草尾河響水坎河段水流及礙航特性研究

葉應(yīng)明，普曉剛，海顯盛，章日紅，楊燕華

(1.湖南省益陽航道事務(wù)中心，益陽 413001；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456；3.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，長(zhǎng)沙 410008)

草尾河又稱開湖航線，位于洞庭湖中部，上游西起茅草街，向東經(jīng)草尾、黃茅洲、新河口、幸福港、漉湖至鲇魚口匯入湘江洪道，全長(zhǎng)73 km，是沅水、澧水及長(zhǎng)江三口(藕池口、太平口和凇滋口)來水流入東洞庭湖的主要洪道之一，是連接西、南與東洞庭湖的捷徑航道。該航道原為西南洞庭湖的泄洪道，后隨著洞庭湖的淤積和圍墾而逐漸沖刷發(fā)展成為一條季節(jié)性航道，著名險(xiǎn)灘“響水坎”(圖1)就處在該水道中[1-3]。草尾河經(jīng)過多次治理[4-6]，該航段基本滿足Ⅲ級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)，可通航1 000 t級(jí)船舶。為適應(yīng)沿江經(jīng)濟(jì)發(fā)展和船舶大型化需要，《湖南省“十四五”水運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》草尾河航道等級(jí)由Ⅲ級(jí)提升至Ⅱ級(jí)，航道水深將由2.0 m提高到3.0 m。

圖1 草尾河響水坎位置示意圖Fig.1 Location of Xiangshuikan of Caowei River

河道水流特性是研究河床演變規(guī)律、分析礙航特性的基礎(chǔ)[7-10]，在航道整治工程方案研究中，對(duì)河段現(xiàn)狀水流特性與方案實(shí)施后水流特性對(duì)比分析，是判斷整治方案效果的重要方法[11]。為了解草尾河響水坎河段水流及航道礙航特性，彌補(bǔ)原型實(shí)測(cè)資料的不足，采用正態(tài)定床水流模型試驗(yàn)，對(duì)現(xiàn)狀條件下各特征流量的水面比降、水流動(dòng)力軸線的位置、流場(chǎng)及航道流速沿程分布等進(jìn)行了深入研究。成果為研究河段航道整治思路的確立提供依據(jù)。

1 基本概況

草尾河原是一條季節(jié)性航道，每年僅5～10月高水期通航，中、枯水期因淺灘水深不足以及響水坎灘出現(xiàn)跌水而斷航。1971年—1986年對(duì)該河段進(jìn)行基建整治，按IV級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，通航保證率95%，設(shè)計(jì)水深1.6～1.8 m，航寬50～80 m，彎曲半徑大于500 m，共整治淺灘16處，施工河段長(zhǎng)度達(dá)航線全長(zhǎng)的一半。

2002年—2006年實(shí)施了III級(jí)航道整治工程，通過采用變坡加局部拓寬的方案，將集中比降分配至響水坎上游各段，流速、比降得到了調(diào)整，結(jié)束了工程前船舶枯水期需助航上灘的歷史，取得了很好的整治效果。2006年10月整治完成后，河段當(dāng)時(shí)實(shí)測(cè)比降分配較為均勻，最大比降為0.65‰，河段平均比降為0.26‰ 。

草尾河開湖航線歷經(jīng)多年整治，成為溝通西、南洞庭湖與東洞庭湖的捷徑航道。近年來受湖區(qū)水沙情勢(shì)變化和河道采砂等高強(qiáng)度人類活動(dòng)的綜合影響，“響水坎”河段航道整治竣工地形受到嚴(yán)重破壞，響水坎河段(主要指阿彌石及靈官咀兩灘段)附近通航條件又急劇惡化，枯水期船舶通航困難，為“戰(zhàn)枯保暢”，確保安全，湖南省水運(yùn)管理局于2018年12月12日成立“漉湖響水坎公益助航點(diǎn)”，采用大功率頂推輪2艘、拖輪1艘實(shí)行公益助航，協(xié)助過往船舶通行。

2 模型概況及試驗(yàn)水文條件

2.1 模型概況

響水坎河段定床物理模型范圍上起茶盤洲鎮(zhèn)，下至漉湖鎮(zhèn)，航道里程約K16.5～K28.5，模擬原型河道長(zhǎng)約12 km(圖2)，包括阿彌石、靈官咀和漉湖共三個(gè)灘段；模擬寬度至高程29 m附近，原型河道寬度500～1 000 m。

模型制作依據(jù)2019 年5 月實(shí)測(cè)1:2 000河道地形圖，模型平面及垂直比尺80、流速比尺8.944，流量比尺512 000，糙率比尺2.076。模型開展了驗(yàn)證試驗(yàn)，分別對(duì)實(shí)測(cè)Q=515 m3/s、724 m3/s、1 300 m3/s三級(jí)流量的水面線、斷面流速分布等進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，模型與原型達(dá)到了阻力相似和水流運(yùn)動(dòng)相似，滿足《水運(yùn)工程模擬試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范》的要求。

