東溪口新開卵石航槽的穩(wěn)定性分析

廖江花，陳玉丹，陳杏文，李沛霖

（1.重慶交通大學(xué) 水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400074；2.重慶交通大學(xué) 國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶400074）

科研與管理

東溪口新開卵石航槽的穩(wěn)定性分析

廖江花1，2，陳玉丹1，2，陳杏文1，2，李沛霖1，2

（1.重慶交通大學(xué) 水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400074；2.重慶交通大學(xué) 國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶400074）

以動(dòng)床模型試驗(yàn)為手段，結(jié)合理論分析，就東溪口整治河段的卵石推移質(zhì)輸移運(yùn)動(dòng)規(guī)律、推移質(zhì)輸沙帶的底流特性、挖槽區(qū)的輸沙能力進(jìn)行研究，通過河床的自動(dòng)塑造來預(yù)測(cè)挖槽區(qū)的沖淤演變趨勢(shì)。研究結(jié)果表明：上游來沙基本淤積在航槽進(jìn)口段，航槽中、下段基本穩(wěn)定，無明顯淤積。建議在航槽進(jìn)口段預(yù)留足夠的備淤深度。

動(dòng)床模型試驗(yàn)；底流特性；卵石輸移特性；航槽穩(wěn)定性

東溪口水道位于長江上游航道里程806.0～816.0km，該水道受上游斗笠子急灘和下游東溪口淺險(xiǎn)灘2個(gè)連續(xù)灘險(xiǎn)的影響，航行條件較差，天然情況下不能滿足Ⅱ級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)。東溪口為枯水急彎險(xiǎn)灘，右槽狹窄彎曲，為枯水航槽，右槽左邊為卵石磧壩，右邊為橫梁子與對(duì)夾石突咀，上水船舶如抱磧過緊，極易擦淺。下水船舶須騎回流邊上的泡漩而下，偏右則落彎掃尾，偏左則觸淺打槍，極易發(fā)生海損［1］。為促進(jìn)長江上游經(jīng)濟(jì)帶的建設(shè)，急需對(duì)此河段進(jìn)行航道整治工作，提升東溪口航道等級(jí)。

通過數(shù)學(xué)模型和定床物理模型試驗(yàn)研究，對(duì)東溪口左航槽進(jìn)行疏浚挖槽，將航道等級(jí)提升至Ⅱ級(jí)［2］。疏浚挖槽是解決出淺礙航問題的主要措施之一，挖槽后航道是否穩(wěn)定，能否避免泥沙回淤，是該措施是否成功的標(biāo)志，也是國內(nèi)外學(xué)者一直關(guān)注的問題。早在20世紀(jì)60年代，列亞尼茲［3］就從理論上研究了當(dāng)水流方向與挖槽軸線不相一致時(shí)，在挖槽中產(chǎn)生的橫向環(huán)流對(duì)挖槽穩(wěn)定性的影響。1994年，明宗富［4］導(dǎo)出了計(jì)算挖槽方向及挖槽最佳斷面形態(tài)的綜合方程式，按該式設(shè)計(jì)的挖槽能使挖槽內(nèi)的流速限制在允許范圍之內(nèi)，確保挖槽的穩(wěn)定性。2003年，張燕菁［5］利用一、二維嵌套的不平衡輸沙數(shù)學(xué)模型，對(duì)官廳水庫媯水河口攔門沙疏浚挖槽方案進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了影響挖槽回淤的各種因素。近年來，譚昆［6］等以概化模型試驗(yàn)為手段，就挖槽不同挖槽斷面型式對(duì)挖槽穩(wěn)定性進(jìn)行研究，認(rèn)為疏浚挖槽采用窄深型斷面的穩(wěn)定性較好。目前對(duì)疏浚后航道穩(wěn)定性的研究主要體現(xiàn)在挖槽的平面設(shè)計(jì)、挖槽斷面設(shè)計(jì)、挖槽軸線方向及挖槽后的水面降落等因素上［7］。

