感潮河段整治線寬度確定方法

肖烈兵，阮 偉

(1.中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200120；2.浙江大學(xué)，杭州 300058)

整治線寬度的概念來(lái)自于具有漲淤落沖規(guī)律的徑流河道淺灘段航道整治，是指對(duì)應(yīng)于整治水位的河寬縮窄度。相關(guān)研究已有半個(gè)多世紀(jì)，就其途徑而言，大致可分為經(jīng)驗(yàn)分析方法、水力學(xué)方法和河流動(dòng)力學(xué)方法三大類。

1 問(wèn)題的提出

經(jīng)驗(yàn)分析方法是根據(jù)河道實(shí)測(cè)資料，找出優(yōu)良河段河寬水深之間的關(guān)系，得到經(jīng)驗(yàn)公式或確定方法，包括河相關(guān)系公式法、優(yōu)良河段與淺灘段之間的河寬、水深比值關(guān)系法，以及優(yōu)良河段河寬與斷面平均水深函數(shù)關(guān)系法等三種，三種方法均是建立河道寬度與水深之間的經(jīng)驗(yàn)公式，并且利用河道自身的資料確定公式中的系數(shù)，最終得到需要的航道水深與整治流量(或水深)相應(yīng)的河寬。

水力學(xué)方法的基本出發(fā)點(diǎn)是以河道水力學(xué)為基礎(chǔ)，聯(lián)解有關(guān)水力學(xué)方程得到整治線寬度公式，如最普遍的方法就是聯(lián)解明渠恒定均勻流的連續(xù)方程和阻力方程，并且基于整治后淺灘可重塑優(yōu)良河段的斷面形態(tài)的認(rèn)識(shí)，引入河相關(guān)系式共同聯(lián)解，或是假定淺灘整治前后通過(guò)的整治流量相等或相對(duì)平衡的(VJ)相等，同樣將其與連續(xù)方程和曼寧公式聯(lián)解，即可得到整治前后與整治流量相對(duì)應(yīng)的河寬-水深關(guān)系式。

河流動(dòng)力學(xué)方法在水力學(xué)方法的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮水流與河床之間的相互作用與變化，根據(jù)泥沙運(yùn)動(dòng)理論及河床演變的某些規(guī)律推求整治線寬度公式。其中還包含了根據(jù)河床變形計(jì)算法推求整治線寬度的方法，基于河道沿程輸沙平衡或淺灘整治前后輸沙能力平衡的方法，其中最有代表性和影響最大的是最后一種方法，其基本觀點(diǎn)是：淺灘整治前后通過(guò)的流量不變，河道輸沙能力不變，水位達(dá)到設(shè)計(jì)水位后水流停止造床。通過(guò)引入推移質(zhì)泥沙或懸移質(zhì)泥沙輸沙率方程，與水流連續(xù)方程和阻力方程及河相關(guān)系式聯(lián)立求解，最終同樣得到整治前后與整治流量相對(duì)應(yīng)的河寬-水深關(guān)系式。

顯然，河流動(dòng)力學(xué)方法無(wú)疑是理論上最為完整的，不僅考慮了淺灘整治前后通過(guò)的水流變化，而且也考慮了泥沙運(yùn)動(dòng)及其引起的河床變化，并在許多工程實(shí)踐中得到應(yīng)用和檢驗(yàn)。雖然各種方法出發(fā)角度和基本點(diǎn)不完全相同，但最終都得出了如下的公式形式

其中系數(shù)A與指數(shù)y受來(lái)水來(lái)沙條件和河道水沙運(yùn)動(dòng)特性等多種因素的影響，并隨著淺灘整治前后河床形態(tài)變化、主槽流量增減、床面粗化等因素而變化。

