長直窄深型急灘治理方法研究

趙鵬飛，王 瑋（.重慶交通大學(xué)，重慶400074；.軍事交通學(xué)院，天津3006）

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長直窄深型急灘治理方法研究

趙鵬飛1，王 瑋2
（1.重慶交通大學(xué)，重慶400074；2.軍事交通學(xué)院，天津300161）

長江干線兩壩間河段是典型的長直窄深急灘。對于此類特殊的急流灘，傳統(tǒng)的治理方法效果不佳。本文根據(jù)水深淺流速小的水力特性以喜灘為例提出了一種創(chuàng)新性的治理方法—潛順壩法，應(yīng)用平面二維水流數(shù)學(xué)模型，采用實(shí)測資料，分析方案治理效果，可以大幅改善喜灘段的上灘水流條件，具有較好的治理效果，為長直窄深型急灘的治理提供了一個新的思路。

長直窄深急灘；數(shù)學(xué)模型；治理方法；潛順壩

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.01.029

1 前言

通航河流三大類礙航灘險（淺灘、急灘、險灘）之一的急灘，在山區(qū)河流普遍存在。長直窄深型急流灘，是指灘段不僅長、直、窄、深，且兩岸陡峭，具有水位變幅小、泄水面積增率與流量增率極不適應(yīng)、流速急且橫向分布均勻等特點(diǎn)，常出現(xiàn)在庫區(qū)。與一般的卡口型、橫埂型、峽谷型等洪水急灘大為不同，上述急流灘采用常規(guī)的急灘整治方法已無法達(dá)到整治效果、實(shí)現(xiàn)整治目的，因此需研究新的整治方法。

喜灘位于宜昌上游27.8～28.8km（圖1），為典型的長直窄深型急灘。受三峽工程蓄水和葛洲壩反調(diào)節(jié)的影響，其水流湍急，流態(tài)紊亂，泡漩、回流等現(xiàn)象隨處可見。在流量40000m3/s時，灘上最大流速接近5 m/s，超過萬噸級船隊(duì)自航過灘能力，隨著流量的增大，灘情更加惡劣。本研究針對喜灘應(yīng)用平面二維水流數(shù)值模擬的方法，通過對喜灘的灘性與礙航因素的分析，尋求長直窄深型急流灘的整治思路。

圖1 灘段位置圖

2 喜灘急流灘的特點(diǎn)

2.1 喜灘的礙航特點(diǎn)

根據(jù)水流條件分析（代表船型為：3000t單船），腳踏步～喜灘段航線在Q＞40000m3/s時出現(xiàn)急流礙航。在嚴(yán)須沱～喜灘段，Q＞35000m3/s時出現(xiàn)不良流態(tài)礙航。

2.2 喜灘成因分析

喜灘是典型的長直窄深型急灘，其主要成因如下。

（1）河道狹窄。

圖2可清楚看出，喜灘段河道狹窄，過水面積小，其中河段最窄處，流量從25000m3/s到55000m3/s，增率為120%，而過水面積僅從11380m2增加到12406m2，增率僅9%，二者極不適應(yīng)，差值超過了13倍。因此形成了隨著流量的增大，水流流速也大幅度增加的變化規(guī)律。加之?dāng)嗝嫘螒B(tài)復(fù)雜，表面流量占的比重較正常形態(tài)斷面要大，因此形成急流灘段。

圖2 斷面過水面積沿程變化圖

（2）河道平面沿程收縮，然后又逐漸擴(kuò)散。

平面上，嚴(yán)須沱往下逐漸收縮，至喜灘后又逐漸擴(kuò)散，這是形成局部陡比降的主要原因。從圖3的河面寬度沿程變化可見，Q=32500m3/s時嚴(yán)須沱至喜灘縮窄率約34%，然后又?jǐn)U散到白馬沱下口的420m左右，其中擴(kuò)散率稍大。由此在喜灘上游形成局部陡比降。

圖3 河面寬度沿程變化圖

（3）岸邊形態(tài)的突變及深泓突降。

喜灘段左岸腳踏步有一挑嘴，形成明顯挑流，將主流挑向右岸，在下游岸邊形成回流帶，束窄了有效過水?dāng)嗝婷娣e，形成卡口。上游嚴(yán)須沱處，岸線外凸，形成挑流，岸邊形成回流區(qū)且出現(xiàn)泡漩，斜流作用明顯。岸邊形態(tài)的突變及深泓突降30m使得水流連續(xù)性差，加之河床凸凹不平，突下突上，因此形成回流、泡漩等流態(tài)。

2.3 綜合上灘指標(biāo)

將上灘指標(biāo)的流速V、比降J通過數(shù)值分析的方法合并為一個綜合指標(biāo)E，這樣更方便判別船舶上灘能力，通過計(jì)算求得代表船舶自航上灘的指標(biāo)見表1。

表1 代表船型上灘指標(biāo)

3 平面二維水流數(shù)學(xué)模型及其驗(yàn)證概況

（1）水流連續(xù)方程

（2）x方向動量方程

（3）y方向動量方程

建立的數(shù)學(xué)模型，上起梳子溪，下至雞公灘，模擬范圍全長8.4km，計(jì)算河段共19601個單元，40158個節(jié)點(diǎn)。計(jì)算河段的網(wǎng)格間距為25m，對重點(diǎn)治理區(qū)域的網(wǎng)格如圖4，進(jìn)行了加密處理，加密處網(wǎng)格間距為10m。

