長(zhǎng)江中游鯉魚山水道現(xiàn)狀水流特性研究

劉鵬飛，朱玉德，雷雪婷

(1.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；2.長(zhǎng)江航道規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，武漢 430011)

河道水流特性是研究河床演變規(guī)律、分析礙航特性的基礎(chǔ)，在航道整治工程方案研究中，對(duì)河段現(xiàn)狀水流特性與方案實(shí)施后水流特性對(duì)比分析，是判斷方案效果的重要方法。在長(zhǎng)江中游鯉魚山水道航道整治工程物理模型試驗(yàn)中，為深入了解河段水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在定床模型階段開展了現(xiàn)狀水流特性試驗(yàn)，彌補(bǔ)本水道原型測(cè)量資料的不足。

本文以長(zhǎng)江中游鯉魚山水道航道整治物理模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)鯉魚山水道現(xiàn)狀條件下的比降、流速、水動(dòng)力軸線、分流比等水力要素進(jìn)行分析研究，以研究各水力要素的特征及變化規(guī)律，為本水道航道整治思路的確立提供依據(jù)，對(duì)方案研究奠定基礎(chǔ)。

1 基本概況

1.1 河道概況[1-3]

鯉魚山水道位于長(zhǎng)江中游湖北省境內(nèi)，水道上起半壁山，下迄仙姑山，全長(zhǎng)13.5 km(圖1)，水道上游承接擱排磯水道，下游為武穴水道。本水道為兩頭窄中間寬的彎曲河型，水道右岸進(jìn)、出口分別有半壁山和尖山兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，水道放寬段左岸盤家港至龔龍灣存在厙家灣邊灘，河心偏右存在黃蓮洲心灘，心灘左槽為主航道。近年來由于黃蓮洲心灘沖刷，不利年份左槽進(jìn)、出口淤積，出現(xiàn)淺包、沙埂，航道條件不穩(wěn)定，并有向不利方向發(fā)展的趨勢(shì)。

1.2 來水來沙特征[1,4]

本河段下游45 km處設(shè)有九江水文站，河段與九江水文站間沒有大的分匯流，該站的水文特征基本能夠代表鯉魚山水道的水文泥沙特性。通過對(duì)九江站的水文資料分析，本河段來水來沙特征主要表現(xiàn)為：

(1)本河段一般4～6月為漲水期，7～9月為洪水期，10～12月為退水期，次年1～3月則為枯水期；(2)三峽蓄水后月水位平均值較蓄水前有所降低，其中7～10月份水位降幅較大，最大達(dá)2.78 m；(3)三峽蓄水前河段多年平均年徑流量約7 111×108m3，蓄水后約6 713×108m3，較蓄水前減少約5.6%，本河段徑流量年內(nèi)分配不均勻，其中5～10月約占全年的70%；(4)受三峽工程攔沙和長(zhǎng)江上游來沙量減小等因素影響，懸移質(zhì)輸沙量急劇減少，三峽工程蓄水前，九江站年輸沙量2.78×108t，三峽工程蓄水后，年輸沙量0.94×108t，較蓄水前減少66%；(5)本水道來沙以懸移質(zhì)為主，推移質(zhì)沙量相對(duì)較小；(6)鯉魚山水道床沙級(jí)配變化不大，基本上為中細(xì)沙，粒徑d=0.1～0.5 mm沙重約占90%左右，中值粒徑D50為0.18 mm左右。

2 模型概況及試驗(yàn)水文條件[5-7]

2.1 模型概況

表1 相似比尺匯總表Tab.1 Similar scale summary table

鯉魚山水道物理模型模擬范圍上起擱排磯水道郝磯附近，下迄武穴水道狗頭磯，全長(zhǎng)約26 km。模型制作依據(jù)2016年3月枯水期河道地形圖，模型比尺見表1。

模型開展了驗(yàn)證試驗(yàn)，分別對(duì)實(shí)測(cè)枯、中、洪流量下的水面線、斷面流速分布、流向、分流比等進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，模型與原型達(dá)到了阻力相似和水流運(yùn)動(dòng)相似的要求。

表2 試驗(yàn)流量級(jí)Tab.2 Test discharge stage

2.2 試驗(yàn)水文條件

模型試驗(yàn)流量級(jí)見表2。其中8 030 m3/s、17 930 m3/s、25 960 m3/s、35 530 m3/s流量的尾門水尺控制水位采用實(shí)測(cè)值，其余各級(jí)流量的尾門水尺水位利用九江水文站的水位-流量關(guān)系和九江水文站水位-尾門水尺水位相關(guān)關(guān)系計(jì)算得出。

3 各級(jí)流量下的水面比降[1]

