三峽工程運(yùn)用后石首彎道段整治工程累積影響和演變趨勢(shì)研究

劉心愿 渠庚 姚仕明 朱勇輝 劉亞

摘要：石首彎道段位于長(zhǎng)江中游下荊江首端，河道形態(tài)復(fù)雜多變，河床演變較為劇烈。在大量河道治理及航道整治工程的控制下，岸坡穩(wěn)定性及航道條件得到了增強(qiáng)和改善。三峽水庫(kù)蓄水以來(lái)，壩下荊江河段的來(lái)水來(lái)沙條件發(fā)生了顯著變化，石首彎道段也出現(xiàn)了大幅沖刷，但在一系列河道治理及航道整治工程的作用下，除了局部河段深>A擺動(dòng)和沖淤變化較為明顯外，總體河勢(shì)基本穩(wěn)定。隨著三峽水庫(kù)及上游干支流水庫(kù)群不斷建成和運(yùn)用，該河段河勢(shì)仍將持續(xù)調(diào)整。近岸河床的不斷沖刷下切，已有工程難以適應(yīng)新形勢(shì)下的河床變形，不斷出現(xiàn)崩塌沖失，對(duì)現(xiàn)有堤防、河勢(shì)控制工程、護(hù)岸工程和航道整治工程等的安全運(yùn)行以及涉水工程與航運(yùn)等帶來(lái)新的問(wèn)題。提出應(yīng)抓緊深入研究三峽水庫(kù)及上游控制性水庫(kù)運(yùn)用初期長(zhǎng)江中下游重點(diǎn)河段河勢(shì)變化與綜合治理方案等重大技術(shù)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：河道治理;航道整治;崩岸;演變趨勢(shì);石首彎道段;長(zhǎng)江中游;三峽工程

中圖法分類號(hào)：TV147 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.01.005

文章編號(hào)：1006-0081（2020）01-0022一06

1 研究背景

石首彎道段位于長(zhǎng)江中游下荊江首端，上起新廠，下迄北碾子灣，由順直段、分漢段和急彎段組成，進(jìn)口附近右岸有藕池口分流人洞庭湖，藕池口附近淤積形成天星洲，彎道放寬段有倒口窯、藕池口心灘，彎頂左岸側(cè)為向家洲邊灘。該河段河道形態(tài)較為復(fù)雜，多年來(lái)河床復(fù)雜多變，演變較為劇烈。1994年6月該河段向家洲切灘撇彎后，河勢(shì)出現(xiàn)較大調(diào)整。近年來(lái)，由于受上游來(lái)水來(lái)沙條件、藕池口分流分沙變化以及人類活動(dòng)等因素的影響[1]，石首彎道段仍處于調(diào)整變化之中，給防洪、航運(yùn)以及沿江涉水工程的正常運(yùn)行帶來(lái)一定影響。目前，該河段實(shí)施了大量的河道治理及航道整治工程，使得岸線穩(wěn)定性及航道條件得到了增強(qiáng)和改善，但該河段河勢(shì)仍處于不斷的調(diào)整變化中。隨著長(zhǎng)江三峽水庫(kù)及上游干支流水庫(kù)群的不斷建成和運(yùn)用，加上流域水沙條件的變化，將對(duì)長(zhǎng)江河道演變與整治工程的運(yùn)行及效果產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。鑒于石首彎道段的復(fù)雜性，本文選擇該河段為研究對(duì)象，開展三峽工程運(yùn)用后該河段整治工程累積影響和演變趨勢(shì)研究，為該河段綜合治理、保護(hù)與開發(fā)利用提供技術(shù)支撐。

