艷洲樞紐下游近壩段航道整治研究

馮小香，張明

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300456）

艷洲樞紐下游近壩段航道整治研究

馮小香，張明

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300456）

樞紐下游的枯水位下降問(wèn)題是航道出淺的重要原因，也是影響船閘通航、制約航道等級(jí)提升的重要因素。在分析澧水艷洲樞紐下游近壩段礙航特性、枯水位變化及原因的基礎(chǔ)上，采用二維平面水流數(shù)學(xué)模型研究了澧水航道升級(jí)整治過(guò)程艷洲樞紐下游近壩段的淺灘整治問(wèn)題，包括工程整治方案、整治效果及對(duì)枯水位的影響。結(jié)果表明：艷洲樞紐下游近壩段河床比降大、枯水位落差集中，具有明顯的“陡坎”及“陡比降”現(xiàn)象，若僅以疏浚方式進(jìn)行航道整治，則將引起艷洲樞紐船閘下游的枯水位明顯下降,在艷洲樞紐船閘改擴(kuò)建中下游設(shè)計(jì)最低通航水位的確定應(yīng)充分考慮樞紐下游高等級(jí)航道整治工程的影響。

樞紐;航道整治;枯水位;下降；澧水

近年來(lái)，隨著河道采砂、航道升級(jí)整治及清水沖刷等因素的影響，河流末級(jí)樞紐的下游普遍出現(xiàn)了河床下切、枯水位下降現(xiàn)象［1-5］。在河床下切過(guò)程中，局部河段由于河床底質(zhì)抗沖性較強(qiáng)，在下游枯水位下降后逐漸出淺，形成一類特殊的礙航灘險(xiǎn)（或淺段）。這類灘險(xiǎn)在遏制下游水位向上游傳遞的同時(shí)，一般也具有陡坎、陡比降現(xiàn)象，枯水期對(duì)船舶的航行有一定的礙航作用。已有的相關(guān)研究成果表明，采取工程措施將局部陡坎河段內(nèi)的水位集中落差改造為分散落差應(yīng)是該類灘險(xiǎn)整治的主要手段［5-6］。然而，此種整治方法對(duì)河道條件要求較高，需受整治河段內(nèi)的特殊形態(tài)、上下游河段之間的關(guān)系制約，同時(shí)，整治的工程量一般也較大，工程費(fèi)用不菲，在實(shí)踐中往往受到一定限制。當(dāng)整治灘險(xiǎn)緊鄰樞紐船閘下游時(shí)，由于需要考慮樞紐及船閘工程的安全性，以及工程自身的安全性問(wèn)題，整治的難度將進(jìn)一步增大，整治的效果也會(huì)影響船閘的安全運(yùn)行。

艷洲樞紐為澧水最下游的梯級(jí)，壩址位于艷洲洲尾，下距澧縣縣城約5 km。樞紐于1982～1990年建成運(yùn)行，同步建設(shè)的一個(gè)300 t級(jí)船閘于1985年正式通航，船閘尺度為130×12×2.5 m（長(zhǎng)×寬×門檻水深，下同）。在船閘運(yùn)行的近30 a間，隨著下游枯水位的下降，近壩段逐漸出淺，比降越來(lái)越集中，嚴(yán)重影響了船舶的安全通行，并且隨著過(guò)閘船舶大型化發(fā)展，近年來(lái)已多次出現(xiàn)船閘下游引航道水深不夠的現(xiàn)象，艷洲樞紐船閘及壩下近壩段航道問(wèn)題已成為制約澧水航運(yùn)進(jìn)一步發(fā)展的重要因素之一。

作為規(guī)劃的環(huán)洞庭湖高等級(jí)航道網(wǎng)的重要組成，澧水自石門至茅草街要建設(shè)Ⅲ級(jí)航道［7］，其中艷洲樞紐1000t級(jí)船閘的改造工程和艷洲樞紐至茅草街河段的航道整治工程是航道升級(jí)整治的重要內(nèi)容。在航道升級(jí)整治工程中，艷洲樞紐壩下近壩段由于灘險(xiǎn)密布、沿程水面線復(fù)雜、且距離樞紐船閘較近等原因，對(duì)其整治就顯得尤為重要，整治效果也將直接影響艷洲樞紐船閘的改造工程。因此，進(jìn)行艷洲樞紐壩下近壩段的航道整治研究，不僅可以為澧水Ⅲ級(jí)航道建設(shè)提供技術(shù)支撐，還能為河流末級(jí)樞紐的建設(shè)與整治等提供一定的參考。

