西江界首至都城河段航道整治技術(shù)研究

王 斐，李君濤，王艷華，閆 濤

（交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456）

西江界首至都城河段航道整治技術(shù)研究

王 斐，李君濤，王艷華，閆 濤

（交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456）

西江界首至都城河段水沙條件復(fù)雜，淺灘相連，礁石密布。隨著航道等級的提升，部分灘段因水深不足而出淺礙航，或由于航槽內(nèi)或航槽兩側(cè)分布有礁石，對船舶航行造成安全隱患。根據(jù)礙航特點，提出了疏浚、炸礁為主，筑壩為輔的整治原則，并針對不同灘段具體情況，提出了不同的整治方法。通過定動床物理模型試驗，研究了不同方案工程前后沿程水位及航槽內(nèi)流速變化。研究成果表明：推薦方案實施后，研究河段航槽穩(wěn)定，航道水深滿足設(shè)計水深要求。

航道整治技術(shù)；方案研究；物理模型試驗；定床；動床；西江

西江航運干線西起廣西南寧，東至廣東廣州，是珠江水系的主要水運通道和“黃金水道”，是西南水運出海通道的重要組成部分，在我國內(nèi)河水運主通道網(wǎng)“兩橫一縱兩網(wǎng)”中占據(jù)了“一橫”的重要地位。西江自廣西梧州以下13 km的界首進(jìn)入廣東，至肇慶二橋全長171 km河段，習(xí)稱西江中游。目前，西江界首至肇慶河段航道按內(nèi)河Ⅱ級航道標(biāo)準(zhǔn)、都城以下同時滿足Ⅲ級港澳線標(biāo)準(zhǔn)維護(hù)，其中，界首至都城段（37 km）航道尺度為3.5 m×80 m×550 m（水深×航寬×最小彎曲半徑，下同）；都城至肇慶段（134 km）航道尺度為4.0 m×80 m× 550 m。肇慶以下航道目前已經(jīng)達(dá)到了Ⅰ級航道標(biāo)準(zhǔn)，可常年通航3 000 t級以上的船舶。

隨著西江沿岸經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，界首至肇慶河段水運量已經(jīng)超過該河段的承載能力，亟需進(jìn)行航道擴(kuò)能升級工程建設(shè)。根據(jù)廣東、廣西兩省（區(qū)）簽訂的《關(guān)于共同加快建設(shè)西江黃金水道的協(xié)議》的有關(guān)要求，以及《珠江-西江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展規(guī)劃》，廣東省擬按內(nèi)河Ⅰ級航道、通航3 000 t級船舶標(biāo)準(zhǔn)對西江界首至肇慶段航道進(jìn)行升級改造。而在該河段中，界首至都城河段水沙條件復(fù)雜，河面寬闊，淺灘相連，礁石密布，著名的西江“四灘”——界首灘、蟠龍灘、新灘、都樂灘就位于該河段，是3 000 t級航道建設(shè)的重點和難點。由于航道水深提高幅度較大，進(jìn)一步增加了“四灘”的整治難度。為此開展了定動床物理模型試驗研究，以確定合理可行的整治方案，為工程設(shè)計提供技術(shù)支撐。

1 河段概況

西江界首至肇慶河段，全長171 km，屬于平原河流。研究河段以徑流為主，兩岸為低山丘陵地區(qū)［1］，部分河段設(shè)有堤圍，河床為沙質(zhì)、局部石質(zhì)，平均坡降0.0128‰，枯季受潮汐影響，一般河寬800～1 500 m。而界首至都城段約37 km河段水沙條件復(fù)雜，河床寬淺，礁石密布，通航條件較差，主要淺灘有界首、蟠龍、新灘及都樂灘（見圖1）。自上世紀(jì)五十年代起，幾十年來先后對其進(jìn)行了多次整治，航道條件明顯改善［2-3］。2008 年12月，西江界首至肇慶段又實施了2 000 t級航道整治工程，工程完工后，該河段航道達(dá)到內(nèi)河Ⅱ級，通航2 000噸級船舶標(biāo)準(zhǔn)，通航保證率98%，都城以下同時滿足Ⅲ級港澳線標(biāo)準(zhǔn)。目前，界首至都城段航道最小尺度以達(dá)3.5 m×80 m×550 m。