本文研究河段為山區(qū)彎曲分汊淺灘河段，該河段的整治挖槽區(qū)域較長，上下游卵石運(yùn)動(dòng)劇烈，且卵石輸移路徑可能橫跨整個(gè)航槽，上述研究方法多不適用于本河段。因此以動(dòng)床物理模型為試驗(yàn)手段，通過分析整治河段的卵石輸移帶分布規(guī)律、輸移帶的底流特性及挖槽區(qū)的沖淤演變趨勢(shì)來研究新開航槽的穩(wěn)定性，可為內(nèi)河卵石淺灘的航道整治提供借鑒。

1 動(dòng)床模型試驗(yàn)布置

1.1 模型設(shè)計(jì)

東溪口水道動(dòng)床模型鋪沙范圍從上游王背磧（上游航道里程815km）至白臉石 （上游航道里程806.5km），全長9.5km。尾水以朱沱水文站作為控制，距離模型出口1.5km。為了觀察工程河段的推移質(zhì)輸移帶分布規(guī)律及航槽的沖淤演變趨勢(shì)，采用分段鋪設(shè)不同顏色模型沙。東溪口整治區(qū)采用天然沙的本色，而在其上游鋪染成紅色的模型沙。動(dòng)床鋪設(shè)區(qū)域的床沙選用中值粒徑1.5mm的天然砂，加沙（染紅的細(xì)沙）部分采用中值粒徑0.6mm的天然細(xì)沙。根據(jù)水流和泥沙運(yùn)動(dòng)相似條件，東溪口灘動(dòng)床模型的具體模型比尺如表1。

表1 東溪口水道航道治理物理模型比尺統(tǒng)計(jì)

1.2 整治思路及整治方案

1.2.1 整治思路

對(duì)秤桿磧左汊進(jìn)行開挖，并在雞心磧建順壩、在稱桿磧洲頭建魚嘴壩以引導(dǎo)水流對(duì)航槽進(jìn)行沖刷。

1.2.2 整治方案

沿秤桿磧左汊深泓布置挖槽，設(shè)計(jì)航槽寬度60m，疏浚后保持在設(shè)計(jì)水位時(shí)滿足通航水深的河槽寬度90m；為增大枯水期左槽分流比，進(jìn)口區(qū)域布置在大雞翅膀附近191m等高線上；出口區(qū)域在秤桿磧尾部與190m等高線銜接，總長度1450m，挖槽邊坡設(shè)置1∶3。為增加新開挖航槽的通航流量、調(diào)整航槽流態(tài)及保持航槽的穩(wěn)定性，在左側(cè)雞心磧及修建了一條順壩，并對(duì)秤桿磧?cè)写冾^壩進(jìn)行修改，變?yōu)榇冾^魚嘴壩。順壩前半段穿過雞心磧區(qū)域修建6個(gè)短丁壩與順壩構(gòu)成齒壩，主要起攔截泥沙、恢復(fù)雞心磧的作用。

2 左槽卵石輸移運(yùn)動(dòng)規(guī)律

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)東溪口泥沙主要是通過上游金堆子至大雞翅膀河段灘面及深槽輸沙補(bǔ)給。

2.1 漲水階段

流量增加至4500m3/s時(shí)，大雞翅膀磧翅及深槽邊緣部分有少量卵礫石開始向下運(yùn)動(dòng)；流量增加至1.1萬m3/s，從上游輸向東溪口左槽疏浚區(qū)入口的推移質(zhì)數(shù)量大大增加，推移質(zhì)群體輸移速度較快；此后，隨著流量的進(jìn)一步增加，推移質(zhì)向下輸移強(qiáng)度不明顯，流量增加至3萬m3/s時(shí)，輸向東溪口左槽的推移質(zhì)輸移帶基本不再發(fā)生變化。在整個(gè)洪水期，東溪口左槽疏浚區(qū)除頭部區(qū)域外，上游基本沒有泥沙輸移進(jìn)入航槽的中下段。

