長江南京以下12.5 m深水航道治理工程口岸直水道整治工程效果對(duì)比分析

付 桂

(1.交通運(yùn)輸部長江口航道管理局，上海 200003；2.上海長升工程管理有限公司，上海 200137)

長江南京以下12.5 m深水航道工程是國家打造黃金水道、建設(shè)長江經(jīng)濟(jì)帶的重點(diǎn)工程。根據(jù)長江黃金水道建設(shè)總體推進(jìn)方案，長江南京以下12.5 m深水航道建設(shè)工程按照“整體規(guī)劃、分期實(shí)施、自下而上、先通后暢”的治理思路分期實(shí)施[1-2]。其中，一期工程建設(shè)范圍為南通天生港區(qū)至太倉蕩茜閘，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為5萬t級(jí)集裝箱船實(shí)載全潮雙向通航，一期工程于2012年8月開工，2015年12月竣工驗(yàn)收；二期工程建設(shè)范圍為南京新生圩港區(qū)至南通天生港區(qū)，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為5萬t級(jí)集裝箱船實(shí)載雙向通航；二期工程于2015年6月開工，2016年7月實(shí)現(xiàn)初通，2018年4月底交工驗(yàn)收并進(jìn)入試運(yùn)行期[3-4]。

二期工程整治河段里程長，整治河段受徑流、潮汐雙重作用，水動(dòng)力條件復(fù)雜，局部河段寬淺，水下沙體活動(dòng)較活躍，工程河段河床演變較復(fù)雜。同時(shí)，在整治建筑物實(shí)施過程和完工后，因所處水下地形與邊界條件的變化，整治建筑物周邊沖淤環(huán)境將產(chǎn)生相應(yīng)調(diào)整。為對(duì)二期工程實(shí)施后的治理效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，及時(shí)總結(jié)分析相關(guān)經(jīng)驗(yàn)及不足，并為后續(xù)工程提供指導(dǎo)，開展長江南京以下12.5 m深水航道二期工程整治效果分析研究是十分有必要的[4-7]。

二期工程河段全長227 km，在長江下游福姜沙、口岸直、和暢洲、儀征水道實(shí)施航道整治工程，使12.5 m 深水航道由南通天生港區(qū)上延至南京新生圩港區(qū)。本文重點(diǎn)研究口岸直水道，根據(jù)航道整治工程實(shí)施后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，與設(shè)計(jì)階段數(shù)模物模預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，綜合分析工程前后在河勢(shì)變化、流場(chǎng)變化、航道維護(hù)量等方面的實(shí)現(xiàn)情況。最后對(duì)口岸直水道航道整治工程實(shí)施后的整治效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，可為長江中下游潮汐分汊河段類似航道整治工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 水道自然條件及航道整治工程概況

口岸直水道位于揚(yáng)中河段左汊(主汊)，本河段上起五峰山，下至江陰水道鵝鼻嘴，全長約88 km，與下游泰興水道、江陰水道組成反“S”型河道，詳見圖1?？诎吨彼?2.5 m深水航道建設(shè)存在的主要河勢(shì)問題是落成洲洲頭沖刷后退，左汊深泓右偏，右汊沖刷發(fā)展，導(dǎo)致左汊三益橋淺區(qū)處于淤積態(tài)勢(shì)，對(duì)左汊12.5 m深水航道的建設(shè)不利；高港邊灘淤積下延，左汊上段局部航道水深不足12.5 m；泰州大橋橋墩下游西北—東南向淤積體尾部進(jìn)入鰻魚沙左汊航道上段，淤積體與鰻魚沙頭部之間的深槽沖刷發(fā)展；該深槽存在右汊向左汊的分流，對(duì)鰻魚沙頭部沙體、左汊和右汊上段航道的穩(wěn)定產(chǎn)生一定影響；鰻魚沙左右汊航道中下段水深條件良好，但近年來鰻魚沙中下段灘面沖刷，沙尾沖刷上提，河槽形態(tài)向?qū)挏\方向發(fā)展，深槽將趨于不穩(wěn)定，無法長期滿足12.5 m深水航道建設(shè)和維護(hù)需求。因此，上述沙體的沖淤變化是引起口岸直落成洲左汊水道和鰻魚沙左右汊航道不穩(wěn)定的主要因素。從航道治理的要求出發(fā)，需要對(duì)上述二個(gè)灘體實(shí)施或強(qiáng)化整治工程，以達(dá)到控制局部河勢(shì)、穩(wěn)定航道邊界條件的目標(biāo)[8-11]。