2 河床演變與礙航特點

2.1 河床演變特征

根據(jù)現(xiàn)有資料分析，工程河段近期河床演變具有以下特征［4-5］：

（1）工程河段河床抗沖性較強(qiáng)、河勢穩(wěn)定。長期以來，在徑流的塑造作用下，工程河段形成了優(yōu)良的灘槽格局。

（2）西江含沙量較低，工程河段河床質(zhì)泥沙顆粒組成較粗，以中粗沙組成為主。自然狀態(tài)下，全河段沖淤小，沖淤接近基本平衡。近年來，由于人類活動影響的增強(qiáng)，在人工采砂、長洲樞紐運行及Ⅱ級航道整治工程等影響下，工程河段河床降低，尤其是主槽下切明顯。

（3）長洲樞紐運行后，工程河段年內(nèi)來流過程有所變化，對于河段輸沙也有一定影響，但總體來看，河段總體上沖淤基本平衡，四灘連接河段“灘沖槽淤”的格局沒有變化。由于Ⅱ級航道整治工程的實施，丁壩、護(hù)岸等使得邊灘得以穩(wěn)定，其沖淤強(qiáng)度明顯減弱。

（4）本河段造床主動力條件是上游水沙情況，特大洪水造床作用尤為顯著，洪季隨水流下泄的大量泥沙中懸移質(zhì)有小部分參與邊灘區(qū)造床。但從河床質(zhì)取樣資料對比知，主河槽內(nèi)沖淤主要由推移質(zhì)泥沙運動引起，因此中枯水期推移質(zhì)對航道影響不可忽視。

2.2 礙航特點

（1）淺灘礙航。研究河段礙航淺灘主要是界首至都城37 km河段的界首灘、蟠龍灘、新灘、都樂灘四個淺灘。西江中游2 000 t級航道建設(shè)對這四個淺灘都采取了整治措施，使得該段航道尺度達(dá)到3.5 m水深要求。該河段本期按內(nèi)河3 000 t級航道標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，其中界首至江口12 km設(shè)計航道尺度4.1 m×90 m×670 m，江口至肇慶159 km河段設(shè)計航道尺度4.5 m×135 m×670 m［1］。因此，該“四灘”水深不滿足要求，需要進(jìn)一步整治以達(dá)到設(shè)計的航道尺度。

（2）礁石礙航。本河段礁石密布，主要礙航礁石有：界首淺灘自上而下沿程有黃安石、北贊石、沙頭石、下典石、沉船區(qū)石、無名石、獨獺石、雙魚石等；三灘自上而下沿程有下蘇文石、三兄弟石、下蟠龍石、旺村石、無名石（多處）、香爐石等礙航礁石。這些礁石大部分位于航槽或在其周圍，對船舶航行造成安全隱患。西江中游2 000 t級航道建設(shè)對這些礁石按2 000 t級水深標(biāo)準(zhǔn)實施清除，由于航道提級，這些礁石需進(jìn)一步按新的標(biāo)準(zhǔn)清除，以確保船舶航行安全。

圖1 西江界首至都城河段河勢圖Fig.1 River regime of reach from Jieshou to Ducheng in Xijiang River

3 航道整治方案研究

3.1 整治標(biāo)準(zhǔn)

西江廣東段界首—肇慶171 km航道擬按內(nèi)河3 000 t級航道標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，按照GB 50139-2004《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》和JTJ312-2003《航道整治工程技術(shù)規(guī)范》的要求，本河段整治建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)如下：

