深槽護底帶對水位的影響*

朱玉德，李少希，劉鵬飛

(交通運輸部天津水運工程科學研究所，工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456)

三峽水庫蓄水后，上游來沙大量減少，導致壩下砂卵石河段河床灘槽不均勻沖刷下切。隨著河床沖刷的發(fā)展，沿程水位逐漸下降，河床沖刷與水位下降不同步的變化給航道帶來了兩方面問題：一是枯水位的下降導致船閘下引航道水深難以維持設(shè)計尺度；二是局部深泓高凸的卵石淺灘段航道條件因為水位降落而持續(xù)惡化。解決問題的關(guān)鍵在于抑制沖刷進而控制水位的下降。在護岸、護灘工程維持河段邊界穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，為了抑制沖刷、穩(wěn)定航道水位，相關(guān)部門還實施了修建潛壩、護底帶等措施?？傮w而言，護底帶較潛壩的壅水效果更優(yōu)，且由此帶來的局部流速、比降增大現(xiàn)象相對較小[1]。但護底帶通常修筑于抗沖能力強、橫豎向變動小的深水區(qū)，水流條件復雜，參數(shù)確定較為困難。本文通過七星臺深槽部位不同護底條件下的水位影響研究，為相關(guān)護底帶布置提供參考。

1 河段概況

長江中游枝江—江口河段處于三峽工程下游沙卵石河段末端，上游緊鄰蘆家河重點淺灘河段，下游為抗沖性較弱的沙質(zhì)河床，是長江中游最早受到三峽水庫蓄水影響的沙卵石河段之一[2]。由于三峽清水沖刷影響，壩下河段水位出現(xiàn)較大幅度下降，據(jù)統(tǒng)計，2014年度在三峽下泄流量5 600 m3/s條件下，宜昌水位僅39.17 m，低于控制目標39.19 m。同時由于枝江—江口河段河床質(zhì)差異，沿程沖刷不均勻、水位沿程降幅存在差異，枝江以上水位降幅較小，枝江—七星臺水位降幅沿程逐漸增大，下游七星臺—大埠街比降基本保持不變，曹家河—七星臺段比降增加，5 300 m3/s流量下曹家河—七星臺段2008、2010年比降分別增至1.1、1.4；加之三峽蓄水后柳條洲灘體面積急劇萎縮、灘體下移，灘形變狹長，吳家渡邊灘沖刷，柳條洲—吳家渡邊灘過渡段水淺、流急，航道條件惡化[3]。下游曹家河—七星臺一帶已成為控制上游水位下降的節(jié)點，若該處節(jié)點不控制，水位下降變化持續(xù)發(fā)展，將無法實現(xiàn)本河段規(guī)劃航道尺度。為了抑制該區(qū)域河床持續(xù)沖刷、維持枝江以上河段水位的穩(wěn)定，減少枝江以下水位的降幅，避免河床持續(xù)沖刷形成集中落差，荊江河段航道整治工程中，在七星臺深槽部位實施3道護底帶工程(圖1)。

圖1 七星臺護底帶平面布置

2 模型設(shè)計

2.1 模型設(shè)計及率定

1)為準確分析不同護底條件對水位變化的敏感性，模型采用幾何比尺較小的正態(tài)模型。研究河段河寬約1 500 m。選擇比尺為100的全河寬正態(tài)模型試驗場地，供水等條件較為困難，因此，采用大區(qū)域半江模型以克服模型建立中場地、供水等的限制。但選取的模型研究寬度須遠大于工程引起的流速變化區(qū)域，并確保選取區(qū)域內(nèi)水流大小和方向的相似。據(jù)數(shù)學模型計算，工程后右側(cè)護底頭部流速受工程影響區(qū)域不大于120 m，由此確定模型范圍橫向左側(cè)至七星臺深槽左岸、右側(cè)至吳家渡邊灘灘脊處，共0.7 km寬區(qū)域；縱向上至董家灣、下至阮家灣區(qū)域[4-6]。模型滿足如下相似關(guān)系:

(1)

(2)

(3)

式中：λl為水平比尺；λh為垂直比尺；λv為流速比尺；λQ為流量比尺;λn為阻力比尺。

2)模型為半江模型，左側(cè)按天然河岸地形控制水流流向；右側(cè)為一個流切面，根據(jù)數(shù)學模型計算流線方向、設(shè)置動邊界以控制各流量下模型流速方向，模型地形按實際地形模擬。試驗前據(jù)數(shù)學模型計算的模型進口流量、斷面流速分布、水位及邊界條件對模型進行率定，率定流量分別為5 300、8 750、12 500、35 000 m3/s；通過進口及邊緣活動邊界調(diào)整模型水流大小及流向，使局部正態(tài)模型與數(shù)學模型提供的水位、流速等能夠相似，滿足試驗要求。

2.2 試驗水文條件、試驗方案

依托七星臺深槽護底初步方案開展護底帶水位影響多組試驗研究，見表1。試驗選擇對河段最常出現(xiàn)、較不利的水動力條件，包括：三峽蓄水后常出現(xiàn)的洪水流量35 000 m3/s、三峽蓄水后多年平均流量12 500 m3/s、整治流量8 750 m3/s、設(shè)計流量5 300 m3/s。

表1 試驗方案

3 試驗結(jié)果分析

3.1 護底帶不同間距對水位影響

不同流量下護底帶間距變化與水位關(guān)系見圖2，分析可知：

1)流量、壓載厚度一定，護底帶壅水效果隨間距增加而增加，當護底帶間距達到某一距離時，護底帶上游水位壅高達到最大；若護底帶間距進一步增加，其壅水效果開始減弱。流量5 300 m3/s、壓載2 m條件下，當護底間距100 m時，工程上游最大壅水7.0 cm，約300 m時工程上游最大壅水8.2 cm，間距500 m時上游最大壅水6.1 cm。

