岷江下游霸王灘灘險(xiǎn)整治技術(shù)

何 熙，張有林，李順超，謝玉杰

(四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610017)

1 灘險(xiǎn)概況及礙航特性

1.1 灘險(xiǎn)概況

岷江下游霸王灘位于真溪鎮(zhèn)上游約3 km處，河道呈“S”形，上游為斑竹林灘，下游接崗子坪灘，霸王灘與斑竹林灘右岸為一處大邊灘，邊灘中部存在串溝，枯水期串溝不過(guò)流，中水期有一定分流能力，洪水期水流漫過(guò)部分邊灘，整個(gè)河道流線走直，霸王灘左岸為另一邊灘，但近年來(lái)受挖砂采石影響，邊灘左岸形成兩處串溝，通過(guò)近幾年地形觀測(cè)及地方航道部門反映，該處串溝有繼續(xù)發(fā)育的趨勢(shì)。該灘洪中枯河面寬度變化較大，現(xiàn)有航線依托上游斑竹林灘左岸主槽，至黃天壩尾部水流向右發(fā)生偏轉(zhuǎn)沖向右岸，航道彎曲半徑小，航槽內(nèi)長(zhǎng)達(dá)1.3 km范圍內(nèi)水深不滿足最小航深2.4 m的要求，該灘灘口位置流速大、比降陡且伴有漏浩水，航行條件較為惡劣。同時(shí)該段航道彎曲半徑小，上下游通視條件較差，在黃天壩處一直存在信號(hào)臺(tái)控制上下游船舶航行。霸王灘河勢(shì)見(jiàn)圖1。

圖1 霸王灘河勢(shì)

1.2 水文泥沙

岷江下游河段受兩岸地形的約束，河床寬窄相間。洪枯水水位變幅大，最高與最低通航水位相差14.19 m，流量年內(nèi)分配不均勻。河道比降陡、流速大，平均比降約0.55‰?？菟跒╇U(xiǎn)平均流速2 m/s左右，急流灘險(xiǎn)流速可達(dá)4 m/s，中洪水期隨著水位上漲，流速逐漸增大，最大流速可達(dá)6 m/s。汊道及邊灘發(fā)育，洪水期來(lái)沙易在寬闊段落淤沉積，形成邊灘或心洲，形成兩汊或多汊，水流分散，導(dǎo)致通航汊道內(nèi)水深不足。該段河道受人類活動(dòng)影響大，人為挖砂采石造成航道內(nèi)水流散、亂、淺，部分河道形成深沱造成局部跌水。龍溪口等樞紐建設(shè)前，大渡河、青衣江水電站調(diào)峰、調(diào)頻，下泄流量不均勻，變幅較大，改變了水動(dòng)力條件和泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律，進(jìn)而影響航道穩(wěn)定。岷江高場(chǎng)水文站位于霸王灘下游約14.6 km，上游紫坪鋪蓄水發(fā)電以后，汛期平均流量為0.4萬(wàn)m3/s，最大日均流量達(dá)1.74萬(wàn)m3/s；懸移質(zhì)多年平均輸沙量為2 330萬(wàn)t，多年平均含沙量0.319 kg/m3,霸王灘推移質(zhì)中值粒徑為55 mm，河床質(zhì)以卵石夾細(xì)砂為主，霸王灘泥沙粒徑累計(jì)頻率分布曲線見(jiàn)圖2。

