淺析北盤江壩草灘整治與模型試驗(yàn)研究

程從虎

摘 要：本文從水沙運(yùn)動與河道演變的關(guān)系研究壩草灘航道演變與礙航機(jī)理，根據(jù)不同工況下的水沙關(guān)系來分析灘險成因；通過物理模型定床試驗(yàn)和定床輸沙試驗(yàn)，優(yōu)化整治方案，解決泥沙淤積問題，為類似灘險整治提供借鑒。

關(guān)鍵詞：壩草灘水沙分析 整治方案 物模定床輸沙試驗(yàn)

北盤江是紅水河上游主要支流，發(fā)源于云南省沾溢縣馬雄山北麓，由西北流向東南，于貴州省望謨縣蔗香附近與南盤江匯合后稱為紅水河，南盤江、北盤江和紅水河習(xí)慣上稱為“兩江一河”。北盤江-紅水河航道是國家規(guī)劃的“兩橫一縱兩網(wǎng)十八線”高等級航道之一，是貴州南入珠江的水運(yùn)出海通道。

“十一五”期間，貴州啟動了西南水運(yùn)出海中線通道（貴州段）航運(yùn)擴(kuò)建工程，按Ⅳ級航道標(biāo)準(zhǔn)整治“兩江一河”航道共360km。其中北盤江壩草至兩江口段97km，整治灘險26處，航道尺度壩草～百層為1.6m×30m×300m，白層～兩江口為1.6m×50m×330m，通航保證率為90%。

壩草灘為本次北盤江航道整治起點(diǎn)，下距兩江口97km，屬北盤江典型的砂卵石灘險，以枯水河槽彎、窄、淺礙航著稱。該灘位于龍灘庫區(qū)變動回水區(qū)，灘險成因復(fù)雜，既受龍灘庫區(qū)回水頂托影響，也受上游董箐電站下泄流量影響，水沙條件復(fù)雜，同時灘頭左岸為擬建壩草新港，灘險整治須考慮港池淤積問題，整治難度大。建設(shè)業(yè)主將壩草灘作為整治該段航道的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，委托進(jìn)行物模試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)單位加強(qiáng)設(shè)計(jì)力量，施工單位緊密配合，多方協(xié)作確保壩草灘整治工程取得成功。

1.灘險演變及礙航因素分析

1 . 1地質(zhì)地貌

壩草灘地質(zhì)主要由沙砂卵石組成。灘段位于微彎河段，灘上段左岸有一長約330m的卵石邊灘（1號邊灘），其下游右岸有一長約420m的卵石邊灘（2號邊灘），在往下游左岸有一長約440m的卵石邊灘（3號邊灘），3個邊灘上下銜接，左右交錯，枯水航道呈S型。

1 . 2灘險演變及礙航因素分析

北盤江為典型的山區(qū)河流，距本灘下游約10km的這洞水文站資料統(tǒng)計(jì)，年平均徑流量151億m3，年平均流量479m3/s，年最大日均流量5134m3/s（2001.7.4），最小43.66m3/s（2001.5.2），年際、年內(nèi)水量分布極不均勻，汛期水位暴漲暴落現(xiàn)象十分突出。

壩草灘長約1.4km，平均比降1.16‰，局部最大比降為4.25‰，最大流速1.91m/s，最小水深0.7m，為典型的北盤江沙卵石灘。該灘段為微彎河段，自上而下岸側(cè)分布存在大小規(guī)模不同的三塊邊灘侵入枯水主槽，邊灘灘面高程均較低，整治流量下灘面過流。這些大小不一、高低不等的邊灘控制了枯水流線，使枯水航道呈S型。在灘段范圍內(nèi)洪水時水流取直、枯水時水流歸槽坐彎，上游不同的來流量下水流流向相差較大，枯水河槽大幅偏離中高水期的流線，甚至位于緩流區(qū)，汛期泥沙淤積量大而枯水期水流沖刷不力，加之汛期強(qiáng)水流攜帶淤積物粒徑較粗，由此使得枯水河槽彎、窄、淺。

