黃河上游雙旋溝灘航道整治方案模型試驗(yàn)研究

楊振華，王平義，喻濤

（重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶400074）

黃河上游雙旋溝灘航道整治方案模型試驗(yàn)研究

楊振華，王平義，喻濤

（重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶400074）

摘要：為確定黃河上游龍灣至南長灘河段礙航最為嚴(yán)重急險淺灘——雙旋溝灘的航道整治工程方案，進(jìn)行了定床河工模型試驗(yàn)研究。其中定床水流試驗(yàn)研究灘段水力要素，定床輸沙試驗(yàn)研究挖槽穩(wěn)定性。試驗(yàn)結(jié)果表明，通過淺區(qū)疏浚、卡口切嘴、深沱填槽、深槽潛壩、放寬段丁壩等整治措施，可以降低該灘段流速、比降，改善流態(tài)，增加航寬航深，使該灘段滿足V級航道建設(shè)要求。整治后，灘段水力要素滿足船舶上灘要求，船舶能在10 a一遇洪水下安全航行。

關(guān)鍵詞：航道整治；淺灘；模型試驗(yàn)；雙旋溝灘

黃河干流大河家至南長灘段全長480.82 km，只有蘭州段和劉家峽庫區(qū)分別有38.4 km和41 km建成V級航道，白銀段110 km航道和蘭州延伸段50 km航道還在建設(shè)中，其他河段大部分還處于天然狀態(tài)。隨著龍灣至南長灘河段的建設(shè)開發(fā)，白銀段110+103.4 km航道將全線達(dá)到Ⅴ級通航標(biāo)準(zhǔn)。雙旋溝灘是龍灣至南長灘河段最為嚴(yán)重的急險淺灘，急需對該灘段進(jìn)行整治。由于該灘集急、險、淺為一身，治理難度較大，為此開展了定床物理模型試驗(yàn)研究，以確定合理可行的整治方案。

1　河道概況及灘性分析

雙旋溝灘位于黃河上游甘肅省龍灣至南長灘河段，距龍灣過河纜GD22距離為15.24 km，灘長約870 m，如圖1所示。該灘可以分為三部分：上部彎段、中部放寬段、下部深槽段?？菟诤訉捊橛?0～250 m，水面比降為1.51‰，平均流速為2.28 m/s，最大流速為4.03 m/s。灘上口寬約250 m，而在下部則由于右岸邊灘伸入河中，將江面驟然縮窄至50 m，加之左岸基巖孤石，兩岸對峙形成一個卡口，河道極狹窄，最窄處河面寬僅50 m，是典型的西部山區(qū)河流航道［1］。

圖1　雙旋溝灘概況Fig.1Topographic map of Shuangxuangou rapids

隨著來水流量的大小不同，雙旋溝灘灘險類型和成灘位置也會不同。在枯水時，上段和下段對通航基本沒影響，成灘部位為中段放寬段。該放寬段靠左岸的礁石（較大淺灘）和右岸較小淺灘露出水面，把水流分成三汊。左右汊分流量較小，特別是右汊流速緩、航深淺，受出口凸嘴頂托作用，水流易在此汊產(chǎn)生回流，造成泥沙淤積，因此枯水期航道走中汊。但由于大部分水流從中汊通過，造成該汊流速、比降較大，對船舶上水航行有一定的影響。在兩淺灘中間有一個較大的深沱，深沱處有泡漩水等不良流態(tài)。另外此處的航寬也不滿足通航要求。中洪水時，中段的左右岸淺灘被淹沒，對航寬航深基本沒影響，上段彎段水流稍微掃向右岸，會有一定的橫比降，但該段水流較為平緩。下段深槽過流能力小，造成該段流速大、比降大，并伴有大浪、泡漩、跌水等極差流態(tài)，水急比降陡，對船舶上水航行和下水航行都礙航嚴(yán)重，綜上分析，雙旋溝灘可定性為中洪水急流險灘兼枯水淺險灘。

