劍潭—橫瀝河段航道升級措施及模型試驗

卿 云，張緒進(jìn)，劉亞輝，張春澤，謝春航

(1.重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶 400074；2.重慶西科水運工程咨詢中心，重慶 400016；3.重慶西南水運工程科學(xué)研究所，重慶 400016)

1 工程概況

劍潭—橫瀝河段航道擴能工程是東江河源—石龍航道擴能升級工程的重要部分，原航道等級為VI 級，須升級改造為III級航道。按照標(biāo)準(zhǔn)要求，除少數(shù)挖沙河段外，該航段水深嚴(yán)重不足，涉及灘險數(shù)量多、分布密集、持續(xù)距離長，采取挖槽與筑壩的整治措施勢必對相鄰河段的水位、流速和流態(tài)等造成較大影響。此外，多年來東江人為采沙活動頻繁，采沙河段多、采沙量和范圍大，引起河床泥沙沖淤和河段水文變化大，河床沖淤變化大，沿程水位逐年顯著降低。同時，東江又是港深地區(qū)和沿江兩岸城鎮(zhèn)的重要水源地，并具有汛期防洪要求。因此，該項工程影響因素眾多，技術(shù)復(fù)雜。

本文通過分析河段特點與灘險礙航特征，總結(jié)河段的整治難點，結(jié)合淺灘整治的一般原則與河段整治整體優(yōu)化的原則，提出該河段的整治原則與整治措施，并開展了定床模型試驗與水流泥沙動床模型試驗，分析整治后航道沿程水位、比降、流速的變化，明確航道泥沙的沖淤量，研究航槽穩(wěn)定性，分析改造措施的合理性。

2 改造措施

2.1 礙航特征分析

該河段包含了蘆洲、秀嶺、沙梨園、鵝塘洲、瘦狗龍、嶺下、鐵冶派和墨園8個沙質(zhì)淺灘段[1-2]，如圖1所示。蘆洲淺灘段河道較窄、水流緩慢、河底出淺、深淺交替，河段最淺處水深僅為0.7 m，丁壩壩頭附近的河床多有沖刷。秀嶺淺灘緊鄰蘆洲淺灘，河道微彎，河寬較大，右岸有長丁壩形成的邊灘。沙梨園淺段由兩個反向彎道組成，轉(zhuǎn)向近180°，彎曲半徑僅400 m，河槽較窄，局部有斷續(xù)深槽，江中有沙梗。鵝塘洲淺灘段走勢總體較順直，寬窄有一定變化，江心有鵝塘洲，江心洲周邊建有防洪堤壩。瘦狗龍淺灘段較順直，人工采沙活動頻繁，左岸壩田泥沙幾乎被開采殆盡，整個河槽床面顯著降低。嶺下淺灘段位于上下兩個反向彎道的過渡段上，上彎道向右轉(zhuǎn)向，主槽沿左岸分布，右岸邊灘發(fā)育，出彎后河面漸寬，河床相應(yīng)變淺。鐵冶派淺灘段位于向左轉(zhuǎn)向的彎道上，邊灘發(fā)育。墨園淺灘段總體較順直，下段局部微彎，自上而下逐漸展寬，右岸邊灘寬闊，河槽、邊灘沖淤變化較大。8個淺灘的主要問題是水淺、航深不足，而沙梨園淺灘則存在航道過于彎曲、曲率半徑小，淺灘類別、河段河床累積沖刷量等見表1。

圖1 劍潭—橫瀝河段淺灘分布及河勢

表1 河段灘險情況

2.2 整治難點

該河道的特點可以概況為河勢彎曲、寬窄相間、槽窄水淺、淺灘數(shù)量多、淺段長、淺區(qū)首尾相接、灘性各異、輸沙能力有限、人為采沙活動嚴(yán)重，工程整體性高與河段的聯(lián)動效應(yīng)強。該河段相對于單一淺灘的整治工程[3-5]而言，改造難度較大[6-7]。因各淺灘之間相互制約，整治存在相互聯(lián)動效應(yīng)，形成淺灘群[8]，整治措施應(yīng)上下兼顧、整體規(guī)劃、統(tǒng)籌考慮[9]。同時，沙梨園淺灘不僅河道水淺、河槽狹窄，并且河道彎曲、曲率半徑較小，形成了險灘，具有淺險的礙航特性，整治難度更大[10]。