（1）通航保證率：98%；

（2）航道尺度：界首—江口為4.1 m×90 m×670 m；江口—肇慶為4.5 m×135 m×670 m。

3.2 整治原則與思路

西江（界首至肇慶）航道經(jīng)歷多次整治，取得了成功的經(jīng)驗，擴(kuò)能升級擬在借鑒歷次航道整治原則基礎(chǔ)上，根據(jù)河床演變特征及礙航特點，分河段確定各航道段整治原則。

研究表明，本河段河道順直，過渡段較長，容易形成淺灘，且河道內(nèi)礁石林立，比降較集中，局部流態(tài)較差。為此，提出了疏浚、炸礁為主，筑壩為輔的整治原則，同時確定了如下整治思路：

（1）清除礙航礁石，在增加航道尺度的同時，改善通航水流條件，消除航行安全隱患；

（2）采用疏浚與筑壩相結(jié)合的措施，集中枯水水流，沖刷航槽維持航道水深；

（3）考慮上游樞紐運行、下游都樂灘尾受潮汐頂托及采砂等人類活動對整治河段水位及河床的長期影響。

3.3 整治參數(shù)

由于西江“四灘”河段經(jīng)歷次整治取得了成功，河道邊灘發(fā)育得到有效控制，航道深槽基本穩(wěn)定，且近年來處于沖刷狀態(tài)。綜合考慮本項目仍然采用原Ⅱ級航道整治工程的整治線寬度和和整治水位，這樣在丁壩壩頂高程不變的情況下，整治流量比Ⅱ級航道整治時將有所加大。

（1）整治水位和整治流量。在II級航道整治工程時，界首灘段和三灘段確定的整治流量分別為3 450 m3/s（梧州站，下同）和4 400 m3/s。根據(jù)二維水流數(shù)學(xué)模型計算，本期整治，界首灘段和三灘段在保持Ⅱ級航道整治工程確定的整治水位不變時，其相應(yīng)的整治流量為4 500 m3/s和5 000 m3/s。各灘特征水位和流量見表1。

（2）整治線寬度。通過研究，本次整治仍采用II級航道整治工程確定的整治寬度，即界首灘整治線寬度為550～650 m，其他三灘整治線寬度為550～600 m。局部過渡淺灘河段在原整治建筑物基礎(chǔ)上對丁壩進(jìn)行適當(dāng)加密。

表1 界首等四灘航道整治特征水位和流量表Tab.1 Characteristic water level and discharge of channel regulation of Jieshou and the other three shoals

3.4 整治方案定床模型試驗研究

為研究界首至都城河段航道整治工程方案，首先開展了定床物理模型試驗研究［6］。模型設(shè)計成幾何變態(tài)，平面比尺λL=200，垂直比尺λh=60。通過水面線、流速和流態(tài)的驗證試驗，模型與原體的水流運動達(dá)到了相似要求［5］。

初步設(shè)計階段提出了方案1和方案2共兩個設(shè)計方案，根據(jù)試驗研究結(jié)果，在方案1的基礎(chǔ)上形成了優(yōu)化方案（圖2）。具體工程布置如下：在料塘過渡段新建2條丁壩，其中左岸4#丁壩1條，右岸1#丁壩1條；在新灘至都樂灘過渡段長崗河段新建3條丁壩，其中左岸5#丁壩1條，右岸2#和3#丁壩2條，同時將新灘段左岸已建15-1#壩的壩根向左岸延伸至與堤岸銜接；對界首鹽關(guān)河段、江口河段、封開西江大橋河段及長崗河段進(jìn)行疏浚工程，疏浚總長度約9.3 km；清除界首灘段礙航礁石14處、三灘段15處。