2　模型概況

根據(jù)實(shí)測的黃河雙旋溝灘河段地形圖，模擬河段上起P2水尺上1 km處，下至P3水尺0.5 km的范圍，河段長約2.2 km，共繪制60個斷面，進(jìn)口段（CS1～CS11）、上段（CS11～CS21）、中段（CS21～CS33）、下段（CS33～CS54）、出口段（CS54～CS60），斷面布置見圖1。采用平面比尺λl=100、垂直比尺λh=50的變態(tài)定床河工模型［2-3］，各具體的比尺關(guān)系為模型變率η=2、流速比尺λu=7.071、流量比尺λQ=35 355.34、糙率比尺λn=1.36。

為進(jìn)一步探索整治前后的泥沙在挖槽及航道的淤積情況，檢驗(yàn)挖槽的穩(wěn)定性，在滿足泥沙起動相似和挾沙相似的條件下，選取比重γs=1.4 t/m3的重慶榮昌精煤做模型沙進(jìn)行定床輸沙試驗(yàn)［4］，模型沙中值粒徑d50=2.88 mm，粒徑比尺λd=6.88。根據(jù)以上確定的各比尺及地形、水文資料對淺區(qū)代表斷面進(jìn)行校核，模型最小雷諾數(shù)大于1 000，模型水流處于阻力平方區(qū)，滿足紊流條件。模型淺區(qū)最小水深為2 cm＞1.5 cm，滿足水流表面張力的限制條件。在對水面線、表面流速、流向及流態(tài)進(jìn)行驗(yàn)證時，其誤差在允許范圍內(nèi)，驗(yàn)證結(jié)果表明模型與原型是相似的。

表1　流量水位表Tab.1Discharge and its corresponding water level

3　整治標(biāo)準(zhǔn)及方案試驗(yàn)

3.1整治標(biāo)準(zhǔn)

按照《甘肅省內(nèi)河水運(yùn)發(fā)展規(guī)劃》，確定該河段按內(nèi)河V級航道標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。V級航道尺度：1.4 m× 35 m×270 m（水深×航寬×彎曲半徑）；設(shè)計要求流速小于4 m/s，比降小于3‰；最高通航水位為10 a一遇洪水流量5520m3/s對應(yīng)的水位；最低通航水位為多年歷時保證率95%的水位，對應(yīng)的設(shè)計流量368 m3/s；整治水位為設(shè)計水位加1 m，整治流量907 m3/s；水位和流量見表1。

3.2整治原則和思路

雙旋溝灘主要礙航特征為：流速大、比降大、流態(tài)紊亂、航道窄淺，為中洪水急流險灘兼枯水汊道淺灘特性。根據(jù)研究，確定其航道整治原則為先重點(diǎn)、后一般，兼顧上下游［5］的原則。整治思路為：對于上段要調(diào)整水流平穩(wěn)過渡，避免中洪水時直沖右岸；對于中段要加大航深航寬，消除深沱不良流態(tài)，避免泥沙在此落淤造成枯水出淺礙航；對于下段要使中洪水下的流速、比降降低，緩流航寬增加，不良流態(tài)消除。綜合整治后航道尺度達(dá)到V級航道要求，船舶能夠在設(shè)計條件下較安全經(jīng)濟(jì)的航行。

3.3天然水流特性試驗(yàn)

雙旋溝灘屬于“大肚子”型河道［6］，依次施放設(shè)計流量、整治流量、10 a一遇流量，對其水流特性有直觀認(rèn)識。在10 a一遇流量下，下段卡口過流能力小，中上段的水位由于卡口作用而壅高，流速比降流態(tài)較好，中段有較大回流區(qū)，通過走沙試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)泥沙在右岸淺灘淤積嚴(yán)重，下段流速均在5.5 m/s以上，最大為6.39 m/s，卡口處比降最大達(dá)6.17‰，且伴有大浪、泡漩等極差流態(tài)；在設(shè)計流量和整治流量下，中段流速大、比降較大，泥沙在右岸淺灘也有少量淤積，深沱的泡漩水較嚴(yán)重。三級流量下天然水面比降見表2，流速見表3。

表2　天然水面比降對比表Tab.2Comparison of natural water surface slope‰

表3　修改方案部分?jǐn)嗝嫫骄魉僮兓鞹ab.3Variation of average flow velocity in modification scheme m/s