同時，本河段河寬較窄，洪水河寬一般不足150m，因此，較窄的河寬為壩草新港口水域的布置帶來了很大難度，港池及回旋水域開挖后面臨泥沙回淤的風(fēng)險。

該灘經(jīng)過1994年和“十五”期的西南水運(yùn)出海通道中線起步工程整治，在2號邊灘灘頭建有2條勾頭壩和1條順壩，中部建有3 條丁壩，在3號邊灘灘尾建有2條丁壩，以加強(qiáng)枯水期航道沖刷，但由于2號邊灘灘中丁壩位于洪水主流流線上，受汛期洪水直沖，水毀嚴(yán)重。壩草灘原始地形見圖1。

本灘的整治主要是解決Ⅳ級航道航道尺度不足，壩草新港口水域布置及泥沙淤積問題，并且采取有效措施預(yù)防整治建筑物水毀。

2.現(xiàn)狀條件下水流特性試驗(yàn)

根據(jù)該灘的實(shí)際情況，進(jìn)行了工程前設(shè)計(jì)流量183m3/s、整治流量329 m3/s、中水流量880m3/s和洪水流量2000m3/s共四個特征流量下水流特性試驗(yàn)。結(jié)果表明：

（1）在183m3/s（設(shè)計(jì)流量）下，航深1.6m等深線基本貫通，但在1號邊灘與2號邊灘的過渡段約27m水深不足1.6m，且部分1.6m水深的寬度不滿足設(shè)計(jì)航寬要求；2號邊灘與3號邊灘的過渡段彎曲半徑不滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）流速隨流量的增大而增大，流量為2000m3/s時，邊灘上流速普遍超過3m/s，航道處流速均小于3m/s；183m3/s設(shè)計(jì)流量下最大流速2.19m/s，出現(xiàn)在2、3號邊灘的過渡段。

（3）設(shè)計(jì)流量下，水流歸槽，流向基本與航道走向一致；中洪水水流動力軸線取直過灘，航道內(nèi)流向偏向邊灘，特別是在彎道和邊灘的灘頭，偏角較大。

試驗(yàn)表明，壩草灘在各級流量下水面比降一般小于2‰，流速一般不超過3m/s，說明該灘通航水流條件較好。礙航主要是局部水深、航寬和彎曲半徑不足。

3.整治原則

3. 1整治參數(shù)

（1）設(shè)計(jì)流量

壩草灘位于龍灘庫區(qū)變動回水區(qū)，距上游董箐電站約5km，受上游下泄流量和庫區(qū)回水影響較大。經(jīng)綜合分析計(jì)算，設(shè)計(jì)流量取董箐電站單機(jī)滿發(fā)最大引用流量的85%為183m3/s。

（2）整治流量和整治水位

根據(jù)北盤江整治經(jīng)驗(yàn)，整治水位一般高出設(shè)計(jì)水位0.8～1.2m，考慮到設(shè)計(jì)流量取183m3/s，明顯大于天然條件下的設(shè)計(jì)流量，因此整治水位取小值為宜，即為設(shè)計(jì)水位上0.8m，對應(yīng)流量為329m3/s。

3.2整治原則與目標(biāo)

根據(jù)工程前水流特性試驗(yàn)和灘險礙航特點(diǎn)，采取整治與疏浚相結(jié)合，以疏浚為主；新建整治建筑物與修復(fù)原建壩體相結(jié)合，以完善已建整治建筑物發(fā)揮其作用為主；改善港口水域和航道水深、防止淤積和改善航行水流條件、解決彎、窄、淺相結(jié)合，做到統(tǒng)籌兼顧。endprint