試驗結(jié)果表明，取消方案1界首灘段料塘村附近3條丁壩后，各級流量下沿程水位、附近航槽流速及流場分布與方案1相比均未發(fā)生明顯變化；新灘段15-1#壩根向岸側(cè)延伸后，Q=4 500 m/s和5 000 m/s兩級流量丁壩附近14#水尺水位增加0.01 m，附近航槽流速較方案1有所增加，整治流量下航槽流速最大增加0.05 m/ s，多年平均流量下航槽流速增加0.02 m/s，整治流量下丁壩壩根部過流現(xiàn)象消失，對水流控導(dǎo)作用明顯，水流集中，壩頭及其上游附近河段水流向右側(cè)主河槽偏轉(zhuǎn)，流速增加，最大增幅0.07 m/s。

本方案采取大范圍炸礁和疏浚工程后，雖然河段水位略有下降，但丁壩壅水作用減小了水位下降幅度，工程實施后航道水深能夠滿足內(nèi)河3 000 t級航道設(shè)計水深要求。工程后部分航槽流速略有降低，但幅度甚微，并且由于流速值較大，初步分析對航槽穩(wěn)定基本沒有影響，擬通過動床模型試驗進(jìn)一步驗證。

3.5 整治方案動床模型試驗研究

動床模型試驗在定床模型試驗基礎(chǔ)上進(jìn)行，模型幾何比尺相同。模型沙為沙質(zhì)推移質(zhì)，原型河床質(zhì)粒徑d50在0.45 mm，模型沙d50為0.25 mm［7］。通過水面線、流速和流態(tài)、以及模型沖淤驗證試驗，動床模型與原型的水流運動及河床沖淤變形達(dá)到了相似要求［8-9］。

圖2 定床優(yōu)化方案工程布置圖Fig.2 Layout of optimization channel regulation engineering plan in fixedbed model

3.5.1 動床方案Ⅰ試驗

動床模型首先研究了動床方案Ⅰ，即定床優(yōu)化方案的整治效果。

經(jīng)過一個典型水文年（豐水年）后的水沙作用，界首灘河段沖淤相間，河床變化幅度不大，挖槽較為穩(wěn)定，航槽回淤量不大，4.1 m等深線完全貫通。新灘及都樂灘段航槽沖刷，航道條件向有利方向發(fā)展。蟠龍灘封開西江大橋河段受河段平面形態(tài)及整治線寬度相對較大等因素影響形成了“洪季淤積量大、枯季沖刷量小”的河床變形特征，同時加之本次航道升級蟠龍灘段開挖量也相對較大，航槽流速有所減小，該段航槽穩(wěn)定性相對較差，典型水文年后挖槽有所回淤，但4.5 m等深線仍可貫通。

3.5.2 動床方案Ⅱ試驗

動床方案Ⅱ是對定床方案Ⅱ的優(yōu)化，該方案與方案Ⅰ的區(qū)別在于航槽平面布置的變化。與方案Ⅰ相比，界首鹽關(guān)河段航槽軸線向右岸最大偏移約160 m；江口河段航槽軸線向左岸最大偏移約70 m；西江封開大橋上游北鳳咀河段航槽軸線向右岸最大偏移約50 m；長崗河段航槽軸線向左岸最大偏移約125 m，平順連接。

與方案Ⅰ相比，經(jīng)典型水文年（豐水年）后，方案Ⅱ局部清礁和疏浚區(qū)域的調(diào)整未對工程河段的河床變形趨勢產(chǎn)生影響，各灘段河床沖淤變化情況與方案Ⅰ基本一致。只是由于航槽平面布置的差異，使得清礁和疏浚區(qū)也有所差異，并導(dǎo)致這些河段航槽沖淤變化的差異。

