進(jìn)一步展寬；水道內(nèi)上深槽右擺的趨勢基本得到抑制，上、下深槽由相互交錯(cuò)變?yōu)橄鄬?，過渡段航槽趨于順暢。航道條件得到一定程度改善，達(dá)到了一期工程整治目標(biāo)，一期工程的實(shí)施為后續(xù)工程奠定了良好的基礎(chǔ)，但航道條件不穩(wěn)定，礙航淺區(qū)仍然存在，航道尺度未能達(dá)到規(guī)劃尺度。

圖5 第三、第四階段（一期工程實(shí)施前后）斷面變化圖Fig.5 Typical cross?section shape of the 3rd&4th stages（before and after the 1st phase regulation project）

表1 牯牛沙邊灘寬度、面積統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistical table of the width and area of Guniusha bar

2.1.2 淺灘演變特點(diǎn)

本水道淺區(qū)屬于過渡段淺區(qū)，在演變中一般呈現(xiàn)兩種型態(tài)：正常型和交錯(cuò)型［1,6-7］。

正常型淺區(qū)：1998年以前，上深槽偏靠水道的左岸側(cè)，右岸側(cè)為灘面較高的牯牛沙邊灘，主流頂沖茅山港以上岸段，上、下深槽不交錯(cuò)，平面位置比較穩(wěn)定，一般汛后退水過程中淺區(qū)均能自行沖開，航道條件較好。

交錯(cuò)型淺區(qū)：1998年以后，牯牛沙邊灘受沖后退，上深槽右偏，上、下深槽交錯(cuò)，同時(shí)下深槽淤積后退，兩深槽間形成過渡段淺埂，淺區(qū)類型由正常型轉(zhuǎn)化為交錯(cuò)型。汛后退水期，淺?。ǔ厥馑哪晖猓┮话愣疾荒茏孕袥_開，并與兩岸邊灘連為一體，形成范圍較大的礙航淺區(qū)。

2.2 航道條件不穩(wěn)定性原因分析

上述分析表明，一期工程實(shí)施后，航道條件得到一定程度改善，但航道條件不穩(wěn)定，主要表現(xiàn)為：航道時(shí)好時(shí)壞，2010年航道條件較差，發(fā)生出淺礙航情況，2011年航道條件較好，未發(fā)生礙航現(xiàn)象。為此，針對這一情況就2010年和2011年水沙條件進(jìn)行了分析。

2.2.1 2010年水沙情況

（1）2010年來水量是三峽蓄水運(yùn)用后來水量較大的一年。

2010年漢口站年平均流量為23 700 m3/s（多年平均流量為22 316 m3/s，三峽工程蓄水運(yùn)用以來平均流量20 543 m3/s），略高于多年平均流量。2010年徑流量為7 472億m3，為三峽工程蓄水運(yùn)用后徑流量最大的一年。但從三峽蓄水運(yùn)用后漢口站來水來沙特征統(tǒng)計(jì)來看，2010年為三峽工程蓄水運(yùn)用后退水期較為正常的一年。

（2）懸移質(zhì)來沙量正常。

2010年懸移質(zhì)輸沙總量為1.110億t（蓄水后多年懸移質(zhì)輸沙總量為1.13億t），與蓄水后多年懸移質(zhì)輸沙總量基本持平。

（3）洪峰流量較大，洪水期淤積時(shí)間長。

該年10 000 m3/s以下發(fā)生的天數(shù)為10%、15 000 m3/s以下發(fā)生的天數(shù)為41%、20 000 m3/s以下發(fā)生的天數(shù)約為50%，全年大于30 000 m3/s流量的天數(shù)為36%?？梢姡?010年水文過程屬于三峽工程蓄水后來水量大、來沙量正常的水文年，年內(nèi)洪季淤積時(shí)間較長，枯季沖刷時(shí)間正常。