2 河道治理與航道整治工程基本情況

自然條件下，下荊江彎道河道演變的主要特征為凹沖凸淤，為了控制河勢(shì)、提高荊江地區(qū)的防洪能力，通過(guò)長(zhǎng)期的堤防及護(hù)岸工程建設(shè)，特別是1998年大水后堤防、護(hù)岸、水閘等的大規(guī)模整險(xiǎn)加固工程的實(shí)施，對(duì)穩(wěn)定岸線與控制河勢(shì)起到了重要作用[2-3]，河道防洪標(biāo)準(zhǔn)也有了較大提高。近年來(lái)，隨著長(zhǎng)江航道治理進(jìn)程的加快，陸續(xù)在周天、藕池口、碾子灣等礙航問(wèn)題較為突出的水道實(shí)施了關(guān)鍵部位的控制性工程，使得以堤防、護(hù)岸為主體的河控工程體系相對(duì)更加完備。

2.1 河道治理工程

從20世紀(jì)70～80年代以來(lái)，該河段開始逐步實(shí)施了一些護(hù)岸工程，主要位于防洪險(xiǎn)要與對(duì)河勢(shì)起控制作用的重點(diǎn)岸線。至三峽水庫(kù)蓄水前，實(shí)施的護(hù)岸工程有茅林口至古長(zhǎng)堤（37+280-28+000）、向家洲（26+000-22+000）、送江碼頭（0+000-3+600）、北門口（S6+000-S9+000）、魚尾洲（10+380-3+780）等，護(hù)岸總長(zhǎng)度約24.85km，累積完成石方約254.57萬(wàn)m³;特別是1998年大水后至三峽水庫(kù)蓄水前，國(guó)家投人大量資金對(duì)長(zhǎng)江中游干流河道的崩岸進(jìn)行了較為系統(tǒng)的整治。三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用后，改變了長(zhǎng)江中游的來(lái)沙條件，壩下游出現(xiàn)了沿程較為劇烈的沖刷。在此期間，該河段實(shí)施了部分河勢(shì)控制應(yīng)急工程與長(zhǎng)江重要堤防隱蔽工程中的剩余河勢(shì)控制工程，以及航道整治工程包含的護(hù)岸工程項(xiàng)目。在長(zhǎng)江荊江河段河勢(shì)控制應(yīng)急工程2006年度實(shí)施的項(xiàng)目中，該河段北碾子下段（6+000～6+730）、茅林口（36+300～35+000）等先后于2007～2010年度實(shí)施，施工總長(zhǎng)度2.6km。此外，三峽水庫(kù)蓄水前后的2001～2008年，北碾子灣（0+000-7+300）段完成護(hù)岸長(zhǎng)度7.3km，完成石方約71.76萬(wàn)m³。

2.2 航道整治工程

研究河段包含天星洲水道、藕池口水道及碾子灣水道上段，上游為周公堤水道。天星洲水道為順直放寬并有藕池口分流的喇叭形河道，藕池口水道上段為順直分漢河道段、下段為急彎段。為緩解1998，1999年特大洪水淤積造成的淺灘礙航局面，以及針對(duì)三峽水庫(kù)蓄水后出現(xiàn)的新情況，維持枯水期航道暢通，在以堤防和護(hù)岸為主體的已建河勢(shì)控制工程體系的基礎(chǔ)上，近年來(lái)實(shí)施了大量航道整治工程（見圖1）。

該河段上游的周公堤水道于2001年12月至2002年5月、2006年12月至2008年4月分別實(shí)施了清淤應(yīng)急工程、航道整治控導(dǎo)工程等。近年來(lái)，由于天星洲水道的新廠邊灘及天星洲洲體左緣崩岸持續(xù)發(fā)展，航道形勢(shì)較嚴(yán)峻，在2013年9月至2015年底實(shí)施的長(zhǎng)江中游荊江河段航道整治工程昌門溪至熊家洲段工程（以下簡(jiǎn)稱“荊江3.5m工程”）中對(duì)新廠邊灘進(jìn)行了守護(hù)。