值得注意的是，本方案實施后，蟠龍灘封開西江大橋河段仍存在一定的回淤現(xiàn)象，回淤量與方案Ⅰ相同，均為11.6×104m3。

3.5.3 初選推薦方案試驗

動床兩工程布置方案在豐水年條件下的河床沖淤變形試驗結(jié)果表明，方案Ⅰ實施后界首灘河段航槽基本穩(wěn)定，回淤量較小?！叭秊焙佣?，新灘和都樂灘航槽整體呈沖刷態(tài)勢，航道條件向有利方向發(fā)展。蟠龍灘段主要是封開西江大橋附近航槽有所回淤。方案Ⅱ工程實施后各灘段河床沖淤變化情況與方案Ⅰ基本一致，因航道平面布置差異，局部河段航槽回淤量相對略大。兩方案經(jīng)豐水年作用后航道尺度均能滿足設(shè)計要求，但方案Ⅰ航槽總回淤量略小于方案Ⅱ，因此將方案Ⅰ作為動床模型初選推薦方案。

初選推薦方案經(jīng)中水年水沙作用，各灘段沖淤變形規(guī)律與豐水年基本一致。界首灘段航槽相對較為穩(wěn)定，回淤量較小。蟠龍灘封開大橋附近航槽在中水年條件下雖然中枯水沖刷歷時相對較長，但洪水期落淤的泥沙未能完全沖走，航槽仍表現(xiàn)為淤積，其回淤量要小于豐水年之后。新灘及都樂灘段航槽在中水年水沙作用后仍呈沖刷態(tài)勢，航道條件向有利方向發(fā)展。

初選推薦方案經(jīng)連續(xù)5年系列水文年水沙作用，各灘段沖淤變形規(guī)律與典型年條件下基本一致。界首灘段航槽在典型年下呈微淤態(tài)勢，經(jīng)系列水文年后航槽雖發(fā)生有累積性淤積，但回淤量較??；蟠龍灘封開大橋附近航槽由于在中、豐典型年下均表現(xiàn)為淤積，因此在系列水文年后航槽基本呈累積性淤積態(tài)勢。由于近年來工程河段來沙量大幅減小，以及整治流量大幅增加等因素影響，系列水文年后該段航槽雖有所回淤，但航道水深基本能夠滿足設(shè)計航深要求；新灘及都樂灘段航槽在系列水文年的水沙作用后均呈沖刷態(tài)勢，航道條件繼續(xù)向有利方向發(fā)展。

3.5.4 最終推薦方案試驗

初選推薦方案研究成果表明，工程實施后各典型年和系列水文年條件下，界首灘、新灘及都樂灘河段航槽較為穩(wěn)定，航道尺度滿足設(shè)計要求；蟠龍灘封開大橋段因航槽開挖量相對較大及河段平面形態(tài)影響，在各典型年洪水期內(nèi)淤積，系列水文年后航槽基本呈累積性淤積態(tài)勢。因此進(jìn)一步優(yōu)化蟠龍灘封開大橋橋區(qū)段方案布置。

（1）工程布置。在封開西江大橋橋區(qū)右岸新建6座丁壩，其中橋位上游段4座，下游段2座。6座丁壩壩頂高程高于整治水位，其中前三條丁壩1-1#、2-1#和3-1#壩頂高程高于整治水位0.5 m；后三條丁壩4#、5#和6#壩頂高程高于整治水位1.0 m。取消大橋上游右岸的蓮花石礁石-1的清礁工程，調(diào)整大橋上游右岸的下蘇文石礁石-1的清礁范圍。工程布置見圖3。

（2）模型試驗結(jié)果。試驗結(jié)果表明：典型水文年后本方案蟠龍灘封開大橋附近橋區(qū)航槽淤積量較初選推薦方案減少約29%，開挖航槽疏浚區(qū)的淤積厚度在0.20 m左右，清礁區(qū)淤積厚度大都在0.50 m以內(nèi)，均較初選推薦方案有所減小。該優(yōu)化方案采取的工程措施對減小橋區(qū)航槽的回淤起到了一定作用，典型水文年后航槽雖然仍以淤積為主，但由于整治建筑物的加密，及新增丁壩采用高于整治水位的壩頂高程，整治建筑物的作用歷時加長，航槽淤積程度較初選推薦方案減弱，典型水文年后蟠龍灘段4.5 m等深線貫通。