1 河道礙航特性

艷洲樞紐至津市橋河床組成以砂卵石為主，河勢(shì)較為穩(wěn)定，向下游洞庭湖洪道逐漸過(guò)渡為細(xì)砂、粘土和淤泥。由于近壩河段底質(zhì)較粗，河床抗沖性較強(qiáng)，在下游河床下切后，上游逐漸形成明顯的陡坎，河床縱比降變大。艷洲樞紐至寶塔灣間的6.5 km河段，河床平均比降為1.15‰，寶塔灣至津市橋間，除局部受灘險(xiǎn)影響外，總體上枯水河槽逐漸展寬，河床比降減小。圖1、圖2分別為研究河段形勢(shì)圖和航槽縱剖面圖。

艷洲樞紐下游近壩段枯水期的水位落差集中，灘險(xiǎn)的比降較大，且水面線變化復(fù)雜。根據(jù)2012年3月全河段瞬時(shí)比降觀測(cè)結(jié)果，在流量85～90 m3/s，艷洲樞紐至茅草街約110 km河段的水位總落差為4.3 m，其中津市橋以下92 km河段的水位落差為1.02 m，艷洲樞紐壩下至津市橋18 km河段的水位落差為3.24 km，尤其是艷洲樞紐壩下至寶塔灣間的6.5 km河段，水位落差為3.02 m，占艷洲樞紐至茅草街之間河段落差的70%；壩下近壩段實(shí)測(cè)比降達(dá)1.2‰，與河床比降大致相當(dāng)。

艷洲樞紐壩下近壩河段的陡坎效應(yīng)使得枯水期航道水深不足，揭家灘附近航道水深不足1.3 m，金雞灘附近航道水深不足1.6 m。在澧水進(jìn)行Ⅲ級(jí)航道建設(shè)時(shí)，淺灘的水深不足問(wèn)題將是制約航道等級(jí)提升的重要因素。

圖1 艷洲樞紐壩下近壩河段形勢(shì)圖Fig.1River regime in the downstream of Yanzhou hydro?junction

圖2 艷洲樞紐壩下近壩河段航槽縱剖面圖Fig.2Channel profile in the downstream of Yanzhou hydro?junction

2 近壩段枯水位變化

津市水文站下距艷洲樞紐約18 km，根據(jù)該站資料，1996～2010年澧水多年平均流量為447 m3/s，年平均最小流量為224 m3/s，出現(xiàn)在2006年；1991～2010年間，保證率95%的水位為27.97 m，其對(duì)應(yīng)的流量為106 m3/s。

枯水流量時(shí)，津市下游石龜山水文站相同年份的水位流量關(guān)系相對(duì)單一（圖3），表明石龜山及其上游河段在枯水期并不受洞庭湖湖水的頂托影響，而津市水文站的水位流量關(guān)系比較散亂（圖4），在樞紐運(yùn)行前，相同流量下的水位變化應(yīng)主要受支流入?yún)R和河床沖淤等因素的影響，而在樞紐運(yùn)行后，除上述原因外，電站的調(diào)峰也進(jìn)一步增加了同流量下的枯水位變化。

1980 年以來(lái)，津市水文站同流量下的水位有大幅下降，以各年106 m3/s流量對(duì)應(yīng)的水位來(lái)看（圖5），1992年以前基本維持在29 m以上，1992～2002年間，逐漸下降，由29.36 m降至27.68 m，下降了1.68 m，年均下降0.17 m，2002年以后又相對(duì)穩(wěn)定。從津市水文站枯水位下降發(fā)生的時(shí)間來(lái)看，主要出現(xiàn)在艷洲樞紐正式運(yùn)行后的第3～13年間，由于艷洲樞紐蓄水?dāng)r沙所引起的下游河床清水沖刷以及由于電站調(diào)峰產(chǎn)生的非恒定流對(duì)近壩段的沖刷應(yīng)是津市水文站及近壩段水位下降的重要原因，此外，從下游石龜山、南咀2個(gè)水文站的枯水位變化來(lái)看（圖3、圖6），1980～2010年間2個(gè)水文站同流量對(duì)應(yīng)的水位均有不同程度的下降，表明津市水文站的枯水位下降除因受近壩段的河床下切影響外，下游的水位下降向上游的傳遞也有一定的影響。根據(jù)有關(guān)資料［7］，澧水洪道津市至茅草街航段經(jīng)歷了多次整治，1984年以前，對(duì)全線的數(shù)十處灘險(xiǎn)進(jìn)行了大量的治理，使該航道達(dá)到了Ⅵ級(jí)通航標(biāo)準(zhǔn)，其中既有因水道的演變和改道而相應(yīng)進(jìn)行的航道疏浚；也有筑壩與疏浚相結(jié)合的整治工程；1984～1991年，按照Ⅳ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)又對(duì)該航道進(jìn)行了系統(tǒng)整治，航道維護(hù)尺度為1.6 m×50 m×300 m（水深×航寬×彎曲半徑，下同），可通行500 t級(jí)船隊(duì)，尤其是1984年對(duì)津茅河段落差比較集中的沙羅航道進(jìn)行了拓寬，工程于1987年冬竣工，竣工后石龜山、津市站的枯水位明顯下降。