圖2 霸王灘泥沙粒徑累計(jì)頻率分布曲線

1.3 灘性分析及礙航特性

在灘險(xiǎn)整治之前，應(yīng)對(duì)霸王灘灘性進(jìn)行分析，了解該灘成灘、兇灘以及消灘的各項(xiàng)指標(biāo)以及成灘緣由和礙航特性，在此基礎(chǔ)上給出較為合理的整治措施[1]。霸王灘灘上、下水位差隨流量的變化關(guān)系見(jiàn)圖3。設(shè)計(jì)最小通航流量至整治流量時(shí)灘段水位落差逐漸增大，當(dāng)大于整治流量時(shí)，灘段水面落差隨流量增大逐漸減小，其主要原因在于枯水期水流集中于枯水航槽內(nèi)，水位抬高后，水流漫過(guò)部分邊灘，河面展寬，水面比降逐漸減緩。設(shè)計(jì)最小通航流量下，該灘規(guī)劃航槽內(nèi)長(zhǎng)約1.3 km段存在水深不滿足最小航深2.4 m要求，最小水深僅0.9 m，該灘比降在0～3.47‰，平均比降為1.09‰，航槽內(nèi)流速在1.03～3.26 m/s；整治流量下，該灘比降在0～3.01‰，平均比降為1.19‰，航槽內(nèi)流速在2.07～4.09 m/s；汛期平均流量下，該灘比降在0～3.16‰，平均比降為1.00‰，航槽內(nèi)流速在2.96～4.48 m/s；中洪水流量下，該灘比降在0～2.84‰，平均比降為0.73‰，航槽內(nèi)流速在1.22～4.58 m/s；年最大流量平均值工況下，該灘比降在0～1.71‰，平均比降為0.46‰，航槽內(nèi)流速在0.80～3.64 m/s；最大日均流量下，該灘比降在0～0.94‰，平均比降為0.23‰，航槽內(nèi)流速在0.20～3.24 m/s；最大通航流量下，該灘比降在0～0.74‰之間，平均比降為0.19‰，航槽內(nèi)流速在0.34～2.96 m/s。該灘礙航特性主要表現(xiàn)為：灘口段比降陡、流速大，串溝發(fā)育后漏浩水旺盛，整個(gè)灘段航線曲折，彎曲半徑小，通視條件差。除此之外由于該灘洪、中、枯3級(jí)流量下水動(dòng)力軸線擺幅較大，易在洪水期發(fā)生周期性淤積，退水期若沖刷能力不足，航槽極易落淤出淺。

圖3 霸王灘上下游水位差-流量關(guān)系

1.4 航道整治標(biāo)準(zhǔn)

本段航道等級(jí)為內(nèi)河Ⅲ級(jí)，航道尺度為500 m×60 m×2.4 m(彎曲半徑×寬度×水深)，設(shè)計(jì)代表船型為1 000噸級(jí)機(jī)動(dòng)駁以及2×1 000噸級(jí)分節(jié)駁船隊(duì)。根據(jù)岷江現(xiàn)有船舶資料，按照茲萬(wàn)科夫公式計(jì)算[2-3]，并結(jié)合岷江自身特點(diǎn)和船型進(jìn)行適當(dāng)修正得到上水通航標(biāo)準(zhǔn)：水面比降為0.5‰、1‰、2‰、3‰、4‰時(shí)對(duì)應(yīng)的流速分別為3.9、3.8、3.5、3.2、3.0 m/s。

2 模型建立與驗(yàn)證

2.1 模型建立

采用2017年4月實(shí)測(cè)地形資料建立平面二維水流數(shù)學(xué)模型。利用貼體正交曲線網(wǎng)格可通過(guò)坐標(biāo)變換將研究區(qū)域不規(guī)則的邊緣部分修正為規(guī)則的邊界[4]。將不規(guī)則區(qū)域坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為正交曲面坐標(biāo)ε=ε(x,y)，η=η(x,y)。垂向上引入σ坐標(biāo)系，其定義如下：

(1)

式中：z為物理空間上的垂直坐標(biāo)；d為參考面z=σ以下的水深；ε為參考平面z=σ以上的水位；H為水深，H=d+ε。

主要控制方程如下：

(2)

(3)

(4)

模型范圍選取上考慮下游崗子坪灘方案實(shí)施后可能對(duì)上游造成一定影響，因此將崗子坪灘方案納入研究范圍內(nèi)同時(shí)結(jié)合研究河段河勢(shì)，最終模型上起蕨溪鎮(zhèn)，下至屏山鎮(zhèn)岷江大橋15#臨時(shí)水尺，全長(zhǎng)15 km，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)目為22.5萬(wàn)個(gè)，其中水流方向網(wǎng)格間距3～35 m，垂直水流方向網(wǎng)格間距2～10 m，其中工程區(qū)河道內(nèi)網(wǎng)格加密處理。

2.2 模型驗(yàn)證

模型采用實(shí)測(cè)枯水流量Q=1 020 m3/s、中水流量Q=3 764 m3/s與洪水流量Q=10 800 m3/s時(shí)的沿程7個(gè)水位測(cè)點(diǎn)開展水位驗(yàn)證。采用實(shí)測(cè)枯水流量下4個(gè)測(cè)流斷面，中水流量下4個(gè)測(cè)流斷面以及洪水流量下2個(gè)測(cè)流斷面開展斷面流速分布驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，水位、斷面流速分布以及分流比精度均符合JTS/T 231-4—2018《內(nèi)河航道與港口水流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》的要求。

