西江長洲水利樞紐至界首河段航道礙航分析及整治措施

劉臨雄,李俊娜,黃文輝

(1.廣西壯族自治區(qū)梧州航道養(yǎng)護(hù)中心，廣西 梧州 543002；2.中鐵建港航局集團(tuán)勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 511442)

近年來，長洲樞紐壩下河段由于河床下切水位下降，枯水期航道水深不足，運(yùn)輸船舶需要減載航行，已經(jīng)成為西江航運(yùn)發(fā)展的瓶頸。隨著珠江—西江經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)的深入開展，迫切需要對(duì)航道進(jìn)行擴(kuò)能升級(jí)。長江中游近壩段采取減淤、防沖、加糙的整治措施[1]，廣東北江白石窯樞紐下游采用挖槽為主、輔以筑壩、優(yōu)化整治線型和穩(wěn)定邊灘、穩(wěn)定航槽的措施[2]。工程技術(shù)人員根據(jù)2013年前的資料對(duì)長洲水利樞紐近壩段河床下切問題進(jìn)行研究[3-5]，對(duì)設(shè)計(jì)最低通航水位進(jìn)行分析[6-7]。本文在收集2013年前及近年來相關(guān)研究資料的基礎(chǔ)上，采用2010—2019年實(shí)測的水文、地形等資料對(duì)工程河段進(jìn)行水文特性和河床演變分析，結(jié)合平面二維水流數(shù)學(xué)模型對(duì)航道整治方案進(jìn)行研究，提出疏浚炸礁、回填深槽、調(diào)順航線相結(jié)合的整治措施，工程實(shí)施后改善了航道通航條件。

1 灘險(xiǎn)概況

1.1 自然條件

西江長洲水利樞紐至界首河段長約24 km，從上游至下游依次為龍圩水道、洗馬灘、雞籠洲灘和界首灘，在洗馬灘尾有支流桂江匯入。龍圩水道自船閘下引航道出口起至長洲尾，全長約7.8 km，在龍圩水道河段，長洲島和泗化洲將潯江分為外江、中江和內(nèi)江，長洲水利樞紐一～四線船閘位于外江的右岸，下引航道出口與外江主航道連接。進(jìn)入泗化洲尾以后，中江與外江匯合，河面放寬到900 m,再往下游航道左側(cè)有瓦窯沙邊灘，河面逐步收縮，枯水期河面寬度400～500 m；上段有西江三橋，下段有西江大橋。洗馬灘從長洲尾至桂江河口，全長約4.0 km，外江進(jìn)入長洲尾后與內(nèi)江匯合形成單一河槽，河面寬度為800～900 m，中段有西江四橋。桂江河口以下有雞籠洲灘和界首灘，長度約11 km，河面寬度550～1 100 m，在雞籠洲灘上段有云龍大橋，右岸有中儲(chǔ)糧碼頭、紫金村綜合碼頭，在中段的左岸有李家莊碼頭，在尾段有環(huán)城高速公路橋。長洲樞紐至界首河段兩岸為丘陵，河岸主要由黏土、石灰?guī)r、沙巖組成，具有較強(qiáng)的抗沖能力。河床面為厚度不一的砂卵石覆蓋，基床為砂巖或花崗巖，個(gè)別河段床面上基巖露出，多年觀測表明河岸穩(wěn)定。

1.2 來水

長洲水利樞紐至桂江河口河段為潯江，潯江到梧州與桂江支流匯合后稱西江，在桂江河口下游1.74 km的西江河段有梧州水文站，是本河段的控制性水文站。梧州水文站集雨面積32.70萬km2,根據(jù)梧州水文站1980—2018年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，歷史最大流量為5.39萬 m3/s(2005年)，最小流量為656 m3/s(2009年)，多年年平均流量為6 473 m3/s。最高水位27.48 m(2005年)，最低水位1.38 m(2012年)。

1.3 來沙

西江干流長洲水利樞紐至界首河段為少沙河段，以懸移質(zhì)輸沙為主。泥沙主要由上游徑流挾帶而來，一般情況下輸沙量的大小由徑流量和含沙量決定，總體上呈現(xiàn)出流量大泥沙量也大的特點(diǎn)。