2.3 整治原則

針對研究河段淺灘連片的現(xiàn)狀、灘險成因分析，結(jié)合航道建設(shè)目標(biāo)，考慮特長淺灘整治的難點，提出在遵循一般沙質(zhì)淺灘整治原則的基礎(chǔ)上，采取“疏浚為主，整疏結(jié)合、控制河勢，穩(wěn)定航槽”整治原則。

1)疏浚為主：研究河段受人類活動影響，特別是大量無序采沙對河道生態(tài)環(huán)境的破壞，造成該河段水位大幅下降，水深明顯減小，原有分散的淺灘已上下連成一片，航道條件嚴(yán)重惡化，必須首先采取基建性措施進(jìn)行疏浚，挖出符合設(shè)計要求的Ⅲ級航道。

2)整疏結(jié)合：特長淺灘整治效果的穩(wěn)定更需要系統(tǒng)地與整治建筑物配合，通過筑壩工程調(diào)節(jié)水流，束水攻沙，從而維持航槽的穩(wěn)定。該航段曾歷經(jīng)整治，基本形成了較合理的中枯水航槽走向及平順、微彎的平面輪廓，以此為基礎(chǔ)，對已有整治建筑物布置進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整、補充和完善。

3)控制河勢：河勢穩(wěn)定是航槽穩(wěn)定的基礎(chǔ)。研究河段為平原性河流，沙質(zhì)河床，沖淤變化較明顯。經(jīng)過社會各方的多年治理，沿河兩岸堤防已較完善，河道節(jié)點受到保護(hù)，該河段河勢總體基本穩(wěn)定，在此基礎(chǔ)上還應(yīng)加強對薄弱環(huán)節(jié)的保護(hù)。

4)穩(wěn)定航槽：減小泥沙回淤，維持航槽穩(wěn)定是航道整治工程的基本要求。受多種因素的影響，特長淺區(qū)疏浚航槽的沖淤變化相對復(fù)雜，整治難度大，可借鑒的經(jīng)驗不多。

2.4 整治措施

2.4.1整體措施

整治線走向應(yīng)充分利用主導(dǎo)河岸和控制節(jié)點，順應(yīng)河勢。航槽軸線沿深泓布置，并盡可能與原航槽保持基本一致，在急彎段適當(dāng)裁彎以滿足最小彎曲半徑要求，或按規(guī)范要求適當(dāng)拓寬急彎段航寬；在分汊河段選擇穩(wěn)定的主汊作為航槽。整治工程布置盡可能利用已有整治建筑物，對整治線寬度不滿足要求的，將原有丁壩適當(dāng)調(diào)整，其高度按整治水位確定，在須建丁壩的寬淺段或航槽調(diào)整的局部河段，應(yīng)根據(jù)河道特征適當(dāng)新增丁壩，以利航槽的穩(wěn)定。

針對淺段連續(xù)挖槽引起的沿程水位降落和水流歸槽造成的航槽水陡流急現(xiàn)象以及河床沖淤造成的航槽穩(wěn)定性問題，采取以下應(yīng)對措施：

1)為確保整治后航槽水深滿足設(shè)計要求，應(yīng)根據(jù)沿程水位降落情況，從下游向上游逐漸增大挖槽深度。

2)在水流歸槽、流速較大的河段，挖槽應(yīng)采用復(fù)式斷面形式(圖2)開挖，即在挖深航槽的同時適當(dāng)降低邊灘高程，擴大過水?dāng)嗝妫瑴p小航槽流速，調(diào)整流速分布，改善通航水流條件；擬在鵝塘洲及其以上淺段采取復(fù)式斷面形式進(jìn)行挖槽，可增大過流寬度和過流斷面面積，調(diào)整橫向流速分布，減小航槽流速，從而達(dá)到改善通航條件的目的。