3.4原設(shè)計方案試驗(yàn)

工程概況［1］：（1）在深沱左側(cè)布置1#挖槽，挖槽區(qū)域底部高程為該處設(shè)計水位以下2 m；（2）在左汊道進(jìn)口布置1#勾頭丁壩，總長度為104 m，壩根、壩頭頂部高程分別為1 330.79 m和1 330.51 m；（3）在深槽布置2條潛壩，1#潛壩、2#潛壩分別長38 m和59 m，頂部高程均為該處設(shè)計水位下4 m，分別為1 323.80 m和1 323.55 m；（4）在深沱右側(cè)布置2#疏浚區(qū)域，設(shè)計底部高程為該處設(shè)計水位以下1 m；（5）在深槽右岸布置3#切嘴，底部高程為該處設(shè)計水位以下1 m，縱比降1.59‰；工程布置見圖2。

依次施放設(shè)計流量、整治流量、10 a一遇流量，流速試驗(yàn)部分結(jié)果見表3，在設(shè)計流量Q=368 m3/s時，最大流速為3.23 m/s，出現(xiàn)在勾頭丁壩壩頭（CS25），這是因?yàn)槎螞]有被淹沒，丁壩壩頭處挑流較嚴(yán)重，其余段都小于3 m/s；最大局部比降4.32‰，出現(xiàn)在河道中段，其余段都小于0.75‰。在整治流量Q=907 m3/s時，勾頭丁壩壩頭處流速為4.05 m/s，其余段都小于4 m/s。由于丁壩挑流使得主流較天然情況偏向右岸，1#挖槽有少量回流所致的落淤，灘段最大局部比降仍出現(xiàn)在河道中段，由天然情況的1.85‰增加到2.52‰。在10 a一遇流量Q=5520m3/s時，上段流速普遍在4 m/s以上，最大處為4.44 m/s（CS15），中段流速在3～3.5 m/s，下段進(jìn)口至1#潛壩流速普遍在4 m/s以上，最大為5.65 m/s（CS44），1#潛壩至出口流速在3～4 m/s。

分析上述試驗(yàn)成果可知，設(shè)計方案在10 a一遇流量下，下段采取“上疏下抬”綜合法［7］效果明顯，2條潛壩對調(diào)整深槽段的比降很明顯，3#切嘴擴(kuò)大了過水?dāng)嗝婷娣e，也使得深槽段流速降低，流態(tài)改善，大浪消除；中段采取的塞支強(qiáng)干［8］用丁壩封堵汊道的措施在整治流量下的效果也較明顯，除丁壩壩頭處流速稍大于4 m/s外，其他段都能滿足設(shè)計要求，丁壩的挑流使得2#疏浚處泥沙不會淤積，但是壩頭處流速較大，流態(tài)紊亂；在整治流量和設(shè)計流量下的深沱進(jìn)口處有較大跌水，水深不足，深沱內(nèi)有泡漩水，泥沙在1#挖槽上有少量落淤，是由于深沱泡漩回流所致；1#潛壩壩前出現(xiàn)較強(qiáng)泡漩水，此處有泡漩所致落淤；10 a一遇流量下上段比降加大，流速加大，彎段流態(tài)紊亂，這是由于卡口處3#切嘴加大了過流能力，壅水能力減弱，下段深槽流速比降雖然有所改善，但是還未達(dá)到預(yù)期效果。綜合分析還需要對設(shè)計方案進(jìn)行修改。

3.5修改方案試驗(yàn)