圖3 石龜山水文站水位流量關(guān)系（Q＜600 m/s）Fig.3Stage?discharge relation curve at Shiguishan hydrographic station(Q＜600 m3/s)

圖4 津市水文站水位流量關(guān)系（Q＜600 m3/s）Fig.4Stage?discharge relation curve at Jinshi hydrographic station(Q＜600 m3/s)

圖51980 ～2010年津市水文站同流量下的水位變化（Q=106 m3/s）Fig.5Water level variation at the same discharge from 1980 to 2010 at Jinshi hydrographic station(Q=106 m3/s)

圖6 南咀水文站水位流量關(guān)系（Q＜600 m3/s）Fig.6Stage?discharge relation curve at Nanzui hydrographic station(Q＜600 m3/s)

圖7 艷洲樞紐下游近壩段整治前后的水面線變化圖Fig.7Water level variation along the reach before and after channel improvement project

3 整治方案

3.1 航道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)

目前，澧水石門至青山間的航道等級(jí)為V級(jí)，青山至津市間的航道等級(jí)為Ⅶ級(jí),津市至茅草街間的航道等級(jí)為Ⅳ級(jí)。為了實(shí)現(xiàn)1000t級(jí)航道規(guī)劃，確保1000t級(jí)船型從石門直接通航至城陵磯，航道升級(jí)采用的通航標(biāo)準(zhǔn)為Ⅲ（3）級(jí)，設(shè)計(jì)航道尺度為2.0 m×60 m×480 m，航道通航保證率為95%，同時(shí)需要對(duì)青山和艷洲兩座樞紐船閘進(jìn)行改造，其中艷洲樞紐船閘擬改造標(biāo)準(zhǔn)為1000t級(jí)船閘，閘室有效尺度為180 m×23 m×3.5 m。

3.2 航道整治思路與方案

在澧水石門至茅草街進(jìn)行1000t級(jí)航道整治過(guò)程中，艷洲樞紐壩下近壩河段主要的礙航問(wèn)題是灘上航槽水深不足。為增加航槽水深，初步有三種方案：一是進(jìn)行淺灘段的航道挖槽；二是利用丁壩等整治建筑物來(lái)分段抬高水位；三是采用塞支強(qiáng)干的方式以增加主槽的流量來(lái)抬高航道水位。結(jié)合壩下近壩段的河道特性，枯水位落差集中，主要集中于寶塔灣以上的淺灘段，下游寶塔灣至津市橋河段的水位落差小，水位平緩；如果在下游建設(shè)丁壩等建筑物來(lái)分級(jí)抬高水位，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，不僅工程造價(jià)較高，后期維護(hù)也很困難［5］，因此方案二的應(yīng)用難度較大；對(duì)于方案三，由于在樞紐設(shè)計(jì)最低通航流量106 m3/s時(shí)，各淺灘的支汊基本不過(guò)流，堵塞支汊的效果將不明顯，因此方案三的整治效果有限。根據(jù)以上分析，近壩段應(yīng)主要采用方案一即挖槽的方式進(jìn)行航道整治。

艷洲樞紐至津市橋航段的河床比降大，灘面極不平整，主流左右擺動(dòng)，為增加航槽水深，應(yīng)順應(yīng)河勢(shì)布置挖槽，適當(dāng)布置護(hù)灘工程穩(wěn)固邊灘。其挖槽的控制標(biāo)準(zhǔn)為：在艷洲樞紐設(shè)計(jì)最小通航流量106 m3/s時(shí)，樞紐下游近壩段航道整治的控制水位為津市水文站設(shè)計(jì)最低通航水位，通過(guò)調(diào)整各段的挖槽深度，以逐漸達(dá)到設(shè)計(jì)航道最小水深的要求。

津市水文站設(shè)計(jì)最低通航水位，主要通過(guò)艷洲樞紐至茅草街間的長(zhǎng)河段二維水流數(shù)學(xué)模型來(lái)計(jì)算確定，在設(shè)計(jì)整治方案下，計(jì)算得到津市水文站的設(shè)計(jì)最低通航水位為27.45 m，其中由津市下游的航道整治所引起的水位下降為0.37 m。

圖8 艷洲樞紐下游近壩段整治前后的比降與水位下降Fig.8Slope and water level lowing before and after channel improvement project

圖9 艷洲樞紐下游近壩段整治前后的流速變化圖Fig.9Velocity variation along the reach before and after channel improvement project