應(yīng)用建立的二維水流數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。結(jié)果表明，流速大小及分布與實(shí)測資料較為一致。對比數(shù)模計(jì)算的流場與實(shí)測的浮標(biāo)跡線，數(shù)模計(jì)算結(jié)果與實(shí)測浮標(biāo)跡線走向均達(dá)到了基本一致。二維水流數(shù)學(xué)模型的建立和數(shù)值計(jì)算方法合理，能正確模擬河道的水流，可進(jìn)行下一步研究。

圖4 重點(diǎn)整治區(qū)域網(wǎng)格布置圖

4 傳統(tǒng)治理方法研究

一般的急灘整治的基本方法，包括擴(kuò)大泄水?dāng)嗝娣ê退し至鞣ǖ取煞N傳統(tǒng)整治方法在喜灘的應(yīng)用，從政治效果、工程投資、施工難度等方面進(jìn)行了對比分析，從表2得知兩種方法都不具備可行性。

表2 傳統(tǒng)整治方法比較分析

5 潛順壩治理方法研究

5.1 治理思路

從水力學(xué)中的謝才公式表明水深越小流速越小，導(dǎo)出修筑水下平臺后深槽流速、平臺流速分別與修筑前流速的關(guān)系：

圖5 矩形斷面示意圖

5.2 治理方案Q與布置

方案前的綜合上灘指標(biāo)分布圖6顯示，喜灘段礙航點(diǎn)最為集中分布于航道里程4.3～4.6km的流域內(nèi)，因此方案Q布置的潛順壩上游端自航道里程4.9km處，下游至航道里程4.0km處，全長900m，迎水坡、背水坡及壩體左側(cè)坡度均為1∶0.5。在此基礎(chǔ)上對潛順壩的壩高進(jìn)行調(diào)試，以期在某一合適的壩頂高程可解決大流量下喜灘的礙航情況。工況組合見表3，平面布置如圖7。

圖6 方案前各級流量綜合上灘指標(biāo)

5.3 治理效果分析

當(dāng)壩頂高程增加至56m即方案Q3時，從圖8可看出，喜灘段的綜合上灘指標(biāo)在55000m3/s流量下已全部降至臨界指標(biāo)3.14以下，流速全部小于3.5 m/s，大流量情況下喜灘的礙航特性得到治理。計(jì)算數(shù)據(jù)顯示喜灘下游綜合上灘指標(biāo)較工程前有所增加，但最大值為3.32，僅超標(biāo)0.18，因此方案Q3基本達(dá)到了對喜灘這一長直窄深急灘的治理目的，保證了大流量情況下的順利通航。

表3 喜灘潛順壩壩高調(diào)試試驗(yàn)工況

圖7 潛順壩方案Q3平面布置圖

圖8 潛順壩方案Q3綜合上灘指標(biāo)

5.4 潛順壩可行性分析

潛順壩主體的施工可采用拋石填筑，現(xiàn)拋石填方單位為50元/m3，得潛順壩拋石填方造價為1.11億元。C20混凝土單價為443元/m3，混凝土澆筑造價為0.57億元，考慮到深水下澆筑混凝土，按費(fèi)用增加一倍考慮，為1.14億元。因此，要修筑方案Q3的潛順壩其拋石填方與邊坡混凝土加固共需2.25億元，與水工分流法相比，大大節(jié)省了投資。

潛順壩法并非適用于所有急灘的治理，通過對方案Q3的分析，潛順壩壩上水流特性對于壩高的變化十分敏感。對于洪枯水位變幅較大的急灘，洪水期水位較高潛順壩能較好的發(fā)揮治理效果，當(dāng)枯水期時水位過低，潛順壩有可能導(dǎo)致通航水位不足。因此，潛順壩法適用于以急流礙航為主，洪枯水位變幅不大的庫區(qū)長直窄深型急灘。

6 結(jié)語

（1）兩壩間的通航能力已經(jīng)成為了制約長江干線航運(yùn)發(fā)展的瓶頸，也直接關(guān)系到萬噸級船隊(duì)通航保證率和三峽航運(yùn)效益的發(fā)揮。其中喜灘為兩壩間船舶航行最為困難的航段之一，是典型的長直窄深型急灘。

（2）建立了兩壩間喜灘段的二維水流數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用喜灘段的實(shí)測水文資料對建立的二維水流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了細(xì)致認(rèn)真的模型驗(yàn)證，經(jīng)反復(fù)計(jì)算率定出了能較好模擬該河段流場的糙率、網(wǎng)格密度等參數(shù)。

（3）研究表明，僅通過開挖來擴(kuò)大泄水面積的方法對長直窄深型急灘的治理效果并不明顯，要達(dá)到治理目標(biāo)極其困難。在喜灘上游進(jìn)行分流的治理方式，經(jīng)過經(jīng)濟(jì)分析水工隧洞的洞徑和抽水泵站的裝機(jī)容量極大，工程造價太高，不具備實(shí)際工程中的可行性。

（4）根據(jù)謝才公式，提出了一種創(chuàng)新性的治理方法—潛順壩法，試驗(yàn)表明，潛順壩法適用于治理喜灘這類河道狹窄、流速大、兩岸為基巖陡壁供選擇的開挖區(qū)域較小、傳統(tǒng)擴(kuò)大泄水?dāng)嗝嬷卫硇Ч患训拈L直窄深型急灘。

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1672-2469（2016）01-0089-04

2015-06-30

趙鵬飛（1993年—），男，碩士研究生在讀。