圖1 口岸直水道形勢(shì)圖Fig.1 Waterway regime of Kouanzhi

口岸直水道的治理思路：在落成洲頭部實(shí)施潛堤及丁壩、右汊護(hù)底帶工程，以防止右汊進(jìn)一步?jīng)_刷發(fā)展，在落成洲左緣建設(shè)丁壩以增強(qiáng)左汊淺段動(dòng)力。實(shí)施鰻魚沙潛堤和護(hù)灘帶工程，以守護(hù)心灘、維持良好的灘槽格局。

根據(jù)工程治理思路，采用的航道工程方案：落成洲段雙向航道最小航道寬度350 m(其中# 92黑浮～# 94黑浮最小航道寬度450 m)，鰻魚沙段左、右汊單向航道最小航道寬度230 m。試運(yùn)行期航道維護(hù)尺度：維護(hù)設(shè)計(jì)水深為12.5 m(江陰以上起算基面為航行基準(zhǔn)面)。采用的整治建筑物工程方案：基于工程整治思路，口岸直水道整治建筑物包括落成洲頭部潛堤及丁壩、右汊護(hù)底帶；鰻魚沙潛堤和護(hù)灘帶。根據(jù)設(shè)計(jì)文件，整治建筑物方案具體詳見圖2。

2-a 落成洲整治建筑物平面圖2-b 鰻魚沙整治方案平面布置示意圖圖2 口岸直水道整治建筑物平面布置圖Fig.2 Layout plan of waterway regulation building of Kouanzhi

2 整治方案數(shù)模物模預(yù)測(cè)效果

2.1 地形沖淤變化預(yù)測(cè)

根據(jù)設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)，在平水平沙年條件下，泥沙數(shù)模預(yù)測(cè)的地形沖淤變化情況如下(見圖3)：

(1)落成洲段。三益橋邊灘右緣航道淺區(qū)(上淺區(qū))位置沖刷0.5～2.6 m，落成洲左緣凸岸處航道內(nèi)淺區(qū)(下淺區(qū))位置沖刷1.0～2.0 m；右汊呈淤積狀態(tài)，淤積厚度0.5～4.2 m。平常水文年后航槽內(nèi)12.5 m等深線貫通，上淺區(qū)位置航寬略有不足，12.5 m等深線最窄處約305 m，淺區(qū)最小水深約12.0 m。

(2)鰻魚沙段。鰻魚沙右汊進(jìn)口沖刷深度在0.2～1.6 m，鰻魚沙左汊進(jìn)口出現(xiàn)淤積，厚度在0.2～1.0 m；鰻魚沙右汊下段沖刷幅度較小，在0.1～1.2 m，淺區(qū)仍然存在；前期守護(hù)工程上游鞍槽位置潛堤兩側(cè)護(hù)灘帶間總體呈淤積態(tài)勢(shì)，淤積幅度0.2～2.5 m，前期守護(hù)工程左側(cè)及鰻魚沙心灘中段左側(cè)呈帶狀淤積，淤積幅度0.2～3.5 m；前期守護(hù)工程以下潛堤兩側(cè)護(hù)灘帶間心灘灘面均處于淤積狀態(tài)，普遍淤積幅度0.2～2.0 m。

2.2 流場(chǎng)變化預(yù)測(cè)

