蘆家河水道枯水跌坎形成原因及航道治理效果分析*

索 文，劉林雙，于海波，張美德

(長江航道局，湖北 武漢 430010)

河道礙航因素一般包括水深、航寬、彎曲半徑、比降、流速、流態(tài)等[1-3]，不同類型河道礙航影響因素差異較大。蘆家河水道位于長江中游山區(qū)—平原河流過渡地帶，河道兼有山區(qū)河流坡陡、流急等問題[4-6]，也有平原河道水淺、航寬不足等問題[7-8]，導致其礙航原因較為復雜，是中游重點沙卵石淺灘礙航河段。三峽水庫蓄水前，主航道在汛期退水時，一旦汛末退水速度過快，石泓水深已不足，而沙泓汛期大量淤積的泥沙又未沖開，航道就會出現(xiàn)緊張局面；另外，毛家花屋—姚港一帶枯水比降大、流速急，給上行船舶航行帶來很大困難[9]。蓄水后航道問題主要表現(xiàn)為沙泓進口的沙質(zhì)淺區(qū)礙航問題、葛洲壩三江下引航道水深不足對下游水道的水位控制需求問題[10]、推移質(zhì)落淤形成淺包礙航的問題以及持續(xù)存在的毛家花屋—姚港一帶枯水跌坎問題。

對此，2014年開展的宜昌—昌門溪河段一期航道整治工程[11]，在蘆家河進口實施了魚嘴工程以及石泓護底工程，緩解了沙泓進口的淤沙問題，也對上游的枝城站水位控制起到了明顯的作用。但由于三峽蓄水作用，下游水道的不均勻沖刷，導致枯水跌坎現(xiàn)象進一步加重。筆者探究枯水跌坎形成原因及礙航影響，并提出探索性的航道治理方案，取得較好的治理效果。

1 蘆家河水道枯水跌坎特性

蘆家河水道位于長江中游山區(qū)—平原河流過渡地帶，水道上起陳二口、下至昌門溪，全長12 km，屬微彎放寬型水道(圖1)。河段河心有礫卵石磧壩，將蘆家河水道分為沙、石兩泓，沙泓為目前主航道所在。本水道岸坡結構主要是基巖質(zhì)、土礫質(zhì)和硬土質(zhì)3種類型，岸線多年來總體穩(wěn)定，河道格局未發(fā)生改變。年內(nèi)主流洪、枯水期流向在沙、石泓之間左右擺動。沙泓中段毛家花屋—姚港一帶枯水比降大、流速急，尤其是在枯水期，容易形成跌坎，是蘆家河水道枯水航道瓶頸。

圖1 蘆家河水道河勢

2 枯水跌坎形成原因

2.1 地貌成因

蘆家河水道地貌總體格局是，由三峽山地向宜昌東部丘陵，再過渡到松滋口以東的江漢平原。枝城以上河道兩岸為丘陵階地，河岸大部分由白堊第三系礫巖或砂巖、第四系全新統(tǒng)黏土礫石層、晚更新統(tǒng)黏性土及全新統(tǒng)黏性土組成，抗沖能力較強，岸坡均較穩(wěn)定。枝城以下主要是侵蝕低山丘陵、河流階地和河漫灘，河段內(nèi)洪枯水位之間的河床岸坡地質(zhì)結構主要為硬土質(zhì)、土石質(zhì)和基巖質(zhì)3種類型。其地質(zhì)構造特征是，淞滋口以上河段處于江漢沉降區(qū)邊緣宜都隆起地帶，而淞滋口以下河段則地處江漢沉降區(qū)次一級凹陷的枝江凹陷區(qū)，淞滋河附近蘆家河水道一道處于平原與丘陵交界帶，是我國地質(zhì)構造運動西部掀升，東部沉陷轉(zhuǎn)折帶上的中點部位，在地貌上由低山丘陵向平原的過渡區(qū)。復雜的地貌特性使得蘆家河水道不同區(qū)域河床地質(zhì)特性、河道高程形態(tài)均有所不同，河床沿程連續(xù)性減弱，為河道坡陡流急提供了地貌條件。

2.2 河床組成原因

根據(jù)蘆家河水道鉆探取樣等資料分析，水道河岸地質(zhì)構造抗沖性能較好，岸坡穩(wěn)定，右岸松滋河口以上和左岸毛家花屋以下，分布有臨河丘陵山體，其地質(zhì)構造為基巖質(zhì)或抗沖性能較好的黏土和礫質(zhì)土層；百里洲地質(zhì)構造為二元結構，上層以河漫灘相粉質(zhì)壤土為主，下層為卵石夾沙層；熊家棚子一帶雖為軟土質(zhì)岸坡，但因地處彎道凸岸一側，岸坡亦穩(wěn)定。水道河床組成在汛期表層多為淤沙覆蓋，左側沙泓床沙較細，河心及右側石泓較粗。一般至枯水季節(jié)，姚港以上床面除松滋口附近和石泓邊灘仍留有一定厚度沙質(zhì)覆蓋層之外，其他區(qū)域均已沖刷至卵石層面。姚港以下，緊接卵石磧壩尾部，沉積的中細沙與磧壩連為一體，最大高程35.0 m，厚度6～10 m，構成心灘群，稱為磧壩灘尾。沙質(zhì)心灘的左泓亦沖刷至卵石層面，右泓卵石層面以上尚覆蓋1～2 m厚的淤沙。總體而言，蘆家河水道河床絕大部分河床為砂卵石組成，河床表層較粗(圖2)、穩(wěn)定性較好。但部分河段仍有粉細砂覆蓋，河床可沖刷，不同土質(zhì)的可沖性差異造成河床的凹凸不平(圖3)，束流雍水，大幅抬高卡口上游水位，沖刷性較好的卡口下游，則降低了下游水位，構成了卡口型枯水跌坎，進而導致坡陡流急。