2.2.2 2011年水沙變化情況

（1）2011年枯水時(shí)間持續(xù)時(shí)間長，徑流量為近年較少的一年。

2011年漢口站年平均流量為15 240 m3/s，僅為多年平均的68%，為三峽蓄水運(yùn)用后平均流量的74%，全年大于30 000 m3/s流量的天數(shù)為34 d，小于15 000 m3/s流量的天數(shù)為197 d（達(dá)半年以上），長時(shí)間的枯水沖刷無疑對淺區(qū)是有利的。

（2）懸移質(zhì)來沙量比小。

2011年懸移質(zhì)輸沙總量為0.710億t（蓄水后多年懸移質(zhì)輸沙總量為1.13億t），僅為蓄水后多年平均的63%。

（3）洪峰流量小，有利淺灘沖刷的中枯水持續(xù)時(shí)間長。

該年10 000 m3/s以下發(fā)生的天數(shù)基本沒有，15 000 m3/s以下發(fā)生的天數(shù)為46%、20 000 m3/s以下發(fā)生的天數(shù)約為70%，即中枯水流量占主要地位。15 000～16 000 m3/s約占8%，16 000～17 000 m3/s約占9%，為發(fā)生天數(shù)較為密集的兩個(gè)流量段。

綜合上述分析可知：在2010年來水量略大的正常來水來沙量及過程的情況下，牯牛沙水道都會(huì)出淺礙航，可見，在一般水沙條件下該水道過渡段淺區(qū)沖刷能力不足；2011年屬小水小沙年，且中枯水持續(xù)時(shí)間長加之懸移質(zhì)含沙量小，特別有利于平面形態(tài)較為穩(wěn)定的過渡段淺灘的沖刷，因此，2011年航道好是在特別有利的水沙條件下產(chǎn)生的，在自然條件下難以長期維持。

3 礙航分析及整治二期工程

3.1 航道整治一期工程實(shí)施前的礙航特性

牯牛沙水道航道整治一期工程實(shí)施前，牯牛沙水道內(nèi)牯牛沙邊灘受20世紀(jì)80年代中期以來來沙量減少和三峽蓄水運(yùn)用后河道來水來沙條件發(fā)生變化影響，牯牛沙邊灘持續(xù)沖刷后退，致使河道展寬，上深槽右擺，枯水期過渡段內(nèi)存在較大范圍的淺埂，航道水深時(shí)而不足，航槽不穩(wěn)定，航道不暢，航道維護(hù)部門通過采取調(diào)標(biāo)和疏浚措施才能維持通航。

3.2 航道整治一期工程實(shí)施后的礙航特性

一期工程實(shí)施后，制止了牯牛沙邊灘的沖刷后退，但灘型仍不完整，局部區(qū)域掩護(hù)不夠，邊灘中上部仍然較低，由于一期工程屬于守護(hù)工程，不可能對已經(jīng)形成的寬淺的淺灘形態(tài)有大的改善。受水沙條件影響，斷面呈現(xiàn)寬淺的“U”型或“W”型，斷面形態(tài)不穩(wěn)定，遇不利水文年作用會(huì)出淺礙航，影響通航。

3.3 航道整治二期工程思路及方案

根據(jù)本河段航道存在問題的分析，二期工程重點(diǎn)是對牯牛沙水道過渡段淺區(qū)進(jìn)行治理，在已實(shí)施一期工程的基礎(chǔ)上，通過工程措施，恢復(fù)牯牛沙邊灘規(guī)模，束窄過渡段枯水河寬，以利淺灘退水歸槽沖刷，提高航道尺度，使航道尺度達(dá)到規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合總體方案考慮，航道整治二期工程的方案可在右岸一期護(hù)灘帶工程基礎(chǔ)上進(jìn)一步建設(shè)成丁壩，并對左岸受丁壩影響的區(qū)域進(jìn)行護(hù)岸加固。