圖2　設(shè)計方案工程布置Fig.2Engineering layout of design scheme

圖3　修改方案工程布置Fig.3Engineering layout of modification scheme

針對原設(shè)計方案存在的下段深槽流速偏大、中段深沱泡漩水和進(jìn)口水深不足以及上段惡化的新問題，分別對各段提出解決方案。10 a一遇流量下上游來水頂沖彎段右岸處，該處過流面積小，造成上游水流壅阻，而下游變寬，所以該處比降、流速大，為解決問題，在該處切嘴，定為1#切嘴，底部高程為該處設(shè)計水位下1 m，上下游岸線要平順；彎段左岸由于小石梁阻礙，該處流態(tài)紊亂，對它進(jìn)行適當(dāng)切嘴處理，定為2#切嘴，底部高程為設(shè)計水位下2 m，且在彎段河道中間增加2#填槽，進(jìn)一步降低上段流速比降；為解決中段泡漩水，布置深沱1#填沱，底部高程設(shè)計水位下4 m；為解決壩頭處流速大，將2#疏浚往上游增加開挖的面積，且將底部高程定為設(shè)計水位下2 m，比原設(shè)計方案增加1 m，以使船舶在此處可以繞過壩頭稍偏向右岸上下航行；為解決下段深槽流速偏大，將3#切嘴的范圍擴(kuò)大；其他的工程布置不變（圖3）。

通過三級流量試驗(yàn)，在設(shè)計流量和整治流量下，上中下段的流速比降流態(tài)都較好，符合V級航道整治要求，在10 a一遇流量時，上段流速普遍在3.3～4 m/s，最大為4.26 m/s（CS17），中下段流速普遍在3～4 m/s，最大為4.17 m/s（CS38），下段深槽比降由天然情況的6.17‰減少到1.61‰，上段最大局部比降為2.29‰。工程前后流速變化如表3，水面線比降見圖4。

修改方案10 a一遇流量下的全段比降和流速都有很大的改善，左汊道的丁壩后有大量回淤，對通航?jīng)]有影響，其他段均無淤積。在整治流量和設(shè)計流量時，中段1#挖槽和2條潛壩前后有少量落淤，其余段均無淤積。由此可知，修改后方案整治效果比較明顯，比降和流速都控制的比較好，泥沙淤積和流態(tài)都很好的解決。

圖4　三級流量下水面線圖Fig.4Water level in three kinds of discharge

4　結(jié)語

雙旋溝灘屬于中洪水急流險灘兼枯水汊道淺灘，成灘的類型和部位會隨著流量大小而改變。在整治過程中，類似這種山區(qū)復(fù)雜灘險整治更容易“牽一發(fā)而動全身”，所以要“分清重點(diǎn)，整體兼顧”，尤其注意灘段整治的先后順序。

通過試驗(yàn)研究，提出了雙旋溝灘整治方案。在急流灘段采取上疏下抬的綜合法，對深槽段的比降、流速改善非常明顯；在汊道淺灘段采取塞支強(qiáng)干、疏浚航槽以及填沱等措施，解決該段泥沙淤積、航寬航深以及流態(tài)不良問題；在上彎段處通過切嘴、填槽等措施，改善了該段水流紊亂的情況，擴(kuò)寬了緩流航道。該灘的整治，很好的解決了整治“大肚子”河段過程中常見的“頭好腳疼，腳好肚子疼”問題。其整治思路和方法可以為黃河上游其他類似“大肚子”河段復(fù)雜灘險整治提供參考。

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Biography：YANG Zhen?hua（1987-），male，master student.

中圖分類號：U 617

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1005-8443（2014）05-0517-05

收稿日期：2013-08-05；修回日期：2013-10-22

作者簡介：楊振華（1987-），男，湖北省宜昌人，碩士研究生，主要從事港口及航道整治方面工作。

Model test of channel regulation scheme for Shuangxuangou rapids in upstream of the Yellow River

YANG Zhen?hua，WANG Ping?yi，YU Tao
(School of River&Ocean Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China)

Abstract:In order to determine channel regulation engineering proposal of Shuangxuangou rapids，which is the most serious navigation?obstructing hazardous rapids and shoal reach between Longwan and Nanchangtan in the upstream of the Yellow River，the fixed bed river model test was carried out.In this paper，the hydraulic elements of the rapids were studied by flow test，and the stability of dredged channel was analyzed by sediment transport test. The test result shows that the regulation measures such as dredging the shallow zone，cutting the protrusive rock，fill?ing the deep bay，building the submerged dike in deep trough and spur dike in broadened section can reduce flow velocity and water surface gradient，improve flow state and increase channel width.After regulation，the channel condition of the rapids reach can meet the grade V navigation standard，and the hydraulic elements of the rapids reach can meet the needs of ship passing through rapids.

Key words:channel regulation;shoal;model test;Shuangxuangou rapids