圖2 蘆家河水道典型河床卵礫石巖芯

圖3 蘆家河水道地貌

2.3 三峽蓄水影響

三峽蓄水后，壩下河段來沙減少，河床沿程沖刷，河道水位下降。蘆家河水道在2008—2014年間單位河長總沖刷量即達172 m3km，隨著河床持續(xù)沖刷，壩下河段枯水位均出現(xiàn)顯著下降(圖4)。蘆家河水道內(nèi)陳二口、毛家花屋、姚港和昌門溪4處水尺，5 600 m3s枯水流量下，2017年比蓄水前的2002年水位分別下降0.31、0.46、0.59、0.59 m。

圖4 5 600 m3s流量下蘆家河水道水位變化

一方面，水位的趨勢性下降加劇了蘆家河沙泓中段淺區(qū)的水深不足，航道條件趨于惡化。另一方面，由于蘆家河以上河道為基巖、卵石河床，沖刷較??；而以下河道為沙質(zhì)河床，沖刷較大。蓄水后壩下水位持續(xù)的不均勻下降，也導致蘆家河水道水面比降不斷增大。這些情況的存在和發(fā)展，必然導致蘆家河枯水跌坎加劇。

蓄水前，蘆家河水道是長江中游長期以來固有的枯水礙航河段，在三峽175 m試驗性蓄水前，6 000 m3s左右流量時，天發(fā)碼頭附近400 m范圍內(nèi)比降可達近0.07%，最大流速可達2.8 ms；三峽蓄水后，枯水下泄流量增大，枯水航道礙航進一步嚴重。經(jīng)觀測統(tǒng)計，2014年后8 000 m3s流量下，局部比降增大至0.08%以上，最大流速達到3.26 ms，2017年來最大流速達3.5 ms，2018年2月15—19日年度最小流量(6 200 m3s)期間，實測水面比降仍為0.04%以上。蘆家河毛家花屋枯水卡口，是多種地質(zhì)、地貌因素急劇轉(zhuǎn)折變化集中發(fā)生的部位(河段)，也是構成枯水跌坎的基礎條件。

3 礙航特性

由于枯水跌坎的存在，蘆家河河段內(nèi)坡陡流急現(xiàn)象嚴重，船舶上行壓力依然較大。從航跡觀測結果看，動力較弱的船舶，上行較為困難。毛家花屋坡陡流急段附近水域的最小航速僅約3.0 kmh。從現(xiàn)場通航情況看，以2017年枯水季節(jié)為例，蘆家河水道枯水跌坎(圖5)和太平口水道三八灘北汊瓶頸，加上三峽大壩船閘檢修單閘過船(圖6)，共3處瓶頸均單向通航，且時而斷航，導致3處區(qū)域待航船舶數(shù)量較多，通常情況下有200多艘，高峰期達400多艘，綿延數(shù)十公里，船舶等待時間最長多達17 d，且由于瓶頸水道窄淺多彎，輪船只能在多個距離較短的紅白浮標之間隨折彎緩行，容易擱淺。

圖5 蘆家河水道積壓船舶

圖6 三峽大壩附近等待過閘船舶

4 治理方案

蘆家河水道的礙航問題較為復雜，除了沙泓中段坡陡流急等問題，還包括上游船閘通航對水位的需求、持續(xù)下降的枯水位影響、砂卵石推移質(zhì)落淤出淺等問題，對此，在2017、2018年度開展了蘆家河水道探索性的疏浚。

2017年度疏浚思路為：針對急需解決的水淺問題，清除寧化碼頭前沿淺包，提高水深，平順航槽，并在保障航道尺度的同時，預留一定的淤積空間，為后續(xù)坡陡流急等問題的解決打好基礎。疏浚工程挖槽區(qū)域位于蘆家河水道沙泓航槽，對三寧化工碼頭前沿淺包進行維護性疏浚。工程挖槽區(qū)長約780 m、寬20～220 m，疏浚挖槽底高程為設計水位下4.0 m(航基面下4.5 m)，即29.2 m(1985國家高程基準)，疏浚工程挖槽邊坡取1:3。