根據(jù)梧州水文站1954—2011年的統(tǒng)計(jì)資料，年輸沙量最大為1.4億t/a(1968、1983年)，最小為0.13億t/a(2003年)，平均含沙量最大為0.57 kg/m3(1983年)，最小為0.091 kg/m3(2009年),含沙量大小變化大致分為3個(gè)階段，1954—1992年都在0.25～0.57 kg/m3(1963年除外)，1993—2002年在0.15～0.25 kg/m3(1999年除外)，2003年以后都在0.15 kg/m3以下，并且呈下降趨勢。

2 航道現(xiàn)狀及主要礙航情況

2.1 航道現(xiàn)狀

西江航運(yùn)干線貴港至梧州Ⅱ級(jí)航道工程已于2009年底建成并交付運(yùn)行，設(shè)計(jì)航道尺寸為80 m×3.5 m×550 m(寬×水深×彎曲半徑)，按照通航2 000噸級(jí)內(nèi)河船舶標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)。長洲樞紐至界首河段航道整治，設(shè)計(jì)航道線總體上按枯水期主流進(jìn)行布置，在原來1 000噸級(jí)航道的基礎(chǔ)上拓寬浚深，疏浚和炸除航道內(nèi)水深不足3.8 m的區(qū)域，同時(shí)在西江大橋上、下游龍圩水道航道左側(cè)新建5條丁壩，集中水流束水沖沙，在長洲尾筑1條順壩，調(diào)順長洲尾河段水流，改善了航道通航條件。

2.2 當(dāng)前主要礙航情況

近年來，由于長洲壩下河段出現(xiàn)河床下切、水位下降，枯水期航道水深不足，運(yùn)輸船舶需要減載航行，船舶配載吃水一般為2.0～2.5 m，減載量40%～50%；另一方面，由于航運(yùn)發(fā)展迅速，船舶航行密度大，原有的航道寬度已經(jīng)不能滿足要求，運(yùn)輸船舶容易在西江大橋至長洲尾河段、雞籠洲灘李家莊碼頭對(duì)開河段發(fā)生偏航觸礁擱淺，給航運(yùn)發(fā)展帶來不利影響。

3 礙航分析

3.1 河床沖淤變化

根據(jù)對(duì)2010年3月、2013年5月、2018年3月、2019年3月測量的水下地形圖的分析結(jié)果可知，河道以沖刷下切為主。

3.1.1過水?dāng)嗝娴淖兓?/p>

龍圩水道入口至桂江河口河段呈現(xiàn)普遍沖刷的情況，其中長洲樞紐船閘引航道口門區(qū)、西江三橋和西江四橋橋區(qū)河床變化比較明顯，沖刷深度為2.0～3.0 m，應(yīng)為船閘工程、橋梁工程建設(shè)疏浚所致；在長洲尾至西江四橋河段，平均沖刷深度0.78～1.40 m，河道右岸的高旺沙至火山渡口一帶邊灘普遍下切，原來的沙灘基本消失；其他大部分河段平均沖刷深度在1.0 m以內(nèi)。桂江河口至界首河段總體呈現(xiàn)普遍沖刷的情況，其中桂江河口至雞籠洲頭河段以及界首灘河段沖刷明顯，沖刷深度2.0～3.0 m，云龍橋橋區(qū)河段最大沖刷深度超過5.0 m；雞籠洲頭航道右側(cè)局部出現(xiàn)淤積，應(yīng)為Ⅱ級(jí)航道施工時(shí)拋卸廢碴所致；界首灘航道右側(cè)的邊灘，上段范圍略有縮小，下段邊灘略有淤積，高程有所增加；其他大部分河段平均沖刷深度在1.0 m以內(nèi)?？傮w來說，龍圩水道、洗馬灘、雞籠洲灘和界首灘，大部分區(qū)域沖深幅度都在1.0 m以內(nèi)，表明河床抗沖能力較強(qiáng)。