圖2為各級(jí)流量下河段沿程水面比降變化，由圖可以看出：(1)沿程水面平緩，各級(jí)流量下水面比降在0.23～0.40之間變化，全河段平均水面比降均在0.35以下，且各級(jí)流量相差不大；(2)全河段平均水面比降并未隨流量增大而持續(xù)增大，相同區(qū)域水面縱比降一般中水大于枯水和洪水；(3)半壁山至盤塘段河道逐漸展寬，水面比降不大，盤塘至郭家鋪段存在心灘，河床阻力增大，水面比降減小，尖山以下河道縮窄，水面比降又有所增大，水面比降的變化基本反應(yīng)河段水動(dòng)力條件的變化[8-9]。

4 各級(jí)流量下流速場(chǎng)變化[1,10]

4.1 水流動(dòng)力軸線位置

圖3為各級(jí)流量下鯉魚山水道水動(dòng)力軸線變化，分析可知：

圖2 各級(jí)流量下沿程水面比降變化圖Fig.2 Variation of water surface slope at all discharge stage

(1)半壁山至盤塘段，受半壁山磯頭在不同水期挑流作用強(qiáng)弱不同的影響，枯水期(8 030 m3/s)水動(dòng)力軸線偏右岸，隨著流量增大，水流動(dòng)力軸線左擺；中洪水流量后，隨流量增加水流動(dòng)力軸線逐漸右擺，流量為50 000 m3/s時(shí)，已基本居中。該段水流動(dòng)力軸線在不同水期的變化，直接影響到黃蓮洲心灘段灘頭及兩槽的沖淤演變；(2)盤塘至厙家灣段(黃蓮洲心灘分汊段)，主流位于左槽，枯、中、洪水期的水流動(dòng)力軸線的位置擺動(dòng)幅度較大?？菟谒畡?dòng)力軸線居于左槽河道中間，隨著流量增大至中洪水，受上段水流動(dòng)力軸線擺動(dòng)的影響，該段水流動(dòng)力軸線不斷左擺；流量增加到35 530 m3/s后，隨著流量增大，水流動(dòng)力軸線又向右擺動(dòng)，50 000 m3/s流量時(shí)貼近黃蓮洲左緣。不同水期水動(dòng)力軸線在左槽內(nèi)的擺動(dòng)變化，是造成左槽深槽位置不穩(wěn)的原因之一；(3)黃蓮洲匯流段。左槽出口水流動(dòng)力軸線的位置總體上呈枯水坐彎偏右，中洪水取直的變化規(guī)律。試驗(yàn)觀測(cè)表明，兩槽匯流點(diǎn)隨流量增大逐漸上提；(4)尖山節(jié)點(diǎn)有一定挑流作用，隨流量增大，挑流作用逐漸減小，尖山以下水流動(dòng)力軸線在各級(jí)流量下擺動(dòng)幅度不大。

圖3 各級(jí)流量下水動(dòng)力軸線變化圖Fig.3 Variation of hydrodynamic axis at all discharge stage

4.2 各級(jí)流量下斷面平均流速

圖4為各級(jí)流量下沿程斷面平均流速。由圖4可以看出：

圖4 各級(jí)流量下沿程斷面平均流速比較圖Fig.4 Comparison of sectional average velocity along river reach at all discharge stage

(1)當(dāng)流量為8 030 m3/s、11 800 m3/s時(shí)，水道中段的斷面平均流速稍大于進(jìn)口段，這表明水道中段即黃蓮洲放寬段水流挾沙能力大于進(jìn)口段，黃蓮洲放寬段河床在枯水期以沖刷為主；(2)當(dāng)流量為25 960 m3/s、30 000 m3/s時(shí)，水道進(jìn)口與出口斷面平均流速稍大于中間河段，但差值不大，表明在中洪水流量下，水道內(nèi)沿程的平均輸沙能力基本一致，在這一流量范圍內(nèi)，水道內(nèi)泥沙沖淤趨于平衡，不存在單向沖刷或單向淤積；(3)當(dāng)流量為40 000 m3/s以上時(shí)，水道進(jìn)、出口斷面平均流速明顯大于中間段，表明在大水期黃蓮洲放寬段水動(dòng)力條件相對(duì)偏弱，輸沙能力小于進(jìn)口段，泥沙易于落淤，淺區(qū)表現(xiàn)為洪水期淤積的特點(diǎn)；(4)隨流量的增大沿程斷面平均流速不斷增大，相應(yīng)地水流動(dòng)力條件、輸沙能力不斷增強(qiáng)，從而導(dǎo)致水道內(nèi)泥沙輸移、河床變化幅度增大，這表明大流量對(duì)本河段的造床作用較強(qiáng)[7]。