3 航道整治方案

3.1 設(shè)計(jì)方案

霸王灘設(shè)計(jì)方案1為河心方案，依托現(xiàn)有深槽布置航線，從斑竹林灘開始以右岸黃天壩和左岸江心洲為節(jié)點(diǎn)規(guī)劃整治線，經(jīng)斑竹林左側(cè)江心洲后以左岸為主導(dǎo)河岸，蠻洞溪山地岸坡為節(jié)點(diǎn)往下規(guī)劃整治線，到霸王灘上口以霸王灘左岸邊灘外側(cè)為節(jié)點(diǎn)，整治線在此偏轉(zhuǎn)，之后整治線依托黃天壩邊灘外側(cè)規(guī)劃，到喳口石灘下口以右岸基巖岸坡為節(jié)點(diǎn)，并順應(yīng)河勢(shì)整治線沿右岸岸坡繼續(xù)向下規(guī)劃。設(shè)計(jì)方案1在黃天壩左岸布置1座丁壩，一方面封堵漏浩，另一方面起到促淤固灘的作用。霸王灘心灘灘頭布置1座順壩，調(diào)整水流進(jìn)入主槽，同時(shí)抑制串溝繼續(xù)發(fā)展。灘中段布置1座長(zhǎng)導(dǎo)流順壩，穩(wěn)定右岸邊灘，調(diào)整水流，改善彎曲半徑。上述壩體整治高度均采用設(shè)計(jì)水位上1.5 m。同時(shí)對(duì)規(guī)劃航槽內(nèi)不滿足最小航深2.4 m的區(qū)域浚深，疏浚底高程為設(shè)計(jì)水位以下2.8 m。對(duì)灘尾左岸實(shí)施切嘴，平順?biāo)?，消除由突嘴引起的挑流現(xiàn)象。設(shè)計(jì)方案1平面布置見(jiàn)圖4a)。

設(shè)計(jì)方案2為沿邊灘方案，該方案充分考慮該灘段彎曲半徑小，上下行船舶航行安全的角度。設(shè)計(jì)方案2將設(shè)計(jì)方案1左岸灘頭的順壩改為2座丁壩，以調(diào)整水流進(jìn)入主槽，灘中段布置1座順壩同時(shí)順壩后側(cè)增加3座格壩以此增強(qiáng)順壩整體穩(wěn)定性。上述壩體整治高度為設(shè)計(jì)水位上1.5 m。同時(shí)對(duì)規(guī)劃航槽內(nèi)不滿足最小航深2.4 m的區(qū)域浚深，疏浚底高程為設(shè)計(jì)水位以下2.8 m。設(shè)計(jì)方案2平面布置見(jiàn)圖4b)。

圖4 霸王灘設(shè)計(jì)方案平面布置

3.2 設(shè)計(jì)方案水流條件

對(duì)于山區(qū)河流航道整治方案實(shí)施后，需要關(guān)注航道水深以及通航水流條件的改善情況，對(duì)于急流灘還需要關(guān)注整治實(shí)施后是否消灘；另一方面需要關(guān)注挖槽區(qū)汛后推移質(zhì)回淤問(wèn)題，為使挖槽穩(wěn)定，一般要求方案實(shí)施后整治流量時(shí)挖槽區(qū)流速為1.1～1.3倍推移質(zhì)臨界起動(dòng)流速[5]，目前對(duì)川江推移質(zhì)臨界起動(dòng)流速的研究表明，沙莫夫公式計(jì)算結(jié)果較為合理，考慮到岷江下段泥沙輸移與川江較為相似，因此選取沙莫夫公式計(jì)算推移質(zhì)臨界起動(dòng)流速[6]。綜上所述，將從以上整治原則出發(fā)對(duì)各方案進(jìn)行分析論述。