3)充分利用原有丁壩，采用兩級整治(原有丁壩多在設(shè)計水位上3 m左右，可視為一級，丁壩待加長部分壩高按設(shè)計水位以上1.2 m考慮)，以增強對中枯水河勢的控制能力，在穩(wěn)定航槽的同時，減小筑壩工程量。

圖2 整治方案典型斷面(單位：m)

2.4.2各灘段具體措施

部分典型河段試驗整治措施如圖3所示。

各淺灘河段具體的整治措施如下：

1)蘆洲淺灘河段采用復(fù)式斷面挖槽形式，疏浚淺段長約4.9 km，疏浚航槽寬60 m，邊灘寬0～30 m；左右岸已建有39座丁壩(不含右岸護(hù)岸短丁壩)，適當(dāng)加長25座丁壩，另再新建10座丁壩。

2)秀嶺淺灘河段采用復(fù)式斷面挖槽形式，須疏浚淺段長度約3.0 km疏浚航槽寬60 m，邊灘寬10～30 m；利用左岸原有11座丁壩；右岸下段原有4座丁壩(不含護(hù)岸短丁壩)，擬在上段新建9座丁壩，在中、下段加長2座原有丁壩，另拆除2座。

3)沙梨園淺灘河段采用復(fù)式斷面挖槽形式，須疏浚淺段長度約3.0 km，疏浚航槽寬60～66 m，其中上彎頂段航槽寬度逐漸增大至66 m，疏浚邊灘寬10～44 m。利用上彎段左岸原有14座丁壩，在其下游的凸岸邊灘新建8座丁壩；右岸原有7座丁壩，延長上游的3座丁壩，再新建1座長順壩，以調(diào)順?biāo)?；在下彎段，左岸原?座丁壩，壩長均較短，因此加長其中1座，再新建6座，右岸原未布置有丁壩，擬增建12座丁壩。

4)鵝塘洲淺灘河段采用復(fù)式斷面挖槽形式，須疏浚淺段長度約4.7 km，疏浚航槽寬60 m，邊灘寬10～40 m；在原有丁壩基礎(chǔ)上，新增4座丁壩(主槽左岸)，上游右岸新增2座丁壩；在中下部主槽左岸新增10座丁壩，右岸新建1座、加長2座丁壩；在下游左岸新增5座丁壩、加長7座丁壩，右岸加長3座丁壩。

5)瘦狗龍淺灘河段采用梯形挖槽斷面形式，須疏浚淺段長度約3.0 km，疏浚寬度60 m；該河段右岸原有15座丁壩，左岸原有10座丁壩，全部利用，并在左、右岸分別新增1、2處丁壩，原有丁壩長度不足的適當(dāng)加長(共14座)。

6)嶺下淺灘河段采用單一航槽斷面形式，須疏浚淺段長度約1.8 km，疏浚航槽寬60 m；在右岸新增9座丁壩。

7)鐵冶派淺灘河段采用單一航槽斷面形式，須疏浚淺段長度約2.2 km，疏浚航槽寬60 m；利用河段右岸原有3座丁壩；左岸原有5座丁壩，加長其中的4座，并在上段新增1座，下段新增2座丁壩。

8)墨園淺灘段用單一航槽斷面形式，須疏浚淺段長度約2.7 km，疏浚航槽寬60 m；在右岸邊灘新建9座丁壩，并在左岸彎段處新布置5座丁壩。

圖3 部分典型河段整治措施

3 模型概況

選定模型的平面比尺λL=100、垂直比尺λH=60，模型變率η=1.67。模型按照重力相似和阻力相似準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計，確定流速比尺λv=7.75、比降比尺λJ=0.60、糙率比尺λn=1.53、水流運動時間比尺λt1=12.91、流量比尺λQ=46 475.8。試驗段模型雷諾數(shù)Re> 1 000，表明模型水流處于阻力平方區(qū)，屬紊流狀態(tài)，與天然水流結(jié)構(gòu)相似。模型最小水深大于2 cm，滿足模型水流不受表面張力影響的要求。