4.工程方案試驗(yàn)研究

4 . 1方案1

對2號邊灘上原有老壩進(jìn)行加固并加高到整治水位，拆除整治線以內(nèi)的壩體；對壩草老港和新港的港池、回旋水域進(jìn)行開挖；在3號邊灘上新建3條勾頭壩，對原2條老丁壩改造成勾頭壩，以穩(wěn)固3號邊灘；對規(guī)劃航槽內(nèi)航深不足處進(jìn)行開挖。

通過183m3/s、329m3/s、880m3/s和2000m3/s的4級流量下水流條件試驗(yàn)表明：（1）各級流量下港池和回旋水域水位有明顯下降且隨流量加大下降值減小。設(shè)計(jì)流量下港池水位下降約0.2m，回旋水域下降約0.32m；工程后水面比降比工程前略有減小。（2）工程后新港港域流速明顯減小易引起泥沙淤積，水流流向變化不大。設(shè)計(jì)流量下，工程前碼頭前水域流速為0.9～1.2m/s，工程后為0.3～0.5m/s，雖有利于船舶停靠作業(yè)，但上游來沙易引起淤積。

4 . 2方案2

在方案1的基礎(chǔ)上，調(diào)整回旋水域位置，將回旋向下調(diào)整，拆除2號邊灘上游2條老壩，以增大回旋水域，其余同方案一。

通過183m3/s、329m3/s、880m3/s 和2000m3/s的4級流量下水流條件試驗(yàn)表明：方案2與方案1相比，港池和回旋水域流速值變化不大，但回旋水域流向偏右岸。從流向上看偏右岸對船舶調(diào)頭不利，但回旋水域?qū)挾燃哟髮Υ罢{(diào)頭是有利的。

4.3定床輸沙試驗(yàn)

由于相關(guān)資料缺乏，輸沙參數(shù)按本灘下游約14km的壩油灘的推移質(zhì)動床試驗(yàn)成果來確定，然后根據(jù)本灘的特點(diǎn)作適當(dāng)調(diào)整。

4.3.1輸沙參數(shù)

（1）進(jìn)口推移質(zhì)加沙粒徑

根據(jù)現(xiàn)場取樣確定，粒徑范圍基本在2.5～90mm。

（2）進(jìn)口單寬輸沙率

分別采用愛因斯坦，即非均勻沙輸沙率公式：

和梅葉—彼得計(jì)算，即均勻沙輸沙率公式：

在Q≥2000m3/s，兩公式計(jì)算偏差較大；在Q≤1000m3/s，兩公式計(jì)算偏差較小，考慮到本灘粒徑范圍較大，故采用愛因斯坦非均勻沙輸沙率公式計(jì)算。

（3）流量過程控制

模擬未來上、下游水電站建成后的水文過程。龍灘庫區(qū)7月～次年1月水位較高，本灘位于回水段，航行水流條件好；其他時段庫區(qū)水位較低時，本灘恢復(fù)到天然狀態(tài)，水流條件取決于上游董箐電站和光照電站的下泄流量。

（4）輸沙量控制

試驗(yàn)主要是研究泥沙淤積部位，在確定各流量級輸沙率時不考慮未來上游推移質(zhì)泥沙來量減少的情況。輸沙量受龍灘庫區(qū)變水位影響大，水位越高，泥沙粒徑越小，輸沙量也越少，因此根據(jù)電站運(yùn)行情況，泥沙粒徑作適當(dāng)減小，加沙量作適當(dāng)減少。

（5）尾門水位控制

根據(jù)龍灘電站調(diào)度曲線，本灘約80%時間處于庫區(qū)回水雍水狀態(tài)，20%時間處于天然狀態(tài)。工況一為雍水狀態(tài)，工況二為天然狀態(tài)。

4.3.2工況一工程方案定床輸沙試驗(yàn)

（1）方案1

淤積出現(xiàn)在1號邊灘對面彎道處航道內(nèi)和新港港池水域。彎道航道內(nèi)淤積體長約135m，寬20m，最大淤厚1.75m；港池水域淤積體長約201m，寬22m，最大淤厚1.5m。淤積主要是因?yàn)榱髁枯^大時，水流動力軸線取直，洪水流向和枯水流向偏差較大所致。

