順直分汊河段樞紐施工及運(yùn)行初期河床變形規(guī)律分析

路蒞楓， 乾東岳， 宋 輝

(1.湖南省水運(yùn)建設(shè)投資集團(tuán)有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410011；2.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)

1 研究背景

順直分汊河段樞紐建成后受侵蝕基準(zhǔn)變化[1-3]、水沙時(shí)空分布的變化[4-8]、人工采砂[9]等因素的影響，易產(chǎn)生劇烈的壩下河床變形。目前較為統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)是分汊河段樞紐布置應(yīng)盡可能減少對(duì)原始河道平面形態(tài)的破壞，保持江心洲原貌，并維持分流比與自然條件下接近[10-11]。然而受人類(lèi)活動(dòng)影響，僅保持天然分流比難以解決壩下支汊匯流段工程泥沙問(wèn)題。同時(shí)，施工期工程建設(shè)對(duì)分汊河段河床變形影響較大，以往施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)主要關(guān)注施工期通航[12]與施工期防洪[13]問(wèn)題，對(duì)施工期河床變形研究較少。

以桃源樞紐為例，樞紐投產(chǎn)運(yùn)行后河床變形劇烈，河床重塑導(dǎo)致船閘下引航道輔導(dǎo)墻隔水堤沖毀約100m。因航道回淤?lài)?yán)重，船閘下引航道口門(mén)區(qū)及其連接段需每年進(jìn)行一次航道維護(hù)性疏浚。即使經(jīng)過(guò)航道維護(hù)性疏浚，枯水期仍需通過(guò)加大電站出力，釋放1 200 m3/s左右的助航流量，幫助壩下船舶進(jìn)入下引航道。由于桃源樞紐庫(kù)容有限，遇枯水年時(shí)，一周僅可釋放3次助航流量，一次持續(xù)2～4h，造成船閘通航效率遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值。本文通過(guò)搜集施工期及運(yùn)行初期遙感及實(shí)測(cè)地形資料，分析桃源樞紐壩下河床變形成因，為類(lèi)似航電樞紐設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)行管理提供參考。

2 桃源樞紐概況

2.1 桃源樞紐布置及施工導(dǎo)流方案

桃源樞紐所在河段為分汊河段，河心有兩座相連的江心洲(雙洲島)。樞紐建設(shè)前，左槽順直開(kāi)闊，中枯水期左槽分流量大于右槽；右槽中下部有一淺灘，枯水期河槽蜿蜒曲折。桃源樞紐壩址布置于分汊河段中下部，船閘位于雙洲島的左側(cè)，電站廠房緊依雙洲島右側(cè)布置，泄水閘分別布置于左右兩側(cè)主槽。左槽為14孔泄水閘，右槽11孔泄水閘，閘孔凈寬20 m[14]。桃源樞紐施工期及運(yùn)行初期歷史遙感影像見(jiàn)圖1。

圖1 桃源樞紐建設(shè)期及施工期遙感影像

桃源樞紐采用分期施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)，導(dǎo)流一期圍右槽泄水閘及電站廠房，導(dǎo)流二期圍左槽泄水閘。工程于2010年9月開(kāi)始導(dǎo)流一期施工，2012年4月底將導(dǎo)流一期電站廠房部分圍堰加固加高，改為全年圍堰。2012年6月右槽泄水閘段圍堰拆除，廠房圍堰保留并繼續(xù)施工。2012年9月一期圍堰拆除，并于2012年10月2日轉(zhuǎn)入二期截流，2014年3月二期圍堰拆除[15]。

2.2 邊界條件變化

左槽有效河寬束窄：桃源樞紐布置于雙洲尾部，船閘位于左洲洲面，電站位于右洲洲尾。圖2為桃源樞紐建成前、后江心洲范圍對(duì)比圖。由圖2可知，工程建成后船閘下引航道直線(xiàn)段外挑。與工程前左洲尾部淺灘相比，船閘下引航道外挑約135 m，左槽河寬束窄14.7%。

河床粗化：因采砂及來(lái)流空間分布調(diào)整，導(dǎo)致河床覆蓋層被沖刷，壩下河床明顯粗化。桃源樞紐建設(shè)前河床覆蓋層中值粒徑d50=1.75 mm。圖3為工程建設(shè)前桃源樞紐壩下河床實(shí)拍圖。