根據(jù)設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)：在流量為28 500 m3/s條件下，工程實(shí)施后的流場(chǎng)變化情況如下(見圖4)。

圖3 工程實(shí)施引起的地形沖淤變化圖(泥沙數(shù)模預(yù)測(cè))Fig.3 Topographic erosion and deposition changes caused by project implementation(prediction of sediment numerical model)圖4 工程實(shí)施前后洪季落潮流速變化圖Fig.4 Flow velocity change chart of ebb tide in flood season before and after the implementation of the project

(1)落成洲段。整治工程實(shí)施后，左汊三益橋邊灘右緣航道內(nèi)淺區(qū)位置流速增幅0.01～0.06 m/s，落成洲左緣凸岸處航道內(nèi)淺區(qū)流速增幅0.06～0.15 m/s；落成洲右汊汊內(nèi)流速減幅在0.02～0.12 m/s。與工程前相比，落成洲左汊LL3丁壩壩頭處流向有所左偏，最大偏角6°、LL3丁壩壩頭附近航道內(nèi)流向最大偏角3°。

(2)鰻魚沙段。前期守護(hù)工程以上左右兩汊航槽流速增幅均在0.01～0.05 m/s，前期守護(hù)工程以下左右兩汊航槽流速增幅在0.01～0.02 m/s，右汊出口處流速增幅在0.01～0.05 m/s；前期守護(hù)工程以下潛堤兩側(cè)護(hù)灘帶間心灘灘面流速減幅在0.02～0.1 m/s。工程實(shí)施后，流向變化小于1°。

2.3 汊道分流比變化預(yù)測(cè)

(1)落成洲段。工程實(shí)施后，落成洲右汊分流比減小，中枯水流量下最大減幅為3.42%，防洪設(shè)計(jì)流量下最大減幅為 0.73%。太平洲右汊分流比微增0.11%～0.34%，祿安洲右汊、炮子洲右汊、天星洲左汊分流比基本沒有變化。

(2)鰻魚沙段。橋區(qū)斷面分流比變化不大，變幅在0.02%以內(nèi)；鰻魚沙心灘左右兩汊分流比變化在0.52%以內(nèi)；泰州大橋橋墩下游堆積體與先期守護(hù)工程間鞍槽位置由右向左的橫向水流有所減小，枯水流量下，最大減幅0.37%；右汊出口分流略有減小，枯水流量下，最大減幅0.22%。

2.4 航道維護(hù)量預(yù)測(cè)

(1)初通航道維護(hù)量預(yù)測(cè)。初步設(shè)計(jì)階段采用數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)口岸直水道僅初通方案實(shí)施后，經(jīng)歷2010年典型水文年，落成洲右汊中上段呈現(xiàn)淤積態(tài)勢(shì)，淤積幅度0.5～3.0 m。鰻魚沙段淤積部分主要位于高港邊灘下游側(cè)及右汊疏浚區(qū)，淤積幅度約 0.5～1.0 m。年維護(hù)量約30萬m3。

注：整治建筑物完工后，2017-02～2018-11。圖5 鰻魚沙段地形沖淤變化圖Fig.5 Scouring and silting change map of Eel sand

(2)試運(yùn)行航道維護(hù)量預(yù)測(cè)。根據(jù)設(shè)計(jì)文件，工程方案實(shí)施后，三益橋邊灘右緣航道淺區(qū)(上淺區(qū))位置沖刷0.5～2.6 m，落成洲左緣凸岸處航道內(nèi)淺區(qū)(下淺區(qū))位置沖刷1.0～2.0 m；右汊呈淤積狀態(tài)，淤積厚度0.5～4.2 m。平常水文年后航槽內(nèi)12.5 m等深線貫通，上淺區(qū)位置航寬略有不足，12.5 m等深線最窄處約305 m，淺區(qū)最小水深約12.0 m。