針對(duì)藕池口水道的礙航問(wèn)題，于2010年10月至2012年4月實(shí)施了藕池口水道航道整治一期工程，包括左岸陀陽(yáng)樹邊灘護(hù)灘帶、沙埠磯護(hù)岸，天星洲洲尾左緣的護(hù)岸、護(hù)灘，以及藕池口心灘左緣中段的護(hù)岸。由于一期工程對(duì)進(jìn)口段左邊界控制尚不充分，在荊江3.5m工程中繼續(xù)對(duì)藕池口水道實(shí)施了陀陽(yáng)樹邊灘守護(hù)、焦家碼頭護(hù)岸加固、天星洲左緣下段守護(hù)、倒口窯心灘守護(hù)工程等。

2000～2003年，在碾子灣水道先后實(shí)施了清淤應(yīng)急工程及碾子灣水道航道整治工程，包括左右兩岸的丁壩、護(hù)灘帶及護(hù)岸等;在荊江3.5m工程中繼續(xù)對(duì)該水道實(shí)施了南碾子灣上段守護(hù)工程和左右兩岸的護(hù)岸加固工程等，由于工程位于該研究河段出口附近及下游，因此本文不考慮該水道的相關(guān)工程。

3 來(lái)水來(lái)沙變化

石首彎道段的水沙主要來(lái)自宜昌以上長(zhǎng)江干支流，同時(shí)受藕池口分流的影響，該河段上下游的控制水文站分別為沙市站、監(jiān)利站。本文分析藕池口分流分沙比變化時(shí)，為剔除松滋口、太平口及引江濟(jì)漢等分流分沙的影響，選取沙市站為基礎(chǔ)進(jìn)行分析。

3.1 沙市站來(lái)水來(lái)沙變化

3.1.1 年際變化

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，三峽水庫(kù)蓄水前后沙市站水沙特征值如表1所示，1981～2018年的歷年徑流量及輸沙量如圖2所示。可以看出，三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用以來(lái)，年徑流量較蓄水前多年平均值偏枯，減少約2.8%，但變化趨勢(shì)不明顯;年輸沙量大幅度減少，減少約89.9%，年均含沙量也明顯小于蓄水以前的多年平均值;多年均值中數(shù)粒徑有所粗化。

3.1.2 年內(nèi)變化

三峽水庫(kù)蓄水前后年內(nèi)月均徑流量、輸沙量如圖3所示。從圖3可以看出，三峽水庫(kù)蓄水后，干流各控制站的主要徑流量仍集中在5～10月，水位年內(nèi)變化規(guī)律未有大的改變。但是受三峽水庫(kù)調(diào)度方式影響，特別是上游一些大中型水庫(kù)的陸續(xù)建成和運(yùn)用的累積影響，6～10月徑流量較水庫(kù)蓄水前減小，枯水期1月至汛前5月月均徑流量有所增加。水庫(kù)蓄水后，年內(nèi)各月月均輸沙量均明顯減小，5～11月減少較多，減幅達(dá)82%～92%，其中10月份減少幅度最大，主要由水庫(kù)蓄水及上游來(lái)水來(lái)沙減少所致。

3.2 藕池口分流分沙變化

近幾十年來(lái)，由于下荊江裁彎、葛洲壩和三峽工程興建等自然和人為因素的影響，導(dǎo)致藕池口分流洪道日益萎縮，分流分沙比減小[4]。以沙市站為參照，藕池口歷年分流分沙比變化如圖4所示。從圖4可以看出，近年來(lái)，藕池口年分流比呈緩慢減少趨勢(shì)，三峽水庫(kù)蓄水前后并未出現(xiàn)明顯變化;三峽水庫(kù)蓄水后，分沙比發(fā)生了變化，分沙比的年際間變幅有所增大;分流比較蓄水前有所減小，但蓄水以來(lái)的分流比變化趨勢(shì)不明顯。