根據(jù)2016年年底實(shí)測(cè)資料以及實(shí)地踏勘發(fā)現(xiàn)，目前河床覆蓋層以少沙、無(wú)沙的卵礫石為主(見(jiàn)圖3)，壩下各采樣點(diǎn)覆蓋層粒徑基本在17 mm以上，各測(cè)點(diǎn)平均中值粒徑可達(dá)d50=35 mm。

同期來(lái)流空間分布調(diào)整：施工期及運(yùn)行初期來(lái)流空間分布較天然狀態(tài)有較大的改變。樞紐施工階段汛期來(lái)流集中于單個(gè)支汊，導(dǎo)致主河槽覆蓋層被大量沖刷。樞紐建成后，枯水期僅電站泄流，泄流寬度約189 m，且集中從原雙洲洲尾灘面進(jìn)入下游主河道。而原天然狀態(tài)枯期來(lái)流主要走左槽，部分走右槽，總有效河寬約210 m。

河段輸沙量變幅較大：桃源水文控制站位于桃源樞紐壩下1.2 km處，表1為桃源水文控制站實(shí)測(cè)水沙特征值統(tǒng)計(jì)表。

圖2工程前后江心洲范圍對(duì)比圖3桃源樞紐壩下河床實(shí)拍圖

表1 桃源水文控制站實(shí)測(cè)水沙特征值統(tǒng)計(jì)表

注：數(shù)據(jù)來(lái)自2013年中國(guó)河流泥沙公報(bào)。

實(shí)測(cè)水文特征值表明，樞紐建設(shè)前年平均輸沙率在10.3×104～70.0×104t之間，施工期(2010-2014年)，特別是工程形象有較大改變的年份，年輸沙量可達(dá)294.0×104t。桃源樞紐運(yùn)行期初期(2015-2016年)輸沙量明顯高于樞紐建設(shè)前較為穩(wěn)定的年份(2005-2009年)，年平均增幅達(dá)3.1倍。

3 施工期河床變形

為分析施工期河床變形規(guī)律，分別在壩址上、下游布置6個(gè)典型斷面，各典型斷面布置如圖4所示。對(duì)比工程建設(shè)前(2010年)與工程建設(shè)后(2015年)的實(shí)測(cè)地形圖，對(duì)施工期河床變形情況分述如下。

圖4 典型斷面布置圖

3.1 施工期人工采砂對(duì)右槽河床形態(tài)擾動(dòng)較大

圖5為樞紐建設(shè)前后BR-BR′ 斷面河床形態(tài)對(duì)比圖，BR-BR′ 斷面位于壩下右汊出口處(見(jiàn)圖4)。圖6為樞紐建設(shè)前后C-C′斷面河床形態(tài)對(duì)比圖，C-C′斷面位于壩下分汊河段匯流區(qū)(見(jiàn)圖4)。

圖5 樞紐建設(shè)前后BR-BR′斷面河床形態(tài)對(duì)比圖

圖6 樞紐建設(shè)前后C-C′斷面河床形態(tài)對(duì)比圖

由圖4可知：

施工期因人工采砂棄渣導(dǎo)致右槽出口處形成多處長(zhǎng)條狀沙隴，棄渣沙隴最大可高出原河床9 m(見(jiàn)圖5)。右槽截流期，棄渣沙隴散亂分布，甚至封堵右汊出口。樞紐建設(shè)前，左右兩汊總有效過(guò)流面積7 532 m2，而二期圍堰施工初期右汊有效過(guò)流面積僅4 531 m2，減幅達(dá)40%。因沙隴突出河床，且密實(shí)度較低，一期圍堰拆除后，河床迅速坦化，有效過(guò)流面積增加約12%，大量泥沙被帶入支汊出口處的匯流區(qū)，形成淤積(見(jiàn)圖6)，平均淤積厚度達(dá)4.7 m。

3.2 施工期截流導(dǎo)致過(guò)流汊主槽沖刷

圖7為樞紐建設(shè)前后AL-AL′斷面河床形態(tài)對(duì)比圖，AL-AL′斷面位于桃源樞紐壩上左汊，由圖7可知：

圖7 樞紐建設(shè)前后AL-AL′斷面河床形態(tài)對(duì)比圖

圍堰施工一期右槽截流，導(dǎo)致汛期洪水集中走左槽，覆蓋層被沖走、河床下切。從圖7典型斷面AL-AL′對(duì)比可知，除因工程疏浚導(dǎo)致起點(diǎn)距390m處局部河床下切8.1 m外，其余區(qū)域均因右槽截流導(dǎo)致河床下切，平均下切深度3.5m，樞紐建設(shè)前后有效過(guò)流面積增幅達(dá)21%。從圖1中2011年與2012年遙感影像對(duì)比也可看出，雙洲左側(cè)沙波狀淺灘范圍收縮，河床下切。