3.1.2航槽的沖淤變化

從龍圩水道入口至西江大橋河段，除西江三橋下游航槽右側(cè)有少量淤積外，其余航槽普遍沖刷，航道平均沖刷深度為0.07～0.94 m；西江大橋至長洲尾河段，由于2008年在航道左側(cè)的長洲邊建了丁壩并且在洲尾建了一條順壩，水流集中沖刷能力增強(qiáng)，西江大橋至長洲尾河段航槽平均沖刷深度1.21～1.87 m，洗馬灘中段由于水流動(dòng)力減弱，平均沖刷深度為0.86 m。桂江河口至云龍橋河段，航槽沖刷明顯，沖刷深度為1.92～ 3.94 m，應(yīng)為長洲三、四線船閘下游錨地開挖擾動(dòng)與洪水沖刷所致；雞籠洲灘河段，從雞籠洲灘頭至扶典沖口，航槽平均沖深0.29～0.98 m；界首河段航槽平均沖刷深度2.07～2.11 m?？傮w上來說，航槽沖刷深度沿程呈起伏變化且差異較大，其中西江大橋至長洲尾河段航槽沖刷深度1.2～1.9 m，桂江河口至云龍橋和界首灘河段沖刷變化較大，沖刷深度在1.90 m以上，最大的達(dá)到3.94 m，龍圩水道、洗馬灘中段、雞籠洲河段大部分航槽沖刷變化較小，沖刷深度在1.0 m以內(nèi)。

3.2 水位下降明顯

前文分析長洲水利樞紐至界首河段河床以下切為主，同時(shí)界首以下西江廣東段完成大規(guī)模航道升級(jí)整治后水深大幅改善，造成相同流量下，研究河段水位下降明顯。根據(jù)2018年10月1日—2019年9月30日對(duì)梧州水文站每天8:00的流量和水位資料以及各特征斷面水尺觀測資料進(jìn)行分析，建立水位-流量關(guān)系曲線和特征斷面水尺與梧州水文站水位相關(guān)關(guān)系，推算梧州水文站流量1 140 m3/s時(shí)相應(yīng)水位。各特征斷面推算水位與貴梧2 000噸級(jí)航道設(shè)計(jì)最低通航水位比較見表1。

表1 特征斷面推算水位與貴梧2 000噸級(jí)航道設(shè)計(jì)最低通航水位 m

從表1可知，當(dāng)梧州水文站流量為1 140 m3/s時(shí)，各特征斷面水位下降值為1.51～1.76 m。由于水位下降的幅度大于部分淺灘航槽的沖刷深度，枯水期龍圩水道、洗馬灘中段、雞籠洲灘局部的航道水深僅為2.0～2.3 m。

3.3 局部流態(tài)不良

近年來,該河段船舶偏航擱淺大部分發(fā)生在西江大橋下游至長洲尾、雞籠洲航道轉(zhuǎn)彎處。根據(jù)2019年2—3月該河段表面流速和流向線實(shí)測資料分析，在西江大橋下游轉(zhuǎn)彎段和雞籠洲河段，航道內(nèi)存在橫流情況，西江大橋下游段航道內(nèi)橫向流速為0.3～0.4 m/s，雞籠洲河段航道內(nèi)橫向流速為0.2～0.3 m/s，這是運(yùn)輸船舶航行容易發(fā)生偏航的主要原因。

3.4 航道寬度不能滿足船舶通航需要

除橋區(qū)航道以外，長洲水利樞紐至界首河段航道寬度為80～160 m，航道外有零星礁石。在龍圩水道下段西江大橋至長洲尾段，航道寬度僅為80 m；在雞籠洲灘河段航道寬度為120 m。由于靠近長洲船閘，船舶集中進(jìn)出閘，經(jīng)常出現(xiàn)3艘甚至4艘船舶對(duì)遇的情況，航道寬度不足。

3.5 部分碼頭距離主航道比較近影響通航

在該河段內(nèi)有龍圩新港碼頭，雞籠洲河段左岸有李家莊碼頭，右岸有中儲(chǔ)糧碼頭和紫金村碼頭。特別是李家莊碼頭距離主航道比較近，等待裝卸的船舶有時(shí)靠近航道或占用航道停泊，迫使船舶靠航道右邊航行，因而容易偏航而發(fā)生觸礁擱淺事故。

3.6 電站發(fā)電調(diào)峰極大地影響壩下航道水深

長洲水利樞紐是一座以防洪發(fā)電為主兼顧航運(yùn)的水利樞紐，具有日調(diào)節(jié)功能，發(fā)電下泄流量的大小直接影響壩下航道水深。根據(jù)龍圩航道站和梧州航道站水位觀測資料統(tǒng)計(jì)，枯水期壩下航道水位日變幅一般為0.3～0.6 m，有時(shí)日變幅超過1.0 m，對(duì)壩下航道水深影響較大。

4 整治思路和措施

4.1 整治標(biāo)準(zhǔn)

按滿足通航3 000噸級(jí)內(nèi)河船舶、兩排一列式一頂2×3 000噸級(jí)及一頂2×2 000噸級(jí)頂推船隊(duì)通航，設(shè)計(jì)最小航道尺寸為90 m×4.1 m×670 m，富裕水深為0.4 m。