連續(xù)5年系列水文年后蟠龍灘封開大橋附近河床變形規(guī)律與典型水文年基本一致，橋區(qū)航槽整體仍表現(xiàn)為淤積，淤積程度較典型年有所增加，系列水文年后該段航槽總淤積量為24×104m3，平均淤積厚度0.44 m，其中疏浚區(qū)淤積厚度大都在0.3～0.4 m，清礁區(qū)淤積厚度一般在0.5～0.7 m。系列水文年后蟠龍灘段4.5 m等深線貫通，航道尺度滿足設(shè)計要求。

圖3 最終推薦方案工程布置圖Fig.3 Layout of final recommended channel regulation engineering plan

4 結(jié)語

（1）本次航道擴(kuò)能升級工程，“四灘”河段均進(jìn)行了不同程度的清礁和疏浚工程，根據(jù)模型試驗成果，航道開挖后，水位、流速及流態(tài)變化不大，沒有引起河床格局大的變化。

（2）動床最終優(yōu)化方案實施后，蟠龍灘封開大橋附近航槽在各典型年內(nèi)洪水期淤積，而在落水期及枯水期航槽淤沙均不能完全沖走，年內(nèi)航槽均表現(xiàn)為淤積，系列水文年后航槽基本呈累積性淤積態(tài)勢。分析導(dǎo)致該段航槽回淤的原因主要有以下幾點：①受河段平面形態(tài)影響，洪水期航槽流速明顯小于上下游河段，由此造成該段航槽洪水期淤積強(qiáng)度相對較大；②封開大橋河段整治線寬度均大于上、下游河段，中枯水河床沖刷期水動力條件相對較弱，輸沙能力不足；③本次航道升級該河段清礁、疏浚范圍較大，航槽流速減小。

（3）通過在蟠龍灘封開大橋附近河段新增加密6座丁壩以及調(diào)整清礁范圍等優(yōu)化措施后，大橋附近開挖航槽回淤量有所減小。研究表明，經(jīng)典型豐水年、中水年或連續(xù)5年系列水文年后，航道條件均能滿足設(shè)計要求。因此，可將動床最終優(yōu)化方案作為推薦方案。

（4）受上游樞紐運行的影響，本河段河床下切、枯水位降落。本次航道整治采用II級航道整治時的整治水位，相比來說，整治流量較Ⅱ級航道整治時大幅增加，這也是維持上述灘段航槽穩(wěn)定的一個重要因素。

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［7］張瑞瑾.河流泥沙動力學(xué)［M］.北京：中國水利水電出版社，2005.

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Study on channel regulation engineering plan of reach from Jieshou to Ducheng in Xijiang River

WANG Fei,LI Jun?tao,WANG Yan?hua,YAN Tao
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China）

In the reach from Jieshou to Ducheng of the Xijiang River,the flow and sediment conditions are complex,the shallows are linked together and the rocks are densely covered.With the promotion of waterway classification,the navigation-obstructing phenomenon appears in some shoal reaches due to insufficient depth.There are some safety hazards for ship navigation due to the distribution of rocks in channel or on both sides of channel.Based on the navigation-obstructing characteristic,the channel regulation principles mainly in dredging and rock blasting and secondly by damming were put forward.And according to the concrete condition of different shallow reaches, different channel regulation methods were proposed.By fixed and movable bed physical model test,the variations of the water level along the reach and the velocity in channel before and after different engineering plans were studied. The results show that the dredged channel will be stable and the water depth in channel will meet the demands of design depth after the recommended plan implementation.

channel regulation technology;schematic studies;physical model test；fixed-bed;movable-bed; Xijiang River

U 617

A

1005-8443（2016）01-0061-06

2015-10-10；

2015-11-23

王斐(1987-)，女，山東省曹縣人，助理工程師，主要從事航道整治和通航工程研究。

Biography：WANG Fei（1987-），female，assistant engineer.