鰻魚沙右汊進(jìn)口沖刷深度在0.2～1.6 m，鰻魚沙左汊進(jìn)口出現(xiàn)淤積，厚度在0.2～1.0 m；鰻魚沙右汊下段沖刷幅度較小，在0.1～1.2 m，淺區(qū)仍然存在；前期守護(hù)工程上游鞍槽位置潛堤兩側(cè)護(hù)灘帶間總體呈淤積態(tài)勢(shì)，淤積幅度0.2～2.5 m，前期守護(hù)工程左側(cè)及鰻魚沙心灘中段左側(cè)呈帶狀淤積，淤積幅度0.2～3.5 m；前期守護(hù)工程以下潛堤兩側(cè)護(hù)灘帶間心灘灘面均處于淤積狀態(tài)，普遍淤積幅度0.2～2.0 m。

根據(jù)泥沙數(shù)模研究成果，平常水沙年條件下，落成洲左汊航道(經(jīng)設(shè)計(jì)變更拓寬至450 m后)年維護(hù)量約108.6萬m3，鰻魚沙段航道年維護(hù)量約1.0萬m3。

3 整治工程前后預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)效果對(duì)比分析

3.1 河勢(shì)變化對(duì)比

注：整治建筑物完工后，2017-05～2018-11。圖6 落成洲段地形沖淤變化圖Fig.6 Scouring and silting change map of Luocheng island

(1)沖淤變化：從圖5可以看出鰻魚沙段潛堤與護(hù)灘帶掩護(hù)區(qū)內(nèi)大部淤積，淤積厚度約為1 m，沙尾沖刷上提現(xiàn)象得到初步扭轉(zhuǎn)。鰻魚沙左汊上段略有沖刷，沖刷深度在0～1 m，下段呈淤積狀態(tài)，淤積厚度約在1～3 m，右汊上段略有淤積，淤積厚度在1 m左右，中下段普遍沖刷，沖刷深度在1～3 m。從圖6可以看出落成洲沙頭呈持續(xù)淤積狀態(tài)，淤積厚度在3～5 m，沙頭得以繼續(xù)穩(wěn)固，左汊三益橋—三江營航道范圍內(nèi)略有淤積，淤積厚度約為1 m，三江營下游側(cè)為沖刷狀態(tài)，沖刷深度在5 m左右。與設(shè)計(jì)階段整治效果數(shù)模物模預(yù)測(cè)結(jié)果相比，主要沖淤部位、沖淤幅度符合預(yù)期。

表1 落成洲左汊落潮分流分沙比Tab.1 Discharge and sand ratio of ebb current in the left branch of Luocheng island

(3)分流比變化：由表1可以看出，落成洲左汊為主要分流通道，自2015年6月工程開工后，落成洲左汊分流比由76.8%提升至工程后的80.8%，落成洲左汊分流比呈增加趨勢(shì)，右汊限流、左汊發(fā)展趨勢(shì)開始顯現(xiàn)；左汊分沙比由工程前75.4%上升至工程后80.4%，分沙比略有增加，年內(nèi)枯季分沙比一般大于洪季分沙比，且枯季分沙比大于分流比，洪季分沙比略小于分流比。初步設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)落成洲右汊分流比減小3.4%左右，落成洲右汊實(shí)測(cè)分流比減小4%，實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。

3.2 流場(chǎng)變化對(duì)比

整治工程實(shí)施后，口岸直水道鰻魚沙段與落成洲段整體分流格局未發(fā)生顯著變化，整治建筑物周邊水域流場(chǎng)存在局部調(diào)整。鰻魚沙段整治建筑物區(qū)域流速減小，減小幅度在0.3 m/s左右，左右汊流速略有增大，增大幅度約0.05 m/s；落成洲整治建筑物掩護(hù)區(qū)流速減小，流速減小約0.3 m/s，左汊丁壩挑流區(qū)水動(dòng)力增強(qiáng)，流速增大約0.1～0.2 m/s，右汊水動(dòng)力減弱。與設(shè)計(jì)階段流場(chǎng)變化預(yù)測(cè)結(jié)果相比，流速增減區(qū)域基本相同，量值變化幅度好于預(yù)期。