4 結(jié)論

牯牛沙水道為彎曲河型，受地質(zhì)和邊界條件控制，多年來河道岸線穩(wěn)定變化不大，總體河勢格局變化不大。河床演變分析表明，牯牛沙水道2003年以前，航道條件優(yōu)良，淺區(qū)段航道條件對來水來沙條件變化不敏感，但三峽蓄水后，壩下游沖刷自上而下沿程發(fā)展，牯牛沙水道灘槽形態(tài)所面臨的形勢較為嚴(yán)峻，在水道右岸牯牛沙邊灘沖刷后退明顯、河床邊界條件已發(fā)生變化情況下，本水道發(fā)生礙航與否，與水沙條件以及退水期沖刷時(shí)間長短密切相關(guān)。

牯牛沙一期工程護(hù)灘建筑物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定完整，左岸護(hù)岸加固工程穩(wěn)定了岸線。一期工程實(shí)施后，抑制了牯牛沙邊灘的沖蝕后退，制止了航道條件向不利方向變化，實(shí)現(xiàn)了一期工程的目標(biāo)。鑒于一期工程護(hù)灘建筑物對牯牛沙邊灘的作用有限，在不實(shí)施后續(xù)工程的情況下，牯牛沙水道灘槽形態(tài)仍難以長期穩(wěn)定。因此，針對目前過渡段淺區(qū)的礙航問題，提出二期工程在已實(shí)施一期護(hù)灘帶工程的基礎(chǔ)上進(jìn)一步建設(shè)丁壩，并對左岸受丁壩影響的區(qū)域進(jìn)行護(hù)岸加固，來恢復(fù)牯牛沙邊灘規(guī)模，束窄過渡段枯水河寬，以利淺灘退水歸槽沖刷，使航道尺度達(dá)到規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)。

［1］李義天,唐金武,朱玲玲,等.長江中下游河道演變與航道整治［M］.北京：科學(xué)出版社,2012.

［2］閆軍.長江中游牯牛沙水道河床演變及治理措施［J］.水運(yùn)工程,2012（8）：136-140.

YAN J.River?bed evolution and regulation measures of Guniusha waterway in the middle Yangtze River［J］.Port&Waterway En?gineering,2012（8）：136-140.

［3］蔡大富.長江中游牯牛沙水道航道整治一期工程設(shè)計(jì)［J］.水運(yùn)工程,2009（12）：114-123.

CAI D F.Design of Phase I project of the Guniusha waterway channel regulation in the middle Reach of the Yangtze River［J］.Port&Waterway Engineering,2009（12）：114-123.

［4］蔡大富,鄒祝,閆軍,等.長江中游牯牛沙水道航道整治一期工程效果分析［J］.水運(yùn)工程,2011（3）：97-102.

CAI D F,ZOU Z,YAN J,et al.Effect analysis of Guniusha waterway first phase channel regulation project in the middle reach of the Yangtze River［J］.Port&Waterway Engineering,2011（3）：97-102.

［5］蔡大富.長江中游牯牛沙水道航道整治二期工程工程可行性研究報(bào)告［R］.武漢：長江航道規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,2012.

［6］錢寧,張仁,周志德.河床演變學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社,1989.

［7］謝鑒衡.河床演變及整治［M］.武漢：武漢大學(xué),2000.

Study on river bed evolution and characteristics of navigation?obstruction of the Guniusha waterway in Middle Yangtze River

LI Yu?chen1,LI Qing?yun2
（1.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing210098,China;2.Changjiang
Waterway Bureau,Wuhan430010,China）

Taking Guniusha waterway as an example,the fluvial processes and navigation obstruction problem of curved reaches were emphasized in this paper.The fluvial processes,influencing factors,tendency of channel variation of Guniusha waterway,the characteristics of navigation?obstruction and causes of instability in channel conditions after implementing the 1st phase regulation projects were mainly analyzed and studied.Based on the above?mentioned analysis,the 2nd phase regulation scheme was proposed in order to provide references for engi?neering practice.

phase I of waterway regulation project;river bed evolution;characteristic of navigation?obstruc?tion;Guniusha waterway

TV 147；U 617

A

1005-8443（2014）02-0154-05

2013-04-02；

2013-07-31

李雨晨（1994-），女，湖北省武漢人，主要從事水流泥沙及航道整治研究。