圖8為樞紐建設(shè)前后AR-AR′斷面河床形態(tài)對(duì)比圖，AR-AR′斷面位于桃源樞紐壩上右汊，由圖8可知：

圖8 樞紐建設(shè)前后AR-AR′斷面河床形態(tài)對(duì)比圖

圍堰二期施工導(dǎo)致右槽沖深擴(kuò)展，原右槽壩址附近淺灘消失，河槽沖刷下切，最大沖深3.7 m，工程前后10年一遇洪水位降低0.39 cm，濕周增加13%。且起動(dòng)的泥沙集中淤積在下游匯流區(qū)及左側(cè)邊灘處，形成多個(gè)不規(guī)則淺灘，見(jiàn)圖1(2012年)。

3.3 支汊深泓重塑

圖9為樞紐建設(shè)前后BL-BL′斷面河床形態(tài)對(duì)比圖，BL-BL′斷面位于桃源樞紐壩下左汊出口，由圖9可知：

圖9 樞紐建設(shè)前后BL-BL′斷面河床形態(tài)對(duì)比圖

左槽只布置有14孔泄水閘，泄流水流均勻，左槽表現(xiàn)為深槽合并，深泓呈現(xiàn)從兩側(cè)向中間運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)(見(jiàn)圖8與9)。右側(cè)因施工期泄水閘段曾單獨(dú)開(kāi)閘度汛，同時(shí)枯期僅電站泄流，分別在電站尾水下游以及泄水閘下游形成兩個(gè)靠岸的深泓。深泓的重塑導(dǎo)致壩下河床與設(shè)計(jì)初期采用的天然河床有較大改變。

4 運(yùn)行期河床變形

4.1 人工無(wú)序采砂對(duì)運(yùn)行初期河床影響顯著

圖10為桃源樞紐運(yùn)行初期2015年4月與2016年9月典型斷面C-C′對(duì)比圖，由圖10可知：

圖10 樞紐運(yùn)行初期典型斷面C-C′對(duì)比圖

因人工無(wú)序采砂，壩下匯流區(qū)右側(cè)河床大幅降低形成深潭。2015年時(shí)河床左底右高，最大落差1.8 m。至2016年9月，一年內(nèi)形成一個(gè)長(zhǎng)約900 m，寬約300 m，最大采砂深度達(dá)6.3 m的采砂坑，造成匯流區(qū)河床左高右低，斷面橫向落差約4 m。因深槽吸流效應(yīng)，采砂坑的出現(xiàn)導(dǎo)致下引航道口門(mén)區(qū)橫比降較大，危及下引航道船舶通航安全；同時(shí)人工采砂導(dǎo)致壩下水位降落、航槽淤積，航槽水深嚴(yán)重不足，極大的限制該航段通航保證率。

4.2 右槽電站尾水沖擊河床

受工程前后邊界條件改變、人工采砂等因素影響，運(yùn)行期電站下游形成一個(gè)較為明顯的枯水深槽，沿船閘下引航道右側(cè)輔導(dǎo)墻向下延伸，并在輔導(dǎo)墻堤頭進(jìn)入船閘口門(mén)區(qū)。圖11和12分別為樞紐運(yùn)行初期BR-BR′斷面年際變化與年內(nèi)變化圖。由圖11、12可知：枯水期電站尾流強(qiáng)度較大，2016年年底實(shí)測(cè)水文資料顯示，最大垂線(xiàn)平均流速可達(dá)3.2 m/s，大于10年一遇洪水期河段最大垂平流速。

圖11 樞紐運(yùn)行初期BR-BR′斷面年際變化

由于電站尾水水流強(qiáng)度較大，該枯期深槽形態(tài)呈逐年沖刷下切趨勢(shì)，且主要集中在中枯水期電站發(fā)電的時(shí)段內(nèi)，同時(shí)該深槽下切趨勢(shì)在逐漸減緩。