2.2 退水階段

退水初期，流量較大時(shí)，東溪口左槽的卵石推移質(zhì)輸移強(qiáng)度不明顯。但流量在2萬m3/s以下時(shí)，在沒有得到上游來沙補(bǔ)給前，左槽的輸移帶上有所沖刷，且隨著流量的減小，輸移帶上的泥沙沖刷增強(qiáng)；流量在1.21萬m3/s時(shí)，推移質(zhì)輸移帶開始進(jìn)入航槽；至6530m3/s以下時(shí)，推移質(zhì)輸移帶整體基本不再向前運(yùn)動(dòng)，但推移帶上的卵石繼續(xù)向前輸移，輸移帶變薄，頭部有少量卵石進(jìn)入航槽斜向下方輸移至秤桿磧一側(cè)邊坡位置；真正能夠沿著航槽向下輸移至航槽中下段的泥沙很少?？傮w看，航槽進(jìn)口區(qū)域最終淤積厚度在0.8m，中下部航槽基本保持穩(wěn)定。

3 卵石輸移帶水流特征

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)東溪口左槽進(jìn)口段存在一定的泥沙淤積，因此本文主要分析左槽進(jìn)口泥沙淤積帶的水流特性。由上述卵石輸移運(yùn)動(dòng)規(guī)律可知，在中水流量下卵石運(yùn)動(dòng)最為劇烈，故采用超聲剖面流速儀測(cè)量了1.21萬，1.6萬m3/s兩級(jí)流量下左槽輸沙帶中心線的垂線三維流速，分析河床底流的紊動(dòng)強(qiáng)度對(duì)挖槽區(qū)內(nèi)卵石輸移的影響。

3.1 輸沙帶底流紊動(dòng)強(qiáng)度對(duì)卵石輸移的影響

圖1 輸沙帶紊動(dòng)強(qiáng)度分布

圖1為退水過程中，輸沙帶中心線頭部與尾部測(cè)點(diǎn)1.6萬，1.21萬m3/s流量下的各向紊動(dòng)強(qiáng)度。從圖1中可以看出，輸沙帶頭部（左槽進(jìn)口區(qū)域）的底流各向橫向紊動(dòng)強(qiáng)度σv=紊動(dòng)強(qiáng)度均大于輸沙帶尾部 （左航槽上游181#斷面處）測(cè)點(diǎn)的各向紊動(dòng)強(qiáng)度，且1.21萬m3/s流量下測(cè)點(diǎn)的各向紊動(dòng)強(qiáng)度較大，說明推移質(zhì)泥沙進(jìn)入航槽后，其紊動(dòng)擴(kuò)散能力隨著流量的增加而逐漸減小。

3.2 輸沙帶平面流速分布圖

圖2為Q=1.21萬m3/s時(shí)左槽進(jìn)口段卵石輸移帶區(qū)域底流流速與主流流速的平面分布，短箭頭為底部流速的平面分布，長箭頭為主流速的平面分布。由圖2看出，推移質(zhì)泥沙在東溪口進(jìn)口上游分為兩汊，左汊挖槽內(nèi)的底流流向與主流流向一致，而秤桿磧頭部的底流指向魚嘴壩與主流流向形成一定夾角，因此推移質(zhì)輸沙帶的頭部逐漸向航槽主流方向偏移。航槽進(jìn)口段較為彎曲，流速沿程減小，輸沙能力較上、下游弱，容易造成進(jìn)口區(qū)域的航槽淤積。

圖2 東溪口進(jìn)口區(qū)域淤積帶流場(chǎng)

4 航槽沖淤演變趨勢(shì)