對(duì)于感潮河段，由于水沙動(dòng)力因素與徑流河道不同，上述方法的出發(fā)點(diǎn)和基本點(diǎn)雖不能完全符合實(shí)際情況，但仍具有參考借鑒的意義。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究,得到一系列經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)的公式。竇國(guó)仁[1]假定“淺灘整治前后河道輸沙能力不變”，推導(dǎo)出了整治線寬度的公式。張幸農(nóng)[2]、張瑋[3]從泥沙運(yùn)動(dòng)和河床演變角度，提出了沖積河流淺灘相應(yīng)的整治線寬度公式。解中柱[4]采用多種方法相結(jié)合，結(jié)合淺灘的具體情況綜合確定了宜賓至重慶段淺灘的整治水位和整治線寬度。樂培九、李旺生[5]引入沿程河床相對(duì)可動(dòng)性為常數(shù)的假定，從沿程床沙動(dòng)或不動(dòng)的幾率相同的觀點(diǎn)出發(fā)，獲得了沖積河流航道整治線寬度的理論公式。王秀英等[6]提出了適應(yīng)不同類型淺灘整治的局部輸沙模式及平衡系數(shù)確定公式,建立了能夠適用于束窄河寬和調(diào)整斷面水沙分配等不同形式建筑物整治線寬度確定的統(tǒng)一公式。國(guó)外A.Vanoni[7]、I.Jansen也提出了相關(guān)的河道整治原則。整治線寬度的計(jì)算還有許多公式可循[8-13]，然而這些公式多是在某些特定條件下或引入假定求得，在應(yīng)用時(shí)常使人難以取舍判斷，且考慮潮汐因素的公式甚少，因此很有必要進(jìn)一步加以研究。

2 潮汐河段整治線寬度確定方法

漲落潮流對(duì)于航道整治工程的作用往往呈現(xiàn)不同的有時(shí)甚至相反的作用。一般來(lái)講，在徑流較大、落潮流占優(yōu)勢(shì)的河口汊道，當(dāng)在淺段布置整治建筑物后，航道范圍內(nèi)落潮流的單寬流量和輸沙率增大，有利于淺灘沖刷和航道維護(hù)。因此，落潮水流經(jīng)過(guò)整治工程后對(duì)航道有利，這一點(diǎn)與目前對(duì)徑流較大的感潮河段和河口區(qū)采用落潮流進(jìn)行整治相符。對(duì)于漲潮流，在整治初期，淺灘被沖刷，其部分泥沙將被攜帶至整治范圍內(nèi)的邊灘區(qū)域，造成邊灘上游地段的淤積。隨著時(shí)間推移，上游航道和邊灘淤積以及工程所帶來(lái)的河道阻力的增大，將使得河道納潮量減小，抵消了落潮流的整治效果。因此，在徑流較大的感潮河段和河口區(qū)，增加河段的落潮動(dòng)力往往是整治感潮河段的主要思路，而增加漲潮流對(duì)整治工程效果往往起著不利的影響。

整治感潮河段和河口所依據(jù)的是束水攻沙的原理，即通過(guò)增大整治線范圍內(nèi)的輸沙能力，以達(dá)到?jīng)_深淺灘并維持航道斷面。整治建筑物頂高程取最優(yōu)整治水位時(shí)，累計(jì)的整治效果將達(dá)到最大值，即斷面輸沙能力達(dá)到最大值，此即為最大輸沙能力法的原理[14]。此時(shí)，與最優(yōu)整治水位相對(duì)應(yīng)的水深即為此整治方案下的最大整治水深。由于整治前后輸沙能力的變化和水深變化是相輔相成的[15]，因此最大輸沙能力可通過(guò)最大水深來(lái)反映，而最大輸沙能力又需要在最高整治水位和相應(yīng)整治線寬度前提下進(jìn)行計(jì)算，因此可將最大輸沙能力作為最大水深和整治水位、整治線寬度之間相互聯(lián)系的橋梁。由此通過(guò)對(duì)最大水深的計(jì)算，即可得出最優(yōu)整治水位和相應(yīng)整治線寬度之間的關(guān)系。最后，在河道斷面整治水位已知的前提下，即可得出此處相應(yīng)的整治線寬度。

下面通過(guò)最大輸沙能力法具體分析最優(yōu)整治水位與整治線寬度之間的關(guān)系。

在圖1中，對(duì)于無(wú)潮河流，整治水位z越高(不超過(guò)最高洪水位)，整治建筑物(b區(qū)域)所攔截的輸沙量越多，整治線內(nèi)(B區(qū)域)累積增加的輸沙能力也越大，整治效果也就越好。

圖1 整治斷面示意圖Fig.1 Section of waterway regulation engineering

在感潮河段和河口處，水流為徑流和潮流的相互作用，潮流呈周期性變化，相應(yīng)的輸沙能力也在不斷的變化，整治建筑物雖然增加了落潮輸沙率，但也在一定程度上增加了漲潮輸沙率。在感潮河段和河口處，整治所利用的是落潮流的作用，因此須將由漲潮流引起的不利因素在落潮流因素中進(jìn)行抵消。