設(shè)計(jì)方案1實(shí)施后航槽內(nèi)通航水流條件改善明顯，斷面流速分布較為均勻，不良流態(tài)得到改善，同時(shí)左岸丁壩以及右岸洲頭壩修建后，漏浩水基本消除。設(shè)計(jì)流量下，受左岸丁壩封堵漏浩的影響，灘頭水位有所壅高。灘中下段受長(zhǎng)挖槽影響水位有所降落，最大降落值為0.43 m，航槽內(nèi)滿足設(shè)計(jì)最小航深2.4 m的要求，灘段比降在0～3.76‰，流速在1.12～3.49 m/s。整治流量下，設(shè)計(jì)方案1實(shí)施后主汊分流比較天然情況下的71.3%增加了15.6%，總體來(lái)說(shuō)，水流進(jìn)入主槽后沖刷能力加強(qiáng)，航槽能保持相對(duì)穩(wěn)定。該工況下左岸丁壩上游最大水位壅高值為0.18 m，中下段水位最大降落值為0.49 m，灘段比降在0～4.72‰，流速在2.11～4.08 m/s，挖槽區(qū)平均流速在3.39 m/s。中洪水流量下，左岸丁壩上游最大水位壅高值為0.06 m，中下段水位最大降落值為0.09 m，灘段比降在0～1.79‰，流速在1.72～4.19 m/s。中洪水流量至最大通航流量下，灘段水位及流速變化逐漸減小，基本可忽略。但設(shè)計(jì)方案1實(shí)施后，在整治流量下，挖槽入口段出現(xiàn)約400 m范圍流速、比降超出限制，流速、比降最不利組合為3.70 m/s、4.72‰，不滿足船舶自航上灘要求。

設(shè)計(jì)方案2實(shí)施后航槽內(nèi)通航水流條件得到一定改善。與設(shè)計(jì)方案1相似，左岸丁壩以及右岸洲頭壩修建后，漏浩水基本消除，但設(shè)計(jì)方案1中洲頭壩方案灘頭流態(tài)更加平順。設(shè)計(jì)流量下，受左岸丁壩封堵漏浩的影響，灘頭水位有所壅高。右岸兩根丁壩將枯水期流量完全調(diào)整至主槽內(nèi)，灘中段受長(zhǎng)挖槽影響水位有所降落，最大降落值為0.16 m，灘下段順壩束窄較劇烈，水位有所抬升，水位最大壅高值為0.30 m，航槽內(nèi)水深滿足設(shè)計(jì)最小航深2.4 m的要求，灘段比降在0～3.90‰，流速在0.72～3.34 m/s。整治流量下，整個(gè)航槽內(nèi)水位均有所抬升最大壅高值為0.76 m，灘段比降在0～4.13‰，流速在1.44～4.60 m/s，挖槽區(qū)平均流速在3.69 m/s。中洪水流量下，整個(gè)航槽內(nèi)水位均有所抬升，最大壅高值為0.16 m，流速在2.30～4.26 m/s。中洪水流量至最大通航流量下，灘段水位及流速變化逐漸減小，基本可忽略。但設(shè)計(jì)方案2實(shí)施后，在整治流量下，順壩束窄航槽較劇烈段導(dǎo)致挖槽出口段出現(xiàn)約540 m范圍流速比降超出限制，流速、比降最不利組合為4.60 m/s、3.75‰，不滿足船舶自航上灘要求。

3.3 修改方案的水流條件

1)針對(duì)霸王灘設(shè)計(jì)方案1存在的問(wèn)題，在設(shè)計(jì)方案1基礎(chǔ)上提出修改方案1-1及1-2。修改方案1-1對(duì)存在大流速、比降組合區(qū)域內(nèi)航槽進(jìn)行拓寬，考慮主流貼左岸，故對(duì)挖槽入口段左岸進(jìn)行斷面拓寬40 m，同時(shí)考慮到整治流量下，受左岸丁壩封堵，導(dǎo)致水流完全從挖槽入口位置進(jìn)入航槽，因此調(diào)整該丁壩整治高度至設(shè)計(jì)水位上1.0 m。修改方案1-2在1-1基礎(chǔ)上進(jìn)一步探討了右岸順壩長(zhǎng)度影響。

①修改方案1-1實(shí)施后，挖槽入口段流速減小，水面比降得到調(diào)整，流速、比降最不利組合為3.02 m/s、3.22‰，滿足船舶自航上灘要求。整治流量下，挖槽區(qū)域內(nèi)流速基本在推移質(zhì)臨界起動(dòng)流速的1.1～1.3倍范圍內(nèi)，航槽基本保持穩(wěn)定。