4.1 挖槽內(nèi)輸沙能力

選擇Meyer-peter（1948年）輸沙率公式［9］，計(jì)算了4850，6530，1.1萬，1.21萬，1.6萬，2.5萬m3/s 6組流量下挖槽區(qū)域的輸沙率，如表2。

表2 左槽卵石推移質(zhì)單寬輸沙率 單位：kg/s

從表2可以看出，漲水過程中，航槽上段的輸沙率隨著流量的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，在中水流量Q=1.1萬m3/s時(shí)輸沙率達(dá)到最大值，洪水流量下的輸沙率較小，泥沙容易淤積；退水過程中，輸沙率隨著流量的減小而增加；枯水期航槽上段的輸沙率遠(yuǎn)小于航槽中下段，且航槽又彎又長，上游來沙不能及時(shí)輸至下游，易造成航槽上段的淤積。航槽中、下段輸沙率的變化趨勢(shì)基本一致，在漲水過程中，輸沙率逐漸減小，在退水過程中，輸沙率逐漸增大，且中、枯水期的輸沙率遠(yuǎn)大于洪水期。挖槽中部區(qū)域剛好位于航槽的彎曲轉(zhuǎn)折段，洪水期，挖槽中段的水流強(qiáng)度較上、下游弱，挖槽內(nèi)床面泥沙易向凹岸側(cè)運(yùn)動(dòng)，造成該區(qū)域的泥沙淤積；退水過程中，輸沙強(qiáng)度隨著流量減小而不斷增大，航槽中段淤積的泥沙基本能輸移至下游，挖槽區(qū)中段基本能維持穩(wěn)定。挖槽下段航槽順直，中、枯水期輸沙強(qiáng)度大，且試驗(yàn)過程中未發(fā)現(xiàn)航槽下段有明顯的淤積現(xiàn)象，因此挖槽區(qū)下段較為穩(wěn)定。

新開卵石航槽呈現(xiàn)出洪淤枯沖的趨勢(shì)，挖槽區(qū)上段為淤積挖槽，挖槽區(qū)中、下部區(qū)域基本穩(wěn)定。

4.2 挖槽穩(wěn)定性計(jì)算

工程中通常采用列亞尼茲的挖槽最佳尺度公式來驗(yàn)證航道挖槽的穩(wěn)定性，即通過對(duì)比挖槽前后工程區(qū)域的平均流速，來判斷挖槽區(qū)是否會(huì)有泥沙回淤［8］。

挖槽斷面基本公式：

表3 挖槽最佳尺度計(jì)算統(tǒng)計(jì)

表3統(tǒng)計(jì)了各級(jí)流量下的挖槽最佳尺寸，航槽上段挖槽內(nèi)的平均流速均低于挖泥前淺灘上的平均流速，容易產(chǎn)生淤積；航槽中、下段挖槽內(nèi)的km值普遍大于1，挖槽較為穩(wěn)定。由此可見，本文的分析結(jié)果與傳統(tǒng)的挖槽穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果基本一致，說明對(duì)卵石運(yùn)動(dòng)劇烈的彎曲分汊河段的挖槽穩(wěn)定性的研究方法是可行的，可為卵石運(yùn)動(dòng)劇烈的內(nèi)河淺灘的航道整治提供借鑒。

通過動(dòng)床試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)航槽進(jìn)口段淤積現(xiàn)象明顯，航槽中段左側(cè)沖刷，右側(cè)略為淤積，航槽下段沖刷現(xiàn)象明顯，為保持航槽穩(wěn)定進(jìn)口段需預(yù)留足夠的淤積深度，建議疏浚至191m底高程；航槽中段基本能維持穩(wěn)定，航槽出口段沖刷明顯，可減小疏浚深度。

5 結(jié)語

（1）試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，由于斗笠子順壩、金堆子、金鐘壩上諸多采砂坑的存在及雞心磧新建順壩等條件的綜合影響，東溪口左槽疏浚區(qū)除頭部區(qū)域外，上游基本沒有泥沙輸移進(jìn)入航槽的中下段，中下部航槽基本保持穩(wěn)定。