表1 試驗(yàn)典型流量級(jí)Tab.1 Typical flow level of test

2.2 試驗(yàn)水文條件

研究河段上游設(shè)有草尾水文站(航道里程K70)，物理模型出口附近(航道里程K17)布設(shè)了1把常年固定水尺，觀測(cè)有2019年2月～11月逐日水位資料，研究河段內(nèi)無大的支流入?yún)R。

因高水期草尾河水面平緩，船舶航行情況較好，故物理模型重點(diǎn)針對(duì)中枯水期航道條件進(jìn)行研究。根據(jù)草尾站1990年—2020年多年實(shí)測(cè)流量統(tǒng)計(jì)，平均流量為1 038 m3/s。根據(jù)河道來流情況，確定了4種試驗(yàn)工況(表1)。

圖2 水流特性試驗(yàn)水尺布置Fig.2 Layout of water gauge for flow characteristic test

3 各級(jí)流量下水面比降

研究河段沿程共布設(shè)了22把水尺，每個(gè)灘段灘頭、灘中及灘尾分別布置1把水尺，阿彌石、靈官咀灘段進(jìn)行了加密布置(圖2)。

圖3 沿程水面線變化Fig.3 Variation of water surface line along the route

各級(jí)流量下沿程水面線變化(圖3)可以看出，試驗(yàn)河段沿程水面線隨流量的增加而升高，試驗(yàn)河段水位落差隨流量增加而明顯減小，最小落差發(fā)生在流量1 500 m3/s時(shí)，為0.39 m；最大落差發(fā)生在設(shè)計(jì)流量460 m3/s時(shí)，為3.78 m，其中阿彌石-靈官咀前段(L1～L14)長(zhǎng)約4.8 km，水位降落3.59 m，約占該流量級(jí)下試驗(yàn)河段水位總降幅3.78 m的95%。

試驗(yàn)河段水面比降(圖4)具有如下特征：阿彌石-靈官咀前段灘段在枯水期水面比降較大，其中阿彌石灘段L3～L4、靈官咀灘段L13～L14河段水流歸槽，且其下游附近均緊接深槽放寬段，兩處比降較大出現(xiàn)跌水現(xiàn)象，靈官咀前段平均比降最大達(dá)1.58‰，隨流量增加逐漸減小，Q=1 500 m3/s時(shí)，降至0.25‰；靈官咀后段-漉湖灘段為深槽區(qū)，各級(jí)流量下灘段水面比降平緩，在0.20‰以內(nèi)。

4 設(shè)計(jì)流量下航道水深

圖5中為設(shè)計(jì)最小通航流量(460 m3/s)下航道內(nèi)底(淺點(diǎn))高程與設(shè)計(jì)3.0 m航深線沿程分布對(duì)比?？梢钥闯?，阿彌石、靈官咀灘段航深較淺，最小水深僅為1.35 m、1.06 m，且灘段淺區(qū)相連；漉湖灘處于深槽河段，河道內(nèi)水深較大，局部區(qū)域航深不足，最小水深2.03 m?？梢钥闯?，航線布置時(shí)雖已充分考慮利用深槽，但設(shè)計(jì)流量下，仍有大部分灘段不能滿足設(shè)計(jì)3.0 m的航深要求。

圖4 不同流量下比降沿程變化Fig.4 Variation of gradient along the path under different flow rates圖5 航道底高程與設(shè)計(jì)3.0 m航深線沿程分布對(duì)比Fig.5 Comparison of channel bottom elevation and design 3.0 m navigation depth line along the route

5 各級(jí)流量下流速場(chǎng)

5.1 流場(chǎng)變化

各級(jí)流量下，大流速區(qū)出現(xiàn)在阿彌石、靈官咀的束窄段。

(1)Q=460 m3/s、700 m3/s時(shí)水流歸槽，阿彌石灘段枯水河槽為S型彎道(圖6)，彎曲段主槽由右側(cè)過渡至左側(cè)，且中間存在兩處深潭，河床形態(tài)復(fù)雜；受彎道河勢(shì)及灘中部?jī)商幧钐队绊懀菟髁肯逻B續(xù)彎道段存在彎道水流坐彎現(xiàn)象，水流流態(tài)差。靈官咀陡坎以上水面寬度狹窄，水流基本集中于主槽內(nèi)，水流流速相對(duì)較大，陡坎附近水流由上游窄淺急流突擴(kuò)進(jìn)入下游寬深緩流區(qū)，在陡坎下游附近主流左側(cè)形成一強(qiáng)度較大的橢圓形回流區(qū)(圖7)，受回流區(qū)頂推作用，主流帶彎曲且向右偏轉(zhuǎn)，而后順下游深槽河勢(shì)而下；靈官咀陡坎與漉湖束窄段之間河面放寬，水深增大，水流流速變緩；漉湖束窄段深槽狹窄，水流流速有所增大。

(2)Q=1 000 m3/s、1 500 m3/s時(shí)，阿彌石、靈官咀段河面隨流量增大展寬，邊灘開始過流，同時(shí)水流流速相應(yīng)減??；靈官咀陡坎及漉湖束窄段水面增大，流速變緩。