4.2 整治思路

1)長洲水利樞紐至界首河段航道船舶航行密度大，港區(qū)船舶進(jìn)出港靠泊頻繁。為使船舶有足夠的水域會(huì)船，航道走向總體按2 000噸級(jí)航線布置并適當(dāng)加寬，對(duì)容易發(fā)生船舶偏航的航段進(jìn)行優(yōu)化和拓寬。

2)該段經(jīng)過1 000噸級(jí)和2 000噸級(jí)航道整治，目前已有較多的整治丁壩，再通過建丁壩提高水位效果不明顯，因而在該河段實(shí)施3 000噸級(jí)航道整治時(shí)綜合考慮航道總體布置、水流流態(tài)等因素，主要對(duì)局部礙航丁壩的長度進(jìn)行調(diào)整，改善水流流態(tài)。

3)根據(jù)該段河流的礙航特點(diǎn)和水文特性，采取疏浚與炸礁為主的整治措施浚深拓寬航道。

4)航道線布置以原有的2 000噸級(jí)航道為基礎(chǔ)，在滿足通航和規(guī)范要求的前提下，盡量減少斷面開挖工程量，減少因航道疏浚引起的降水對(duì)長洲水利樞紐船閘門檻水深的影響。

4.3 技術(shù)參數(shù)

4.3.1設(shè)計(jì)水位

由于研究河段水位一直處于下降中，且近年西江流量較大，梧州站沒有錄得設(shè)計(jì)流量及以下的水位數(shù)據(jù)。根據(jù)下游德慶水文站設(shè)計(jì)水位和設(shè)計(jì)最小通航流量，采用工程后地形，推算沿程設(shè)計(jì)最低通航水位。

根據(jù)西江梧州水文站1999—2018年日均流量資料、桂江京南水文站2000—2008年的日均流量資料，按保證率為98%、重現(xiàn)期為5 a，采用綜合歷時(shí)曲線法進(jìn)行分析，得知桂江河口設(shè)計(jì)最小通航流量為28 m3/s，梧州水文站設(shè)計(jì)最小通航流量為1 126 m3/s；考慮樞紐不穩(wěn)定下泄、潮汐影響和下切可能的富裕后，梧州站水文站設(shè)計(jì)最低通航水位為1.53 m。

4.3.2航道線調(diào)整

除橋區(qū)航道需要加寬并與通航孔銜接外，龍圩水道—桂江河口河段航道寬度為160 m，西江大橋—長洲尾河段為彎曲河段。為防止出現(xiàn)船舶偏航現(xiàn)象，對(duì)該段航道航線進(jìn)行調(diào)順，航道中心線向右移動(dòng)53 m，航道右邊線向右側(cè)加寬。桂江河口—雞籠洲灘河段航道寬度為135 m，對(duì)李家莊碼頭對(duì)開航段航道線進(jìn)行調(diào)順，航道線向右偏移63 m，航道右邊線向右側(cè)加寬。界首灘河段航道順直，水流條件較好，航道線寬度按120 m布置。

4.4 整治措施

4.4.1疏浚與炸礁

對(duì)設(shè)計(jì)航槽內(nèi)水深不足4.5 m的區(qū)域進(jìn)行疏浚和炸礁，并清除航道邊線以外附近的礙航礁石。清除龍圩水道航道左邊的糞參石、龍船石；清除長洲尾至桂江河口段航道左邊的洲尾石、蝦山石、洗碼石、歡喜石和航道右邊的大魚灣石；清除雞籠洲灘河段航道右邊的鎖鏈頭石、躉足口石、狗仔石、鑊耳石、腸督石和航道左邊的香爐石等。

4.4.2丁壩清障

數(shù)學(xué)模型計(jì)算流場圖反映：受丁壩影響，中水期水流與航道線交角較大，形成了不利航行的斜流，對(duì)通航影響較大?？菟谥饕K航表現(xiàn)為縱向流速較大，丁壩礙航特性不明顯。部分丁壩深入本次設(shè)計(jì)的航道范圍內(nèi)。