本文涉及的定床與動床模型試驗，動床模型試驗重點考慮模擬沙質(zhì)推移質(zhì)泥沙運動，并兼顧懸移質(zhì)造床部分泥沙，須滿足推移泥沙起動相似、輸沙率相似和沖淤時間比尺相似，確定起動流速比尺λvc=7.75。

模型平面誤差在±0.5 cm以內(nèi)，高程誤差在±1.0 mm以內(nèi)，符合幾何相似要求。根據(jù)原型實測資料對模型水面線、表面流速、流向、分流比等進(jìn)行了驗證試驗，精度符合JTJT 232—1998《內(nèi)河航道與港口水流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》的要求，可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行工程前后水流條件及整治方案的試驗研究。

4 試驗分析

4.1 現(xiàn)狀條件下的水流特性

現(xiàn)狀條件下的水流特性試驗表明：河段具有顯著的平原河流特性，全河段水流平緩，流速、比降較小，流態(tài)良好。設(shè)計流量時航槽流速多在1.0 ms左右，比降在0.2‰左右，除急彎段(沙梨園淺段)存在掃彎斜流外，其余河段水流平順，無明顯礙航流態(tài)，水流條件總體較好。該河段的主要問題是受人類活動影響顯著(尤其是過量、無序采沙對航道條件的嚴(yán)重破壞)，造成水位大幅下降，航深明顯減小，淺灘上下相連，航道尺度遠(yuǎn)不能滿足Ⅲ級航道要求。

4.2 定床試驗

整治后，設(shè)計流量時，全河段水位降幅范圍為0～1.3 m，最大降幅發(fā)生在沙梨園河段下彎道下段，上游的檳榔潭河段水位降低了0.8 m。整治流量時，全河段水位降幅范圍為0～0.87 m，最大降幅均發(fā)生在鵝塘洲河段，上游的檳榔潭河段水位分別降低了0.49 m。中洪水流量時，沿程水位變化范圍為-0.44～0.34 m，最大降幅發(fā)生在沙梨園下彎道，最大漲幅發(fā)生在嶺下—鐵冶派河段，上游的檳榔潭河段水位降低了0.03 m，如圖4所示(含動床試驗結(jié)果)。

圖4 沿程水位

各淺灘大部分河段中、枯水期水流動力軸線與挖槽走向基本一致，順直段主流方向與挖槽軸線夾角較小，整治流量時，航槽流速均大于泥沙止動流速，絕大多數(shù)河段的航槽流速較整治前有所增大，有利于減少泥沙回淤，維持航槽的基本穩(wěn)定。但在蘆洲淺灘下段、秀嶺淺灘上段，沙梨園淺灘上彎道至下彎道段及鐵冶派淺灘段因河勢導(dǎo)致挖槽軸線與主流夾角較大，存在泥沙回淤的可能。

4.3 動床試驗

按照豐水—中水—枯水年(2008—2014—2009年)組合順序循環(huán)施放，一個循環(huán)后暫停放水，觀測挖槽的沖淤情況、沖淤分布等，并在此基礎(chǔ)上施放了設(shè)計流量(238 m3s)、整治流量(700 m3s)和中水流量(1 360 m3s)3級流量。

試驗表明，全河段挖槽3年累計淤積總量約12萬m3，年均泥沙回淤量約4.0萬m3，年均最大淤積厚度0.1～0.2 m。各淺灘的3年累計淤積量、最大淤積厚度、最大淤積寬度、主要淤積部位、年均淤積量見表2?？梢钥闯觯鳒\灘段航槽基本穩(wěn)定，尤其嶺下淺灘段航槽穩(wěn)定性較好。工程河段各灘段航槽整體呈微沖刷狀態(tài)，但在一些過渡段、急彎段等局部航槽仍存在一定的泥沙淤積問題，應(yīng)及時清淤，以保航道暢通。