4 工程實(shí)施后累積影響分析

4.1 近期石首彎道段沖淤變化

三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用前，該河段整體表現(xiàn)為淤積，基于地形法計(jì)算石首彎道段（公2～荊99）河床沖淤量，1998年10月至2002年10月，該河段總體淤積量133萬(wàn)m³，河床平均淤積厚度0.03m;三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用后的2002～2016年，受三峽水庫(kù)清水下泄影響，該河段來(lái)沙大為減少，整體表現(xiàn)為沖刷，河床整體沖刷量5614萬(wàn)m³，平均沖刷深度達(dá)-1.37m。三峽水庫(kù)蓄水以來(lái)的河床沖淤分布如圖5所示。可以看出，藕池口口門、陀陽(yáng)樹至古長(zhǎng)堤一帶淤積較明顯;天星洲左緣、倒口窯心灘左緣、向家洲邊灘頭部沖刷較明顯。

4.2 工程實(shí)施后運(yùn)行效果分析

石首彎道段的護(hù)岸工程集中在20世紀(jì)7080年代至三峽水庫(kù)蓄水前實(shí)施，尤其是1998年大水后，對(duì)中游干流河道的崩岸進(jìn)行了較為系統(tǒng)的整治，對(duì)穩(wěn)定岸線、控制河勢(shì)并提高防洪能力起到重要作用。三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用后，該河段實(shí)施的工程以航道整治工程為主。河段上游周天航道整治工程實(shí)施以后，限制了石首彎道上游長(zhǎng)順直段中枯水期主流擺動(dòng)幅度，主流沿天星洲左緣近岸河床而下，引起天星洲左緣崩塌，彎道上段主流線的趨中下行，沖刷切割倒口窯心灘、頂沖北門口下段，北門口下段（未護(hù)岸段）岸線的大幅崩塌，加速了頂沖點(diǎn)下移的進(jìn)程。近年來(lái)，在該河段實(shí)施了一系列工程，如藕池口水道航道整治工程、倒口窯心灘守護(hù)工程、陀陽(yáng)樹邊灘護(hù)灘帶守護(hù)工程、天星洲左緣下段守護(hù)工程及焦家碼頭護(hù)岸加固工程等，較好地抑制了過(guò)渡段中枯水時(shí)的水流分散，約束了水流，維護(hù)了河勢(shì)穩(wěn)定;進(jìn)一步穩(wěn)定了藕池口水道的進(jìn)口邊界;改善了陀陽(yáng)樹邊灘TH5號(hào)護(hù)灘帶附近水流分散、航槽彎曲的現(xiàn)象，使上、下深槽銜接更加平順，增加了航寬。

目前，石首彎道段有大量的已建和在建的河道治理及航道整治工程。隨著這些工程的不斷完成，河岸的抗沖能力將得到增強(qiáng)，較大程度地抑制了近岸河床的橫向發(fā)展，有助于形成并穩(wěn)定良好的灘槽格局及邊界，穩(wěn)定河段河勢(shì)并改善航道條件。

4.3 水沙變化對(duì)工程的累積性影響

三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用以來(lái)，石首彎道段的來(lái)水來(lái)沙條件發(fā)生了較大變化，大洪水流量被削減調(diào)平，洪水漫灘的水情概率變小，進(jìn)口含沙量也急劇減少，河段處于強(qiáng)沖刷狀態(tài)。近年來(lái)，通過(guò)大量工程的治理守護(hù)，河岸線得到了初步控制，但受年際來(lái)水來(lái)沙條件的影響，局部河段深泓擺動(dòng)和沖淤變化較為明顯，使部分護(hù)岸工程段及緊鄰下游的未護(hù)岸段出現(xiàn)了一定的滑挫崩岸現(xiàn)象。該河段順直段主流向左岸擺動(dòng)，貼岸沖刷茅林口至古丈堤沿線近岸河床，引起該堤段岸線出現(xiàn)崩塌現(xiàn)象;天星洲洲體淤長(zhǎng)，藕池口口門河床淤積抬高、過(guò)流條件惡化;古丈堤至向家洲段主流位于左側(cè)下行，向家洲持續(xù)崩退，深泓左移;北門口彎道頂沖點(diǎn)下移，北門口彎道上深槽淤積消失、下深槽嚴(yán)重沖刷并向下游發(fā)展，北門口已護(hù)工程段（中下段）出現(xiàn)多處崩岸險(xiǎn)情，已護(hù)工程段下游的未護(hù)岸段岸線大幅度崩塌;隨著北門口段彎道頂沖點(diǎn)大幅度下移，魚尾洲段的護(hù)岸工程段脫流、近岸河床淤積以及北碾子灣的頂沖點(diǎn)因北門口貼流段的延長(zhǎng)而下移，導(dǎo)致北碾子灣岸線的不斷崩退（見圖6）。