圖12 樞紐運(yùn)行初期BR-BR′斷面年內(nèi)變化

因受電站尾水的沖擊，下引航道右側(cè)輔導(dǎo)堤沖刷破壞約100 m，運(yùn)行初期電站下游河床平均下切1.9 m。壩體土方以及深槽起動(dòng)的泥沙輸移至口門(mén)區(qū)造成航道大范圍回淤，嚴(yán)重影響船舶通航。船閘下引航道口門(mén)區(qū)航道已開(kāi)展多次應(yīng)急搶通疏浚，疏浚后航道迅速回淤，水深仍無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4.3 左槽沖刷下切

圖13為運(yùn)行初期左汊壩下BL-BL′斷面河床變化對(duì)比圖，圖14為運(yùn)行初期匯流區(qū)K-K′斷面河床變化對(duì)比圖。各典型斷面平面位置見(jiàn)圖4。由圖13、14可知：運(yùn)行初期因船閘下引航道左導(dǎo)墻外挑，左汊有效過(guò)流寬度束窄，汊道內(nèi)中部及左側(cè)河床刷深。左汊的右側(cè)因外挑導(dǎo)墻掩護(hù)，河床基本穩(wěn)定。左槽河床沖起的泥沙在匯流區(qū)進(jìn)入航槽，形成泥沙淤積礙航。

圖13 左槽壩下代表斷面(BL-BL′斷面)河床變化對(duì)比圖

4.4 口門(mén)區(qū)航道淤積嚴(yán)重

設(shè)計(jì)航道標(biāo)高26.44 m，較兩側(cè)河床底約2 m左右，同時(shí)船閘口門(mén)區(qū)位于分汊河段的匯流區(qū)，泥沙易于堆積。從圖10和14可以看出，2015-2017年船閘口門(mén)區(qū)均有不同程度的航道回淤問(wèn)題。其中C-C′斷面處航道內(nèi)來(lái)沙以從左側(cè)進(jìn)入航道的推移質(zhì)泥沙為主(見(jiàn)圖10)，K-K′斷面處航道內(nèi)來(lái)沙以從右側(cè)下引航道堤頭進(jìn)入航道的推移質(zhì)泥沙為主(見(jiàn)圖14)。

圖14 匯流區(qū)代表斷面(K-K′斷面)河床變化對(duì)比圖

5 結(jié) 論

本文通過(guò)搜集歷史遙感影像和歷年實(shí)測(cè)地形資料，結(jié)合桃源水文站歷年輸沙率實(shí)測(cè)資料，分析桃源樞紐施工期及運(yùn)行期河床變形規(guī)律，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)：

(1)壩下河床粗化開(kāi)始于施工期，壩下床面覆蓋層粗化后一般以推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)為主。因此，順直分汊河段壩下工程泥沙問(wèn)題研究應(yīng)充分考慮覆蓋層破壞、河床粗化對(duì)壩下泥沙運(yùn)動(dòng)的影響。

(2)施工導(dǎo)流方案改變了分汊河段施工期來(lái)流的空間分布，易引起開(kāi)敞支汊河床覆蓋層沖刷并輸移至匯流區(qū)落淤，造成河床形態(tài)大幅調(diào)整，增加運(yùn)行初期壩下河床變形的不可控性。在以往的樞紐建設(shè)過(guò)程中，施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)重點(diǎn)關(guān)注施工防洪及施工通航問(wèn)題，而桃源樞紐工程的建設(shè)表明，施工期河床變形也應(yīng)作為施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題之一。

(3)樞紐運(yùn)行期的運(yùn)行調(diào)度方案應(yīng)充分考慮河床抗沖性能，并盡量保持與原天然條件下來(lái)流的空間分布一致。如桃源樞紐將電站布置于分汊河段副汊，且下游為原江心洲洲尾邊灘。由于電站尾流強(qiáng)度較大，導(dǎo)致電站下游河床持續(xù)沖刷。

(4)運(yùn)行期同期來(lái)流空間分布變化、施工期導(dǎo)流方案以及貫穿工程建設(shè)至今的無(wú)序人工采砂對(duì)壩下河床重塑有較大影響。其中施工期導(dǎo)流和人工采砂等人類(lèi)活動(dòng)的影響，導(dǎo)致工程河段外部條件一直處于動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)，壩下河床變化規(guī)律隨機(jī)性較強(qiáng)，

可預(yù)測(cè)難度較大。從管理角度，應(yīng)盡快規(guī)范人工采砂；從工程建設(shè)角度，建議加強(qiáng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，應(yīng)對(duì)不可控的外部條件對(duì)樞紐的影響。