因此，根據(jù)數(shù)模計(jì)算分析成果，對(duì)長洲樞紐壩下11#丁壩按照丁壩與航道線距離3倍船寬范圍內(nèi)的壩身塊石進(jìn)行拆除；對(duì)12#、13#丁壩按照丁壩與航道線距離1倍單船寬范圍內(nèi)的壩身塊石進(jìn)行拆除。同時(shí)縮短西江大橋以下左岸6#、7#丁壩的長度20～30 m，減弱丁壩的挑流作用，以減少水流對(duì)西江大橋—西江四橋河段右岸的沖刷。

4.4.3局部回填

利用清礁石碴回填雞籠洲河段、界首河段深槽，防止河床進(jìn)一步下切，減少水位下降對(duì)航道水深的影響。工程河段航道整治情況見圖1。

圖1 工程河段航道整治

5 整治效果

采用開源的Delft3D軟件建立的數(shù)學(xué)模型對(duì)整治效果進(jìn)行分析。數(shù)學(xué)模型范圍上游邊界為長洲水利樞紐船閘下引航道出口，下游斷面為德慶水文站斷面。計(jì)算區(qū)域布置網(wǎng)格2 388×100，網(wǎng)格分辨率在河寬方向網(wǎng)格步長為12～15 m，沿河道方向網(wǎng)格步長為15～50 m。根據(jù)2019年2月9—10日(枯水)，2月27日—3月1日(中水)的實(shí)測資料進(jìn)行驗(yàn)證。

5.1 比降改善

根據(jù)數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)研究成果，實(shí)施航道整治以后，沿程水面線變化如表2所示。表2數(shù)據(jù)表明，工程后水位出現(xiàn)下降，最大為0.705 m，沿程最大水面比降由0.218‰降低為0.105‰。

表2 實(shí)施航道整治前后沿程水面線變化

5.2 水深改善

根據(jù)數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)研究成果，工程后水位有所下降，下降幅度小于開挖深度，航道水深最終增加，實(shí)施航道整治前后設(shè)計(jì)水位工況下沿程水深如圖2所示。從圖2可知：工程前在設(shè)計(jì)最小通航流量條件下航道水深多處在3.0 m左右，局部小于2.0 m；工程后水深超過4.5 m，滿足3 000噸級(jí)船舶的設(shè)計(jì)通航要求并留有富裕。

圖2 工程前后研究河段水深變化對(duì)比(樁號(hào)起點(diǎn)為龍圩水道起點(diǎn))

5.3 流態(tài)改善

5.3.1枯水期流速變化

根據(jù)采樣點(diǎn)結(jié)果，最大流速由1.36 m/s降低為1.02 m/s，最大橫向流速由0.21 m/s降低為0.13 m/s。

5.3.2中水整治前后各淺灘水位、流速變化

水位下降最多為0.261 m，沿程水面比降由0.196‰降為0.145‰；最大流速由1.63 m/s降低為1.55 m/s，最大橫向流速為0.22 m/s，基本無變化。

5.3.3洪水整治前后各淺灘水位、流速變化

水位下降最多為0.037 m，整治前后的最大比降分別為0.282‰和0.284‰；最大流速由2.70 m/s降為2.69 m/s，最大橫向流速為0.66 m/s，基本無變化。

可見，整治以后水面線在設(shè)計(jì)最低通航水面線以上，航道水深基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求；縱向流速和橫向流速比整治前有不同程度的改善。

6 結(jié)語

1)研究河段河床以沖刷為主，適于采用疏浚炸礁方式改善河道通航條件，通過選取合理的設(shè)計(jì)水位，對(duì)設(shè)計(jì)航道內(nèi)水深不足的區(qū)域進(jìn)行疏浚和炸礁，航道水深有所改善；回填深槽，比降減緩，縱向流速有所減小，船舶通航條件得到改善。

2)根據(jù)實(shí)測資料進(jìn)行計(jì)算和現(xiàn)場調(diào)查，對(duì)近年來容易發(fā)生船舶偏航的河段部分航道線進(jìn)行調(diào)順并適當(dāng)加寬，流態(tài)有所改善。

3)長洲電站下泄流量大小對(duì)近壩段航道水深影響很大，應(yīng)與營運(yùn)公司協(xié)調(diào)，防止或減小枯水期電站發(fā)電調(diào)峰對(duì)下游航道水位的影響。

4)研究河段橋梁多、碼頭多、錨地多、制約的因素多，通航環(huán)境和技術(shù)條件復(fù)雜，工程完成以后，應(yīng)加強(qiáng)整治效果觀測，為類似工程積累經(jīng)驗(yàn)。