由于泥沙等介質(zhì)在輸運(yùn)時(shí)會(huì)占用到該水位以下的過(guò)流斷面，因此在研究某一水位的輸沙能力時(shí)，根據(jù)斷面地形資料及足夠長(zhǎng)的水位、流速(或流量)、含沙量等資料，計(jì)算不同水位下河道斷面在一個(gè)潮周期內(nèi)累積通過(guò)的輸沙量。根據(jù)整治河道斷面的水位、垂線含沙量及流量的實(shí)測(cè)資料，分別描繪出整治斷面的漲、落潮輸沙量隨水位變化的實(shí)測(cè)點(diǎn)，進(jìn)一步擬合出漲、落潮輸沙量隨水位變化的累積函數(shù)Wu(z)、Wd(z)，其分別為全斷面的漲、落潮輸沙量函數(shù)。

H=c1W1/2

(1)

式中：H為水深，c1為系數(shù)，W為輸沙量。

整治工程進(jìn)行后，相應(yīng)增加的水深Hz為

Hz=c1[W1d(z)+△W(z)]1/2-c1W1d(z)1/2

(2)

式中：W1d(z)為整治線范圍內(nèi)整治前的過(guò)輸沙量函數(shù)，△W(z)為邊灘b區(qū)域內(nèi)的綜合過(guò)水量函數(shù)，即假定漲潮流的不利影響在落潮流中扣除。

若要使整治效果最優(yōu)，即要獲得最大的整治水深，則dHz/dz=0，可得

(3)

在潮汐河口淺灘或海港進(jìn)口航道淺段，河道斷面基本為寬淺型，斷面深槽與邊灘之間無(wú)明顯分界。假定流量、含沙量沿?cái)嗝娣植驾^均勻。在邊灘范圍b區(qū)，由于總的過(guò)潮量較小，因此漲潮流的不利因素不能忽略。而在整治線范圍B區(qū)，由于斷面總流量較大，因此漲潮流因素可近似忽略，基于此可假設(shè)扣除漲潮流不利因素之后的潮量與扣除前的潮量比值為C(C可通過(guò)斷面實(shí)測(cè)資料獲得)。基于以上分析，即有

(4)

將式(4)代入到式(3)中整理得

(5)

設(shè)λ=(B+b)/B為縮窄系數(shù)，將其代入式(5)中可得

(6)

則式(6)即為根據(jù)輸沙量與水位曲線確定出的整治水位和整治線寬度的關(guān)系式。

3 典型潮汐河段整治工程案例

本文選取長(zhǎng)江下游福姜沙河段雙澗沙北側(cè)航道SJS1#斷面作為較詳細(xì)的計(jì)算案例，并以長(zhǎng)江南京以下12.5 m深水航道一期工程白茆沙河段整治工程和長(zhǎng)江口深水航道治理工程這兩項(xiàng)成功的航道整治工程作為核算案例。

SJS1#斷面位于雙澗沙北側(cè)航道，寬度約1 900 m，受上游徑流和漲落潮流的影響。該處設(shè)有青龍港上游水文站，因此該斷面有水位、流量和含沙量等較豐富的水文資料。根據(jù)2012年11月29日11時(shí)～11月30日15時(shí)一個(gè)潮周期內(nèi)的水位、流量和含沙量沿垂線分布實(shí)測(cè)資料，分別擬合全斷面的漲、落潮輸沙量與潮位的相關(guān)關(guān)系，擬合圖見圖2、圖3，擬合函數(shù)Wu(z)、Wd(z)為

Wu(z)=-10 303z3+72 472z2-170 727z+133 843

(7)

Wd(z)=3 673.2z3-20 739z2+39 444z-6 072.4

(8)

圖2 落潮輸沙量與潮位的關(guān)系擬合圖 圖3 漲潮輸沙量與潮位的關(guān)系擬合圖Fig.2 Relationship between ebb tide sediment transport and tidal level Fig.3 Relationship between flood sediment transport and tidal level

將式(7)、(8)代入式(6)中進(jìn)行整理。根據(jù)感潮河段整治水位計(jì)算公式求得該斷面處整治水位為1.3 m，因此z值相應(yīng)取為1.3。根據(jù)漲落潮資料分析，此處C值取0.92。將z值和C值代入到整理后的公式中，即可求得λ=1.33。由SJS1#斷面處河寬約為1 900 m，可最終求得整治線寬度B=1 429 m。

進(jìn)一步對(duì)白茆沙河段、長(zhǎng)江口北槽進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證。分別取白茆沙河段蕩茜口位置、長(zhǎng)江口北槽S1丁壩位置和雙導(dǎo)堤出口作為計(jì)算斷面，位置見圖4、圖5。