該河道已實(shí)施的護(hù)岸工程，多采用基于沖淤交替河道的傳統(tǒng)護(hù)岸技術(shù)，且大部分建于三峽水庫(kù)蓄水前，設(shè)計(jì)中基本未考慮三峽工程運(yùn)用后對(duì)壩下游河段沖刷的影響[2]，更未考慮上游控制性水庫(kù)運(yùn)用后的影響。隨著三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用和上游控制性水庫(kù)的陸續(xù)建設(shè)以及水土保持工程的陸續(xù)實(shí)施，該河段已經(jīng)并將在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)繼續(xù)沖刷調(diào)整，局部護(hù)岸段近岸河床大幅沖深，已有護(hù)岸工程難以適應(yīng)新形勢(shì)下的河床變形，不斷出現(xiàn)崩塌沖失。此外，近岸河床出現(xiàn)較大沖刷后，水深增加，傳統(tǒng)護(hù)岸工程的施工難度較之前更大，質(zhì)量控制較之前更難，在這樣大幅度沖刷條件下，護(hù)岸工程的穩(wěn)定性和有效性也都大大降低。

5 石首彎道段河道演變趨勢(shì)

5.1 沖淤變化預(yù)測(cè)

長(zhǎng)江科學(xué)院采用1991～2000年系列年，綜合考慮上游干支流水庫(kù)建庫(kù)調(diào)蓄的影響[5]，進(jìn)行了長(zhǎng)江上游水庫(kù)泥沙淤積計(jì)算及宜昌至大通一維水沙數(shù)學(xué)模型計(jì)算，為石首彎道段實(shí)體模型試驗(yàn)提供進(jìn)出口邊界條件。實(shí)體模型采用2016年11月地形作為初始地形，預(yù)測(cè)第巧年末沖淤情況（三峽運(yùn)用第30年末）。

根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果，第5年末，該河段25m高程以下沖刷-2340萬(wàn)m³，平均沖深0.48m;模型運(yùn)行至第10年末，該河段沖刷1693萬(wàn)m³，平均沖深0.35m;模型運(yùn)行至第15年末，該河段整體沖刷946萬(wàn)m³，平均沖深0.19m?？梢钥闯?，該河段仍以沖刷為主，且整個(gè)試驗(yàn)河段沖刷幅度較大。但隨著時(shí)間推移，模型各個(gè)河段沖刷量均呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢(shì)，其中在第10年末至第巧年末整個(gè)試驗(yàn)河段的沖刷量為946萬(wàn)m³，僅為15a總沖刷量（4979萬(wàn)m³）的19%，說(shuō)明在以上水沙系列作用下，河床地形沖刷幅度逐漸減小。

5.2 河道演變趨勢(shì)預(yù)測(cè)