3.3 航道維護(hù)量對(duì)比

(1)初通維護(hù)量：初通期22個(gè)月(2016-07～2018-04)航道維護(hù)疏浚方量為86萬m3，與設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)的初通年維護(hù)量30萬m3相比又略有增加。

(2)試運(yùn)行航道維護(hù)量：試運(yùn)行期前10個(gè)月(2018-05～2019-02)維護(hù)疏浚方量154.6萬m3，與設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)的平常水沙年條件下航道的年維護(hù)量109.6萬m3相比有一定幅度的增加。主要原因?yàn)槁涑芍薅魏降辣眰?cè)邊線緊靠三益橋邊灘，目前邊灘仍處于南淤下延狀態(tài)，對(duì)維持航道水深條件產(chǎn)生一定壓力，實(shí)際維護(hù)量相比預(yù)測(cè)值增加。

3.4 其他方面變化

(1)深泓線變化?？诎吨彼涝囘\(yùn)行期深泓線繼續(xù)保持穩(wěn)定，鰻魚沙段深泓線變化幅度很小，落成洲左汊深泓線基本穩(wěn)定，無繼續(xù)右偏的趨勢(shì)。

(2)航道尺度變化。

工程前口岸直鰻魚沙段12.5 m深槽寬度條件較好，各斷面深槽寬度均大于設(shè)計(jì)最小航寬，最窄處位于鰻魚沙右汊鐵匠港閘處。設(shè)計(jì)初通航道范圍內(nèi)水深全部大于11.5 m；初通期與試運(yùn)行期，12.5 m深槽基本穩(wěn)定，深槽寬度變化幅度較小。除鐵匠港閘、高港附近局部最小水深不足外，其余區(qū)段均滿足設(shè)計(jì)水深要求。

（2）免疫學(xué)指標(biāo)：在 HAART后一年，CD4+T淋巴細(xì)胞數(shù)與治療前相比增加了30%或CD4+T淋巴細(xì)胞數(shù)增長100個(gè)/μL，提示治療有效。

工程前落成洲段深槽寬度條件較好，各斷面深槽寬度均滿足設(shè)計(jì)寬度要求，最窄處位于王家橋斷面。設(shè)計(jì)初通航道范圍內(nèi)最小水深淺于11.5 m的區(qū)段主要分布于樊家集—三益橋；初通期王家橋斷面深槽寬度大幅改善，初通航道范圍內(nèi)最小水深淺于11.5 m的區(qū)段主要為王家橋—躍進(jìn)閘；試運(yùn)行期12.5 m深槽寬度持續(xù)加大，深槽最窄處位于嘶馬斷面，也滿足設(shè)計(jì)最小航寬要求。除三益橋邊灘淤長南壓進(jìn)入航道導(dǎo)致局部水深存在淺點(diǎn)外，航段沿程平均水深全部滿足設(shè)計(jì)水深要求。

(3)航道水流條件變化。工程前后，航道沿程流速變化范圍主要集中于整治建筑物周邊水域，其中鰻魚沙左右汊流速略有增大，流速增大值約為0.1 m/s，落成洲左汊躍進(jìn)閘—嘶馬段水動(dòng)力增強(qiáng)，落急流速增加0.2～0.3 m/s。工程后，除與整治建筑物相距較近的少數(shù)點(diǎn)外，流向與航道夾角均呈減小趨勢(shì)，水流歸槽，有利于深槽保持。

(4)固灘效果分析。鰻魚沙整治工程實(shí)施后，鰻魚沙頭部有所淤積，有效遏制了沙頭的沖刷后退。同時(shí)鰻魚沙左緣淤積明顯且尾部丁壩根部周圍也有所淤積，鰻魚沙心灘左緣和沙尾沖刷的態(tài)勢(shì)得到了一定的控制，“一灘兩槽”的格局相對(duì)穩(wěn)定。鰻魚沙沙體10 m以淺體積及面積均明顯增大，護(hù)灘效果明顯。