（2）方案3

針對方案1出現(xiàn)的泥沙淤積問題，進(jìn)行工程優(yōu)化改進(jìn)形成方案3，對淤積部位工程布置進(jìn)行調(diào)整，延長2號邊灘頭第一根順壩并盡量貼近航槽，以加大對新港港池的沖刷。定床輸沙試驗(yàn)結(jié)果表明，上游彎道淤積量變化不大，港池淤積部位不變，量減少了20%?？梢姡捎诟鄢匚挥趶澋谰徚鲄^(qū)，泥沙淤積問題不可避免。

（3）方案2

港池淤積問題仍然存在，部位和淤積量與方案一致。

通過定床輸沙試驗(yàn)可見，在龍灘庫區(qū)回水頂托下，導(dǎo)治建筑物作用較弱，泥沙淤積不可避免。

4.3.3工況二工程方案定床輸沙試驗(yàn)

工況二為尾門降至天然條件水位，試驗(yàn)結(jié)果表明，各方案航槽內(nèi)均無淤積，但新港港池中的淤積仍然存在。說明雖然在天然狀況下，高水期由于整治建筑物較低矮，且港池位于彎道緩流區(qū)，整治作用較弱。

4 . 4推薦方案

按照龍灘電站調(diào)試運(yùn)行方案，壩草灘處于天然狀態(tài)時間較短，長期被庫區(qū)回水淹沒，灘段水流條件會得到明顯改善，按照模型試驗(yàn)中采用的不利條件，要達(dá)到整治效果工程量大，不經(jīng)濟(jì)。綜合定床試驗(yàn)效果、定床輸沙試驗(yàn)效果和工程量等因素，確定推薦方案如下：

考慮到壩草新碼頭以上不再有船舶航行，將回旋水域下移至新港碼頭對面航道水域范圍內(nèi)；其他基本采用方案1的布局，考慮到3號邊灘作為棄方區(qū)，棄方可以代替3號邊灘上的部分勾頭壩。具體方案布局為：拆除2號邊灘頭部3條順壩，以增加回旋水域?qū)挾龋患痈呒庸讨胁?條老丁壩至整治水位，拆除整治線內(nèi)壩頭；在3號邊灘中部新建1條勾頭壩，對邊灘上原有2條老丁壩進(jìn)行加固修復(fù)并加高至整治水位。

4 . 5推薦方案定床輸沙試驗(yàn)

通過工況一和工況二情況下的床輸沙試驗(yàn)，效果同方案2相近，新港港池內(nèi)有淤積體出現(xiàn)，其余沒有淤積體產(chǎn)生。

5.整治后效果

工程實(shí)施經(jīng)過1個水文年后，通過竣工測量觀測，整治后效果與模型試驗(yàn)成果基本一致。新港港池水位下降約0.18m，航槽及回旋水域內(nèi)沒有淤積，整治效果較好，但新港碼頭港池內(nèi)存在泥沙淤積，長約220m，寬約28m，比物模試驗(yàn)結(jié)果有所擴(kuò)大。

6.結(jié)語

（1）壩草灘位于龍灘庫區(qū)回水變動區(qū)，既受上游電站流量調(diào)節(jié)影響，又受下游庫區(qū)水位變動影響，水流運(yùn)動條件非常復(fù)雜，如何解決泥沙淤積問題是個難題。

（2）采用定床水流模型和定床輸沙模型相結(jié)合進(jìn)行試驗(yàn)研究，經(jīng)水位、流速分布和率定試驗(yàn)，證明是和原型相似的。

（3）定床輸沙試驗(yàn)采用兩種工況，證明是符合實(shí)際情況的。

（4）新港港池位于緩流區(qū)，長期受龍灘水位頂托，當(dāng)庫區(qū)水位下降，上游來流量較大時，水流取直，工程作用效果較弱，加大工程措施，港池淤積也不可避免。

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