2018年度疏浚思路為：通過維護疏浚，清除寧化碼頭前沿淺包，保障蘆家河河段枯水期航道水深，以緩解坡陡流急段通航安全隱患為目標，對毛家花屋航槽右緣一定范圍內(nèi)的亂石堆進行清除，適當拓寬緩流航槽寬度，改善通航條件。相應的疏浚方案主要包括2部分：淺包清除和亂石堆清除。淺包清除區(qū)：對三寧化工碼頭前沿淺包進行整體清除，工程挖槽區(qū)長約500 m、寬30～150 m；亂石堆清除區(qū)：對沙泓中段毛家花屋航槽右緣亂石堆進行清除，最大清除寬約50 m，長約1 000 m，清除區(qū)上段航槽與枯水位控制卡口以斜線銜接，下段以喇叭口形式逐漸拓寬與寧化碼頭前沿航槽銜接。

5 治理效果及后續(xù)治理建議

5.1 治理效果

疏浚工程實施后，增加了淺區(qū)航槽深度，保證了2017和2018年度蘆家河水道4.5 m航深，工程實施后枯水水面比降變化見表1。從表1可知，蘆家河枯水跌坎段(2#～3#)之間的枯水大比降顯著減小，當三峽水庫枯季最小下泄流量為6 000 m3s左右時，最大比降由疏浚前的4.60銳減至2.22。跌坎段的大比降分散轉(zhuǎn)移到上下游相鄰河段：上段陳二口—2#由1.6增至2.02，增幅23.2%；下段3#—枝江(馬家店)由0.806增大至1.73，增幅高達115%。其他河段變化較小。

表1 蘆家河枯水跌坎擴卡前后比降變化

5.2 建議

蘆家河水道是我國地質(zhì)構造運動西部掀升、東部沉陷轉(zhuǎn)折帶上的中點部位，又是地質(zhì)組成轉(zhuǎn)換的連接區(qū)，在地貌上由低山丘陵向平原的過渡區(qū)，使得在蘆家河沙泓中段形成了跌坎，且在蘆家河沙泓中段尤其顯著，致使蘆家河水道枯水礙航。特別是三峽樞紐運行后，蘆家河以上河道為基巖、卵石河床，沖刷較小；而以下河道為沙質(zhì)河床，沖刷較大，且隨樞紐運行時間遞增，造成水位持續(xù)降低，比降不斷增大。這些情況的存在和發(fā)展，導致蘆家河跌坎進一步加劇。

短期內(nèi)河道地形地貌以及河道地質(zhì)特點難以改變，造成沙泓中段枯水跌坎短期內(nèi)難以自然改變，三峽蓄水逐步深入的趨勢也將進一步持續(xù)，跌坎現(xiàn)象有可能進一步加劇，但同時，蘆家河水道兼具上游水位控制的功能，因此，不可能大規(guī)模開展疏浚等調(diào)整工程，因此，目前較好的措施仍然是依據(jù)河道逐年變化情況，開展試探性治理。

2017、2018年度在控制上游水位的基礎上，對沙泓中段開展了探索性治理，取得了較好的效果，若繼續(xù)適當疏浚，跌坎段的大比降將進一步減小，并繼續(xù)向上、下游河段轉(zhuǎn)移，使鄰近河段比降略微增大后再向上、下游較遠河段轉(zhuǎn)移。屆時，蘆家河枯水跌坎段大比降將進一步減小，但不會從根本上消失。因此，建議結合上游水位以及本河段航深變化情況，進一步開展淺區(qū)疏浚，在不影響上游水位的情況下，改善本水道枯水跌坎狀況，為水道長遠航道條件改善奠定基礎。

6 結論

1)蘆家河水道是我國地質(zhì)構造運動西部掀升、東部沉陷轉(zhuǎn)折帶上的中點部位，又是地質(zhì)組成轉(zhuǎn)換的連接區(qū)，在地貌上由低山丘陵向平原的過渡區(qū)，導致沙泓中段枯水跌坎的存在。三峽樞紐運行后，蘆家河以上河道為基巖、卵石河床，沖刷較小;而以下則為沙質(zhì)河床，沖刷較大，水位持續(xù)降低，比降不斷增大，加劇了枯水跌坎問題。

2)由于枯水跌坎的存在，蘆家河河段內(nèi)坡陡流急現(xiàn)象嚴重，此外，蘆家河水道還包括上游船閘通航對水位的需求、持續(xù)下降的枯水位影響、砂卵石推移質(zhì)落淤出淺等航道問題，對此，2017和2018年度均開展了疏浚維護，在綜合考慮各因素影響下，開展蘆家河水道疏浚。

3)疏浚工程實施后，增加了淺區(qū)航槽深度，保證了2017和2018年度蘆家河水道4.5 m航深，工程實施后，枯水跌坎段水位大比降顯著減小，且分散轉(zhuǎn)移到上、下游相鄰河段。建議進一步結合上游水位以及本河段航深變化情況，在不影響上游水位的情況下，開展疏浚治理，改善水道枯水跌坎狀況，為長遠航道條件改善奠定基礎。