表2 典型年系列動床試驗航槽淤積分布

試驗河段各級流量沿程水位見圖4，水面比降和沿程水面流速的變化情況見圖5、6。當(dāng)設(shè)計流量時，動床試驗水位變化規(guī)律與定床試驗基本一致，只是由于沖淤試驗后河床以沖刷為主、航槽底高程進(jìn)一步降低，導(dǎo)致沙梨園淺灘以上河段的水位比定床方案降低了0.11～0.27 m，尤其是蘆洲淺灘上段水位降幅多在0.2 m以上，此時檳榔潭河段水位15.67 m，較整治前降低了1.06 m；沙梨園下彎段—瘦狗龍河段水位較動床方案抬高0.01～0.10 m；嶺下淺灘及以下河段，除鐵冶派和墨園淺灘段水位較定床方案降低0.10～0.14 m外，其余河段水位較定床方案變化不大，變幅多在0.04 m以內(nèi)。當(dāng)流量增大至整治流量和中水流量時，模型進(jìn)口河段水位較定床方案的降幅逐漸減小，此時蘆洲淺灘段水位較定床方案的降幅分別為0.15～0.21 m和0.07～0.11 m，其余河段的變幅多在0.08 m以內(nèi)。

圖5 沿程比降

圖6 沿程流速

在3級試驗流量下，工程河段水位隨流量的增大逐漸升高，水面線較光滑，呈往下游沿程遞減趨勢，水面較平緩，無不良流態(tài)，其中除蘆洲淺灘上段水面比降超過0.4‰外(最大值0.46‰)，其余河段多在0.3‰內(nèi)。工程河段總體呈沖刷趨勢，但在一些過渡段、急彎段等局部航槽尚存在一定量的泥沙淤積問題，可能導(dǎo)致在低水位時淤積河段航深不足2.5 m，應(yīng)根據(jù)實際情況，對水深不足2.5 m的河段及時清淤，以保證工程河段的通航安全。試驗河段各級流量相應(yīng)的主航道中心線流速分別為0.57～1.35、0.81～2.07和1.11～2.13 ms，最大的流速分別出現(xiàn)在沙梨園下彎道出口段、沙梨園上下彎道過渡段和墨園淺灘入口段。各級流量相應(yīng)的水面比降為0.06‰～0.42‰、0.05‰～0.39‰和0.04‰～0.43‰，較大比降多出現(xiàn)在蘆洲淺灘上段、沙梨園及鐵冶派彎道附近。

各級流量下動床試驗主航道中心線流速定床試驗同位置減小0.2～0.3 ms，這是由于試驗后航槽及邊灘多被沖刷，底高程降低、過流面積增大的緣故，也存在局部河段少數(shù)斷面流速比定床方案同位置的流速變化較大的情況。在比降方面，動床試驗沿程比降與定床試驗相比變化較小，多在0.06‰以內(nèi)，僅個別河段變化達(dá)0.1‰左右?？傮w來說，在試驗流量下，優(yōu)化方案航槽內(nèi)水流較平順，無不良流態(tài)，通航水流條件能滿足設(shè)計船舶的航行要求。

5 結(jié)論

1)本文提出了“疏浚為主、整疏結(jié)合、控制河勢、穩(wěn)定航槽”的整治原則，航槽應(yīng)沿河道深泓布置，挖槽縱向采用變底坡設(shè)計，橫向采用梯形斷面或復(fù)式斷面形式，應(yīng)完善整治建筑物，充分利用已有丁壩、新建丁壩和加長舊壩。

2)開展定床模型試驗，整治后航槽水流平順，水深滿足設(shè)計要求，通航水流條件良好，設(shè)計水位時航槽流速多在0.8～1.3 ms，水面比降0.1‰～0.4‰。

3)開展水流泥沙動床模型試驗，研究改造后河床的沖淤變化規(guī)律，分析航道沿程水位、比降、流速的變化，整治后河段仍處于微沖狀態(tài)，挖槽總體保持穩(wěn)定，整治方案基本可行。

4)由于河勢條件復(fù)雜、各淺段輸沙能力不一等多種因素影響，在一些過渡段、急彎段等局部航槽尚存在泥沙回淤問題，河段挖槽年均泥沙回淤量約4.0萬m3，年均最大淤積厚度0.1～0.2 m。