動(dòng)床模型試驗(yàn)結(jié)果表明，至第巧年末，試驗(yàn)河段整體沖刷下切幅度較大，但隨著時(shí)間推移，試驗(yàn)河段沖淤幅度趨于變緩。在該河段大量護(hù)岸及航道整治工程的作用下，灘槽位置相對(duì)穩(wěn)定，主流線及深泓位置整體變動(dòng)不大，總體河勢(shì)未發(fā)生大的變化，但在局部河段（過(guò)渡段等）河勢(shì)調(diào)整較為劇烈。天星洲左緣、向家洲首部至北門口及張城垸一帶、北碾子灣等位置深槽有變寬延長(zhǎng)沖深的趨勢(shì)。通過(guò)模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該河段存在的問(wèn)題包括：天星洲左緣有所崩退;向家洲上游焦家鋪一帶陀陽(yáng)樹邊灘盡管建設(shè)了一系列護(hù)灘帶，但該處深泓貼岸，主流頂沖向家洲邊灘首部，仍存在著切灘撇彎趨勢(shì);藕池口心灘尾端至北門口一帶深泓貼岸，藕池口心灘尾端高灘不斷崩退，不利于河勢(shì)穩(wěn)定;彎道處主流曲率半徑過(guò)小，使北碾子灣一帶持續(xù)沖刷崩退;藕池口口門上游分流道不斷淤長(zhǎng)，可能對(duì)藕池口分流造成影響。

6 結(jié)論和建議

石首彎道段河道形態(tài)較為復(fù)雜，多年來(lái)河床演變較為劇烈。目前實(shí)施了大量的河道治理及航道整治工程，岸線穩(wěn)定性及航道條件得到了增強(qiáng)和改善。三峽水庫(kù)蓄水以來(lái)，壩下荊江河段來(lái)沙劇減，石首彎道段也出現(xiàn)了大幅沖刷下切，在一系列河道治理及航道整治工程的作用下，該河段河勢(shì)基本穩(wěn)定，但局部河段深泓擺動(dòng)和沖淤變化較為明顯。隨著三峽水庫(kù)及上游干支流水庫(kù)群不斷建成和運(yùn)用的影響，該河段河勢(shì)仍將持續(xù)調(diào)整。動(dòng)床模型試驗(yàn)結(jié)果表明，至第巧年末，試驗(yàn)河段整體沖刷下切幅度較大，但隨著時(shí)間推移，試驗(yàn)河段沖淤演變幅度趨于變緩。然而，河道近岸河床的不斷沖刷下切，已有工程難以適應(yīng)新形勢(shì)下的河床變形，不斷出現(xiàn)崩塌沖失，對(duì)現(xiàn)有堤防、河勢(shì)控制工程、護(hù)岸工程和航道整治工程等的防洪安全以及涉水工程與航運(yùn)等帶來(lái)新的問(wèn)題。因此，需要在以往研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)三峽工程和上游控制性水庫(kù)的陸續(xù)建成運(yùn)用后面臨的新形勢(shì)、新問(wèn)題，抓緊深入研究三峽水庫(kù)及上游控制性水庫(kù)運(yùn)用初期長(zhǎng)江中下游重點(diǎn)河段河勢(shì)變化與綜合治理方案等重大技術(shù)問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

[1]盧金友，姚仕明，黎禮剛，等.石首彎道段整治研究[C]//長(zhǎng)江中游藕池口水道綜合治理學(xué)術(shù)研討會(huì)交流材料.武漢：長(zhǎng)江科學(xué)院，2007.

[2]姚仕明，何廣水，盧金友.三峽工程蓄水運(yùn)用以來(lái)荊江河段河岸穩(wěn)定性初步研究[J].泥沙研究，2009（6）：24-29

[3]長(zhǎng)江科學(xué)院.荊江河段河勢(shì)變化分析及河勢(shì)控制措施研究[R].武漢：長(zhǎng)江科學(xué)院，2013.

[4]渠庚，劉心愿，郭小虎，等.三峽工程運(yùn)用前后藕池口分流分沙變化規(guī)律分析[J]，水利學(xué)報(bào)，2013，44（9）：1099-1106.

[5]長(zhǎng)江科學(xué)院.三峽工程運(yùn)用后重點(diǎn)河段河勢(shì)變化及治理對(duì)策研究[R].武漢：長(zhǎng)江科學(xué)院，2019.

（編輯：李慧）

收稿日期：2019-10-31

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFC0402300）

作者簡(jiǎn)介：劉心愿，男，高級(jí)工程師，博士，主要從事水庫(kù)調(diào)度及江湖演變與治理研究工作。E-mail：wishesliu@126.com