圖4 白茆沙河段計(jì)算斷面示意圖 圖5 長(zhǎng)江口北槽計(jì)算斷面示意圖Fig.4 Calculation section of Baimaosha river Fig.5 Calculation section of north channel of Changjiang estuary

根據(jù)實(shí)測(cè)水位、流量和含沙量資料，整治水位取建筑物實(shí)際高程，按最大輸沙能力法計(jì)算得北槽和白茆沙整治線寬度，結(jié)果見表1。由表1可見，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值非常接近，證明本文所提出的感潮河段整治線寬度計(jì)算方法是可行的。

表1 整治線寬度計(jì)算值與整治工程高程對(duì)比Tab.1 Comparison between the calculated width of regulation line and the elevation of regulation project m

4 幾點(diǎn)討論

4.1 方法的適用性

本文中整治線寬度計(jì)算方法是對(duì)于感潮河段來(lái)建立的，對(duì)于單向徑流河道不適用。由于公式中必須考慮落潮和漲潮水流分別對(duì)河床的作用，當(dāng)無(wú)漲潮流時(shí)公式無(wú)法建立。

4.2 整治線寬度和整治水位相互關(guān)聯(lián)

整治水位與整治線寬度是一個(gè)組合，當(dāng)整治水位取值較高，整治線寬度也相應(yīng)較大，反之則較小。顯然，對(duì)滿足某一航道整治目標(biāo)而言，可以有多種不同的整治水位和整治線寬度組合。在工程實(shí)踐中，由于整治參數(shù)取值不合理，整治工程難以發(fā)揮作用，航道整治目標(biāo)難以實(shí)現(xiàn)。有時(shí)航道尺度雖然可達(dá)到要求，但整治水位取值較大引起局部過(guò)度沖刷，危及整治建筑物安全或?qū)е铝鲬B(tài)惡化。有的工程造價(jià)過(guò)高，造成工程浪費(fèi)。

為此，整治線參數(shù)的確定一般先行確定整治水位，然后根據(jù)整治水位計(jì)算整治線寬度。對(duì)于天然河流整治水位的含義一般是此水位對(duì)應(yīng)的流量造床作用最大，因而當(dāng)退水期水位降落到整治水位附近時(shí)，整治建筑物開始起到束導(dǎo)水流沖刷河床的作用，沖刷作用的時(shí)間主要集中在整治水位降至設(shè)計(jì)水位的時(shí)段。因而，在實(shí)際工程中考慮局部沖刷、工程影響、工程造價(jià)等多方面因素，整治建筑物高程一般略低于實(shí)際計(jì)算的整治水位。在其值確定以后代入前述公式計(jì)算出整治線寬度，一般情況下結(jié)合數(shù)物模型研究反復(fù)調(diào)整不同的整治水位和整治線寬度組合，以求達(dá)到最優(yōu)的整治建筑物布置。

4.3 守護(hù)工程不存在整治參數(shù)的計(jì)算

感潮河段整治水位是對(duì)應(yīng)于造床流量的水位，有一個(gè)較大的變動(dòng)范圍，尤其是在受潮流影響明顯的河段。鑒于感潮河段航道整治通常是采用以控制河勢(shì)變化或穩(wěn)定洲灘格局為主的守護(hù)工程措施，一般是以低矮的護(hù)灘、護(hù)底潛堤、軟體排為主，輔以護(hù)岸工程措施，以避免對(duì)河道防洪和建筑物局部沖刷造成不利影響。因此，感潮河段守護(hù)工程的高程與整治水位脫離了直接的相關(guān)關(guān)系，整治參數(shù)的計(jì)算基本沒有實(shí)際意義。

5 結(jié)論

本文基于感潮河段水沙運(yùn)動(dòng)分析，從增加落潮輸沙量的角度出發(fā)提出整治線寬度計(jì)算方法，該方法充分考慮到潮汐因素的影響，在感潮河段或者河口具有較好的適用性。提出的最大凈輸沙能力法計(jì)算整治線寬度的方法在一定程度上豐富了航道整治理論。工程設(shè)計(jì)中可以此潮汐河段整治參數(shù)計(jì)算方法為基礎(chǔ)，利用數(shù)學(xué)模型和物理模型等試驗(yàn)手段進(jìn)行深入研究，順應(yīng)河勢(shì)、因勢(shì)利導(dǎo)，合理布置整治建筑物，從而達(dá)到維持或改善航道航行條件的目的。