（2）通過分析東溪口卵石輸移帶底流的水流結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，在左航槽進(jìn)口區(qū)域，挖槽內(nèi)的底流流向與主流流向一致，推移質(zhì)輸沙帶的頭部逐漸向航槽主流方向偏移；航槽進(jìn)口段較為彎曲，流速沿程減小，輸沙能力較上、下游弱，容易造成進(jìn)口區(qū)域的航槽淤積。

（3）得出了航槽的沖淤演變趨勢(shì)：新開卵石航槽總體呈現(xiàn)出洪淤枯沖的趨勢(shì)，枯水期航槽上段的輸沙率遠(yuǎn)小于航槽中下段，且航槽又彎又長，上游來沙不能及時(shí)輸至下游，易造成上段淤積；航槽中、下段無明顯淤積現(xiàn)象，航槽較為穩(wěn)定。

［1］長江重慶航運(yùn)勘察設(shè)計(jì)院.長江上游東溪口水道航道整治工程工程可行性研究報(bào)告［R］.2016.

［2］楊勝發(fā)，胡江.長江上游東溪口水道航道整治工程物理模型試驗(yàn)研究報(bào)告（動(dòng)床部分）［R］.重慶：國家內(nèi)河航道整治工程研究中心，2016.

［3］田慶奇.黃河下游河道疏浚挖槽效果的概化模型試驗(yàn)研究［D］.北京：中國水利水電科學(xué)研究院，2002.

［4］明宗富.航道疏浚優(yōu)化挖槽設(shè)計(jì)方法［J］.武漢水利電力大學(xué)學(xué)報(bào)，1994，27（1）：46-52.

［5］張燕菁，張世奇，陳金榮.官廳水庫媯水河口攔門沙疏浚的數(shù)值模擬研究［J］.泥沙研究，2003，01（7）：45-51.

［6］譚昆，楊祥飛，孫振濤，等.航道整治工程挖槽穩(wěn)定性研究［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，31（3）：517-520.

［7］徐金環(huán)，李臣國.航道整治［M］.北京：人民交通出版社，2008.

［8］郭艷.挖槽紊動(dòng)特性及彎曲分汊河段磧槽開挖穩(wěn)定性分析［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，2008.

［9］楊勝發(fā)，周華君.內(nèi)河寬淺變遷河段水沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究［M］.重慶：重慶大學(xué)出版社，2006.

（責(zé)任編輯：王艷肖）

Stability analysis of Dong Xikou newly opened gravel channel

LIAO Jiang-hua1,2,CHEN Yu-dan1,2,CHEN Xing-wen1,2,LI Pei-lin1,2
（1.Key Laboratory of Hydraulic and Waterway Engineering of Ministry of Education,Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074,China;2.National Engineering Research Center for Inland Waterway Regulation,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China）

Dong Xikou newly opened gravel channel is bending and long,upstream and downstream gravel movement of the regulation river reach is violently,which will have an impact on the stability of new sail channel.This paper adopt the movable bed model and theoretical analysis to research the transport(behavior)of gravel bedload in regulation river reach of Dong Xikou to study the bottom flow characteristics in the sediment deposition area,and to calculate the sediment transporting capacity of left channel.By using automatic shaping method for predicting the riverbed dredged channel erosion and deposition evolution trend.The research indicates that upstream sediments mainly deposit in the import area of the channel,there are no obvious siltation in the middle and export of the channel，and these parts of channel basic remain stable.So the sufficient deposition depth is recommended in the inlet section of the channel.

the movable bed model test；the bottom flow characteristics；the gravel transport characteristics；the waterway stability

TV142

B

1672-9900（2017）01-0082-04

2016-12-28

廖江花（1992-），女（漢族），重慶人，碩士，主要從事航道整治方面的研究，（Tel）13637864538。