②修改方案1-2在1-1基礎(chǔ)上對(duì)現(xiàn)有順壩長(zhǎng)度縮短120 m以及增加240 m兩種情況加以研究。壩體縮短方案實(shí)施后，設(shè)計(jì)流量下，上游水位有所降落，最大降落值為0.02 m，最大流速增加值為0.02 m/s，下游流速最大減小值為0.07 m/s；整治流量下，上游水位最大降落值為0.03 m，流速最大增加值為0.04 m/s，下游流速最大減小值為0.13 m/s。壩體加長(zhǎng)方案實(shí)施后，設(shè)計(jì)流量下，上游水位有所降落，最大壅高值為0.02 m，最大流速減小值為0.02 m/s，下游流速最大增加值為0.12 m/s；整治流量下，上游水位最大壅高值為0.03 m，流速最大減小值為0.04 m/s，下游流速最大增加值為0.18 m/s。總體來(lái)說(shuō)，順壩長(zhǎng)度調(diào)整方案對(duì)調(diào)整該灘水位、比降以及流速作用較為有限，但考慮該灘整治后航槽內(nèi)流速有所增加，設(shè)計(jì)方案1的順壩對(duì)黃天壩岸坡穩(wěn)定起到一定保護(hù)作用，因此維持設(shè)計(jì)方案1的壩體長(zhǎng)度。

2)修改方案2-1在設(shè)計(jì)方案2基礎(chǔ)上對(duì)邊灘側(cè)航槽拓寬，加寬段挖槽底高程為設(shè)計(jì)水位下2.0 m，同時(shí)對(duì)左岸丁壩整治高度調(diào)整至設(shè)計(jì)水位上1.0 m。

修改方案2-1實(shí)施后，挖槽中下段流速有所減小，水面比降得到調(diào)整，流速、比降最不利組合為3.29 m/s、2.79‰，但該方案實(shí)施后，上游水面有明顯降落，挖槽上段出現(xiàn)300 m范圍內(nèi)水深不滿足最小航深2.4 m的要求。

3.4 方案比選

各方案實(shí)施后水流條件均有明顯改善，但修改方案2-1實(shí)施后，挖槽上段存在不滿足最小航深的區(qū)域，設(shè)計(jì)方案1和2均存在不滿足船舶自航上灘的急流段，對(duì)于修改方案1-2，順壩加長(zhǎng)方案對(duì)調(diào)整該灘比降以及減小流速的作用并不顯著，修改方案1-1依托現(xiàn)有深槽，雖然較設(shè)計(jì)方案2航道彎曲半徑小，但左岸順壩受黃天壩灘體掩護(hù)，整體穩(wěn)定性較好，其次修改方案1-1工程量較其他方案小，同時(shí)該方案實(shí)施后挖槽穩(wěn)定性較好。因此綜合各方案的論述分析，選擇修改方案1-1為推薦方案。整治流量下修改方案1-1及2-1工程前后流速矢量圖見(jiàn)圖5。

圖5 整治流量工況下工程前后流場(chǎng)對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

1)對(duì)于山區(qū)強(qiáng)彎河流，由于洪中枯3級(jí)流量下水動(dòng)力軸線擺動(dòng)較大，洪水期易發(fā)生周期性落淤，若退水期航槽內(nèi)沖刷能力較弱，極易出淺。通過(guò)筑壩束窄枯水期河床的方法增強(qiáng)航槽沖刷能力的同時(shí)，應(yīng)考慮其對(duì)船舶自航上灘的影響。

2)對(duì)于山區(qū)河流枯水淺、急灘且存在長(zhǎng)挖槽的灘險(xiǎn)，往往挖槽實(shí)施后，枯水期水流集中在枯水航槽內(nèi)，易在挖槽進(jìn)、出口段出現(xiàn)流速、比降超過(guò)船舶自航上灘限值的區(qū)域。針對(duì)上述情況一般可采取拓寬挖槽范圍、筑壩壅水、調(diào)整分流比等方法減緩急流區(qū)流速。但對(duì)于挖槽出口段出現(xiàn)急流區(qū)，通過(guò)拓寬主流區(qū)一側(cè)的挖槽區(qū)域的方法可能會(huì)導(dǎo)致上游水位降落過(guò)多而引起出淺或者引起上游水位降落后流速、比降超過(guò)船舶自航上灘限值而形成新的急流區(qū)，因此對(duì)于上述情況，宜采用復(fù)式斷面的開挖方式，充分考慮上下游聯(lián)動(dòng)效應(yīng)，避免上游出現(xiàn)新的淺灘或急流灘。