圖5為黃蓮洲左、右槽及灘面上斷面平均流速隨流量變化圖。由圖可知：

(1)在同一流量下，左槽內(nèi)斷面平均流速大于右槽，隨著流量的增加，這種差值逐漸增大，這是左槽的主槽地位穩(wěn)定的原因；(2)流量大于12 000 m3/s時(shí)，黃蓮洲心灘淹沒，心灘灘面上流速隨流量不斷增大，其增幅大于左右槽內(nèi)流速增幅。當(dāng)流速大于40 000 m3/s時(shí)，灘面平均流速大于左槽和右槽內(nèi)平均流速，表明大水時(shí)灘面沖刷，洪水對(duì)灘體的穩(wěn)定不利。

圖5 黃蓮洲左、右槽及灘面上斷面平均流速隨流量變化圖Fig.5 Average velocity changed with discharge at Huanglianzhou section

4.3 平面流速分布特征

圖6為各級(jí)流量下沿程斷面流速分布，由圖可見：

圖6 沿程斷面流速分布Fig.6 Sectional average velocity distribution along river reach

(1)小流量時(shí)，半壁山附近流速右側(cè)大、左側(cè)小，呈偏“V”形分布；隨流量的增大，流速分布趨于均勻，洪水流量下大流速區(qū)偏左岸。半壁山存在一定的挑流作用，隨著流量增大，挑流作用逐漸減弱；(2)半壁山以下河道受河床不斷放寬的影響，水流出半壁山后表現(xiàn)為較為快速的擴(kuò)散，斷面流速分布趨于均勻；(3)黃蓮洲頭部灘地流速略小于兩側(cè)流速，隨著流量增大，流速差值逐漸減小，從流向來看，黃蓮洲心灘中上段存在從左至右的斜流，表明黃蓮洲心灘存在被斜向沖刷的動(dòng)力條件；(4)黃蓮洲心灘匯流段，由于尖山深槽吸流作用，枯水水流迅速歸槽，尖山附近斷面流速呈明顯偏右“V”型，左槽出口及左邊灘流速減小。黃蓮洲心灘匯流段斷面水流變化特征是左槽出口易形成淺區(qū)的原因之一。

5 黃蓮洲心灘分流比沿程變化

圖7 137 00 m3/s流量下黃蓮洲灘脊線右側(cè)分流比沿程變化Fig.7 Variation of discharge ratio along right channel of Huanglianzhou under 13 700 m3/s

以黃蓮洲心灘灘脊線為界，對(duì)兩側(cè)分流進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。圖7顯示了137 00m3/s流量下黃蓮洲灘脊線右側(cè)分流比沿程變化情況。由圖可知：右槽分流比從上游至下游依次為15.1%、16.2%、19.7%、21.0%、21.4%，該流量下黃蓮洲灘脊線右側(cè)(右槽)所占流量逐漸增大，右槽分流的變化表明中枯水流量下黃蓮洲上段存在一股由左至右的斜向漫灘水流；該斜向水流對(duì)黃蓮洲心灘上段的穩(wěn)定不利。

6 結(jié)論

(1)河道邊界條件決定了本水道的水流特征，半壁山節(jié)點(diǎn)挑流、河段彎曲放寬、尖山深槽吸流等特征決定了水道進(jìn)口段、放寬段及出口段的水動(dòng)力軸線位置、斷面平均流速、沿程流速分布等變化規(guī)律不同；(2)河道放寬段斷面平均流速在枯水流量下相對(duì)較大，在洪水流量下相對(duì)較小，決定了放寬段河床在枯水期以沖刷為主，在洪水期以淤積為主，表明放寬段淺灘“洪淤枯沖”的演變特點(diǎn)。受上游半壁山節(jié)點(diǎn)挑流、河道展寬等因素影響，左槽內(nèi)水流動(dòng)力軸線在不同水期擺動(dòng)頻繁，展寬段易于淤積出淺；(3)黃蓮洲心灘作為左槽航道的右邊界，它的穩(wěn)定是航道穩(wěn)定的重要條件。從模型試驗(yàn)結(jié)果來看，漫灘水流和心灘上段斜流對(duì)黃蓮洲心灘的穩(wěn)定均不利，洪水流量下，水流動(dòng)力軸線貼近心灘左緣，心灘將呈整體沖刷之勢(shì)，灘體左側(cè)沖刷尤為顯著，從而導(dǎo)致主航槽枯水河寬加大，航槽更易淤積出淺而礙航。通過實(shí)施整治工程，對(duì)黃蓮洲心灘尤其是心灘左緣等關(guān)鍵部位進(jìn)行守護(hù)，維護(hù)心灘穩(wěn)定，穩(wěn)定航道邊界條件，是穩(wěn)定鯉魚山水道灘槽格局，改善航道條件的關(guān)鍵。