落成洲整治工程實(shí)施后，隨著潛堤、丁壩及護(hù)底工程的完成，洲頭及北側(cè)丁壩附近明顯淤積，落成洲洲頭沖刷后退的態(tài)勢(shì)得到了有效遏制。南側(cè)丁壩附近淤積明顯，穩(wěn)定并且改善了左右汊的分流格局，左汊航道淺段的動(dòng)力有所增大。

(5)排邊沖淤情況。鰻魚沙段工程實(shí)施以來最大沖刷發(fā)生在尾部潛堤左側(cè)，最大累計(jì)沖刷深度8.1 m，防護(hù)效果良好。落成洲段潛堤最大沖刷出現(xiàn)在右汊，最大累計(jì)深度達(dá)6.8 m，防護(hù)效果良好。兩側(cè)丁壩最大沖刷出現(xiàn)在右側(cè)丁壩處，最大累計(jì)深度達(dá)14.9 m，沖刷較為明顯。

(6)整治建筑物自身穩(wěn)定性。在監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)，整治建筑物各監(jiān)測(cè)斷面未發(fā)生較明顯水平位移，也未發(fā)生較明顯沉降，表明整治建筑物結(jié)構(gòu)安全可靠。

4 結(jié)論

(1)整治工程實(shí)施后，鰻魚沙沙頭有所淤積，有效遏制了沙頭的沖刷后退。沙體左緣大部、右緣尾部淤積明顯，鰻魚沙心灘左緣和沙尾沖刷的態(tài)勢(shì)得到了一定的控制，“一灘兩槽”的格局繼續(xù)保持穩(wěn)定。落成洲洲頭及北側(cè)丁壩附近明顯淤積，落成洲洲頭沖刷后退的態(tài)勢(shì)得到了有效遏制。南側(cè)丁壩附近淤積明顯，改善了左、右汊的分流格局；右汊下段有所沖刷。整治建筑物監(jiān)測(cè)點(diǎn)未發(fā)現(xiàn)明顯水平位移與沉降。落成洲LR2護(hù)底帶下游側(cè)存在異常沖刷區(qū)。

(2)初通基建工程無需疏浚，深水航道主要通過調(diào)標(biāo)完成。初通期22個(gè)月(2016-07～2018-04)維護(hù)疏浚量86萬m3，落成洲段三益橋淺區(qū)初通維護(hù)量相對(duì)較大。后續(xù)基建工程量177.2萬m3。試運(yùn)行期前10個(gè)月(2018-05～2019-02)維護(hù)疏浚量154.6萬m3，主要集中在落成洲段三益橋淺區(qū)。三益橋邊灘目前處于自然演變狀態(tài)，邊灘呈向南淤長趨勢(shì)，對(duì)保持深水航道的水深條件產(chǎn)生不利影響。特別是三益橋淺區(qū)段航寬由350 m提升至450 m后，該段航道維護(hù)疏浚量進(jìn)一步增長，未來需進(jìn)一步加強(qiáng)跟蹤觀測(cè)三益橋邊灘淤長，分析對(duì)深水航道的影響。

(3)口岸直水道整治工程實(shí)現(xiàn)了12.5 m深水航道的貫通，整治建筑物總體實(shí)現(xiàn)整治意圖。鰻魚沙段航道整治后繼續(xù)保持穩(wěn)定狀態(tài)，落成洲段航道在#92黑浮～#94黑浮區(qū)間拓寬后，航道維護(hù)疏浚量相對(duì)較大。

(4)口岸直水道航道整治工程達(dá)到了預(yù)期的航道整治目標(biāo)，工程治理方案總體合理，航道整治效果符合預(yù)期。