2)壓載厚度一定、護底帶阻水面積不變條件下，隨著流量增加，護底帶壅水效果最佳時的護底間距也逐漸增大；當來水超過某一流量級時，護底帶壅水效果逐漸減弱，護底帶間距的調(diào)整對壅水的作用已不明顯。

3)壓載厚度一定，護底上游的壅水高度隨著流量的增大而減小。小流量時護底帶淹沒深度小，對縱向水面線的影響要大；大流量時護底帶淹沒深度大，對縱向水面線的影響略小。

圖2 護底帶間距與水位關(guān)系

3.2 護底帶不同壓載厚度對水位的影響

與平整床面相比，護底帶人為造成了河床床面凸起，使得相同流量與相同出口水位的水面線抬高，工程區(qū)發(fā)生壅水；水流越過工程區(qū)后，過水斷面擴大，水位跌落，距離最后一條護底帶下游約200 m左右水位降至最低，之后逐漸恢復。流量相同、護底間距一定的條件下，護底是否壓載及壓載厚度對工程區(qū)水位產(chǎn)生明顯影響，壓載體厚的護底帶沿程水面線變化幅度要明顯大于壓載體薄的護底，同一流量不同壓載厚度下護底帶對縱向水面線影響趨勢基本相似，但壓載較厚的護底更容易導致深槽航道流態(tài)趨差，對航行安全帶來影響。由圖3可知，5 300 m3/s流量下，壓載厚度為3 m時，工程區(qū)域最大壅水高度達10 cm；壓載厚度為2 m時，工程區(qū)域最大壅水高度為8 cm。

圖3 流量5 300 m3/s護底不同壓載厚度下工程區(qū)域水面線變化

3.3 護底帶最佳間距

護底帶不同間距、不同壓載厚度的試驗表明：護底帶對上游水位的影響與護底帶間距、護底帶阻水面積、來流量等有關(guān)；同一流量情況下，隨護底帶壓載厚度的增加，護底帶壅水效果最佳間距也逐漸增大。圖4表明：七星臺深槽護底在壓載厚度為2 m、設(shè)計流量下(5 300 m3/s)護底帶平面間距應優(yōu)化至300～340 m較為合理。

圖4 流量5 300 m3/m下護底帶間距、高度變化與水位關(guān)系

(4)

式中：L為最佳護間距；v0為建前流速。

通過式(4)計算得到：江口七星臺深槽護底帶設(shè)計護底帶壓載厚度2 m條件下最優(yōu)間距為325 m。

4 護底帶對水位下降溯源傳遞的影響

護底帶對下游水位降落敏感性研究以護底帶排上拋石壓載2 m、間距為325 m方案為基礎(chǔ)，模擬下游水位降落0.3、0.5、1、1.5 m條件下有、無護底帶沿程水位變化情況，見圖5。研究表明：

1)相同流量、無護底條件下，若下游水位降落，則七星臺深槽沿程水位普遍降落，且沿程降落幅度基本一致；護底工程實施后若下游水位降落相同值，則工程區(qū)及上游沿程水位降落幅度明顯減小。5 300 m3/s流量、下游水位分別降落0.3、0.5、1.0、1.5 m時，無護底條件下試驗段上邊界水位分別降落0.29、0.48、0.95、1.45 m，而護底后試驗段上邊界水位分別降落0.252、0.427、0.889、1.377 m；12 500 m3/s流量、下游水位降落條件下，有、無護底時沿程水位變化趨勢與5 300 m3/s流量下基本一致。據(jù)此可知，護底帶對下游水位降低向上游傳遞具有明顯減弱效果。

2)相同流量不同出口水位條件下，同一床面凸起高度抬升水位的幅度不同。出口控制水位越低、水深越小，水位抬升幅度越大，且水位抬升幅度隨出口控制水位的變化存在突變。不同流量條件下，相同出口水位時床面凸起使得水位抬升的幅度不同，流量越大，則抬升幅度越大，且不同流量下水位抬升幅度隨出口控制水位的變化轉(zhuǎn)折點也不同。由上述分析可知，護底帶工程的影響，產(chǎn)生了形態(tài)阻力，從而增大糙率，引起水面線的變化。

3)河床凸起也會影響到出口水位下降的溯源傳遞特性。同理可以分析，相同的流量和出口水位下，床面凸起較床面平整溯源傳遞的范圍應該要小，且相同水位測站的水位降幅減小。換句話說，河床凸起本身將使上游水位受下游出口水位下降的影響程度變小，河床凸起抑制了下游侵蝕基準面降低的溯源傳遞，包括傳遞范圍和幅度。

圖5 下游水位不同降落幅度時工程區(qū)沿程水位變化

5 結(jié)論

1)采用局部正態(tài)模型，依托七星臺深槽護底初步方案，通過研究護底帶壅水效果與間距、高度的關(guān)系，提出了條形深水護底帶壅水的影響規(guī)律。

3)護底帶對水位下降溯源傳遞的影響研究表明：護底對下游水位降低向上游傳遞具有明顯減

弱效果，原因是由于護底增加了河床形態(tài)阻力、河床糙率，從而引起水面線的不均勻變化，即人為的河床凸起改變了自然水位下降的溯源傳遞特性；另一方面護底能較好地抑制河床沖刷下切，兩方面的綜合作用使護底成為維持河段水位穩(wěn)定、減少水位降幅、避免形成集中比降的有效措施。