4 整治效果分析

采用平面二維水流數(shù)學(xué)模型計(jì)算了航道整治前后近壩段的水位、流速變化，依據(jù)的地形為2011年6月艷洲樞紐至茅草街河段的實(shí)測(cè)地形資料。由圖7可見(jiàn)，航道整治后，近壩段的水位明顯下降，且距離壩址越近，下降幅度越大。在壩下1 km范圍內(nèi)，平均下降2.8 m，最大下降2.85 m；在壩下6.5 km附近，水位下降0.46 m；之后，水位下降基本維持在0.37～0.46 m間，總體來(lái)看，水位落差越集中，需要開(kāi)挖的深度也就越大，水位下降的幅度也相應(yīng)增大，尤以寶塔灣以上河段最為明顯。但水位的下降又使得航槽水深達(dá)不到設(shè)計(jì)水深要求，需進(jìn)一步挖深。在隨著挖深的逐漸增加，相同幅度的挖深所引起的水位下降幅度將減小，在達(dá)到設(shè)計(jì)的2.0 m航槽水深要求時(shí)，壩下0.4 km所在斷面的航槽底高程將達(dá)到26.56 m，河床最大挖深將超過(guò)4 m，此時(shí)設(shè)計(jì)流量下的水位為28.56 m，將比艷洲樞紐現(xiàn)有的300 t級(jí)船閘下游設(shè)計(jì)最低通航水位30.80 m低2.24 m。

整治工程實(shí)施后，由于近壩段的水位下降，比降也隨之減?。▓D8）。設(shè)計(jì)流量106 m3/s時(shí)，最大比降由工程前的1.7‰減小到工程后的0.29‰。同時(shí)，由于水面比降減小，流速也有所降低（圖9），整治工程實(shí)施前，航槽最大流速為1.66 m/s，整治后，最大流速為0.89 m/s。從沿程變化來(lái)看，流速的沿程變化與比降基本一致。

工程實(shí)施后，揭家灘上游斷面和揭家灘中部斷面航槽流量分別為99.7 m3/s和102.8 m3/s，分別占樞紐下泄的106 m3/s流量的94%和97%，水流歸槽特征明顯。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）在艷洲船閘運(yùn)行的近30 a間，由于航道整治、電站非恒定流沖刷及清水下泄等因素的影響，澧水下游枯水位大幅下降，全河段比降逐漸向近壩段集中，在近壩段形成了坡陡、流急的礙航淺段。

（2）根據(jù)艷洲樞紐壩下近壩河段的河道特性，提出采用挖槽增深的方式以達(dá)到設(shè)計(jì)的航道尺度。按照1000t級(jí)航道尺度標(biāo)準(zhǔn)整治時(shí)，近壩段航槽內(nèi)最大挖深將超過(guò)4 m，現(xiàn)有的300 t級(jí)船閘下游的設(shè)計(jì)最低通航水位將下降2.24 m，航槽內(nèi)比降減小，流速降低，航道的開(kāi)挖是引起水位下降的重要因素之一。

（3）研究主要針對(duì)澧水航道升級(jí)過(guò)程中艷洲樞紐下游近壩段的航道整治問(wèn)題以及由于航道整治所引起的設(shè)計(jì)水位下降問(wèn)題進(jìn)行了計(jì)算分析，沒(méi)有考慮其他人為因素對(duì)于設(shè)計(jì)水位的影響，鑒于下游河道挖沙等人為因素對(duì)河道變形及枯水位變化可能造成一些不可預(yù)測(cè)的影響，建議在艷洲樞紐船閘改建過(guò)程中對(duì)于船閘下游底檻高程除考慮航道開(kāi)挖引起的水位下降值外，還要考慮一定的富裕量。

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Study on waterway regulation in near?dam reach downstream the Yanzhou hydro?junction

FENG Xiao?xiang,ZHANG Ming
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China）

The descent of low water level downstream hydro?junction is an important cause for shallow chan?nel,also an important unfavorable factor for ship lock safe navigation and waterway grade improvement.In this pa?per,the navigation?obstructing characteristics and the causes of low water level change in near?dam reach down?stream Yanzhou hydro?junction in Lishui River were analyzed,then the 2?D flow mathematical model was employed to study the shoal regulation problem in waterway grade improvement,including regulation scheme,effect and influ?ence on low water level.The results indicate that∶the river bed gradient in near?dam downstream the Yanzhou hydro?junction is high,and the height of low water is concentrate,with obvious“scarp”and“steep gradient”phenome?non,and thus the dredging method is an appropriate way to achieve the design depth;when the channel regulation plan in Lishui River is implemented,the lowest navigation water level downstream the Yanzhou existing ship lock may largely descend,and need reduce its lowest navigation water level.

hydro?junction;waterway regulation;low water level;descent;Lishui River

U 641；TV 61

A

1005-8443（2015）05-0409-05

2015-05-21；

2015-07-28

馮小香(1977-)，女，河南省人，副研究員,主要從事水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)、內(nèi)河港航工程研究。

Biography：FENG Xiao?xiang（1977-），female,associate professor.