圖6 阿彌石灘段水流流態(tài)(Q=460 m3/s)Fig.6 Flow pattern of Amishitan section (Q=460 m3/s)圖7 靈官咀陡坎附近水流流態(tài)(Q=460 m3/s)Fig.7 Flow pattern near Lingguanzui scarp (Q=460 m3/s)5.2 航道內(nèi)流速

圖8 現(xiàn)狀條件下航道內(nèi)沿程流速變化Fig.8 Variation of flow velocity along the channel under current conditions

典型流量下各灘段航道內(nèi)沿程流速變化(圖8)特征：阿彌石灘段，受枯水期水流歸槽、槽底高程沿程變化幅度大、水面比降大等因素影響，航道內(nèi)沿程流速變化幅度較大，Q=460 m3/s、700 m3/s流量下，航道內(nèi)流速分別介于0.43～3.27 m/s、0.57～3.54 m/s；隨流量增加，灘地逐漸漫水過流，航道內(nèi)最大流速有所減小，Q=1 500 m3/s時(shí)，最大流速為1.64 m/s。

靈官咀灘前段枯水期水流歸槽，灘段水面比降大，航道內(nèi)流速較大，Q=460 m3/s、700 m3/s流量下，流速分別介于0.31～3.46 m/s、0.58～3.50 m/s；中水期灘地漫水分流，航道內(nèi)流速有所減小，Q=1 500 m3/s時(shí)，流速介于0.83～1.52 m/s。

漉湖灘段，Q=460 m3/s、700 m3/s、1 500 m3/s三級(jí)流量下，航道內(nèi)流速分別介于0.29～1.74 m/s、0.35～1.80 m/s、0.36～1.23 m/s，最大流速出現(xiàn)在漉湖中段束窄河段(航道里程K18)，洪水期灘地漫水分流，航道內(nèi)最大流速較枯水期有所減小。

5.3 水動(dòng)力軸線

Q=460 m3/s、1 500 m3/s兩級(jí)枯、洪水流量下的水流動(dòng)力軸線位置變化可知，Q=460 m3/s、1 500 m3/s兩級(jí)枯、洪水流量下，研究河段水流動(dòng)力軸線與深槽位置及航道走向基本一致，大部分河段的水流動(dòng)力軸線相差不大，以下河段水動(dòng)力軸線略有移動(dòng)：(1)阿彌石灘中段S型彎道段(圖9)，隨中水期下彎段右側(cè)灘段漫水過流，水流動(dòng)力軸線趨直，至彎道出口水動(dòng)力軸線調(diào)整至航槽范圍內(nèi)，彎道以下水動(dòng)力軸線較枯水期最大右移約200 m；(2)漉湖灘束窄段下游(圖10)，隨中水期側(cè)灘地漫水過流，上游附近河段水動(dòng)力軸線較枯水期右移約80 m。

6 礙航特性分析

草尾河響水坎河段航道應(yīng)為Ⅲ級(jí)，航道尺度為2.0 m×90 m×500 m，通航1 000 t級(jí)船舶。目前，由于近年來河道采砂和三峽水庫運(yùn)行對(duì)水位的影響日趨明顯，研究河段下游所處的洞庭湖區(qū)周圍代表性各站的枯水同流量下水位大幅下降，同時(shí)受工程河段沖淤變化影響，研究河段多處河段航道水深較小，部分河段不能滿足2.0 m的最小航深要求。在航道等級(jí)由Ⅲ級(jí)提升至Ⅱ級(jí)后，設(shè)計(jì)航道水深需提高到3.0 m，響水坎河段的阿彌石、靈官咀灘段大部分航段不能滿足3.0 m設(shè)計(jì)航深要求。此外，由于響水坎河段河道過度采砂，導(dǎo)致該河段河床下切嚴(yán)重，下游段成湖區(qū)，在靈官咀、阿彌石灘段形成陡坎，即相同長(zhǎng)度的工程河段范圍，水位總落差略有增加的情況下，下游段比降趨于平緩，水面比降向上游段集中，水流特性試驗(yàn)結(jié)果表明兩灘段均存在急流礙航，且枯水期航深不足，即研究河段主要表現(xiàn)為枯水期流急、水淺的礙航特性。

圖9 阿彌石彎道水動(dòng)力軸線變化Fig.9 Variation of hydrodynamic axis of Amish bend圖10 漉湖段水動(dòng)力軸線變化Fig.10 Variation of hydrodynamic axis in Luhu section

根據(jù)本河段的航道現(xiàn)狀、河道特性、水流特點(diǎn)和航運(yùn)需求，確定本工程的整治原則為：(1)統(tǒng)籌兼顧原則，以航運(yùn)為主，統(tǒng)籌兼顧水利泄洪排澇、生態(tài)環(huán)保等要求，河道綜合治理，實(shí)現(xiàn)總體利益最大化；(2)疏浚為主原則，充分考慮工程河段湖區(qū)水流特性，兼顧河段防洪重要性，以防洪安全為原則，盡量布置挖槽進(jìn)行疏浚，盡量不增加整治建筑物；(3)因勢(shì)利導(dǎo)原則，根據(jù)河床演變的規(guī)律，順應(yīng)河勢(shì)確定整治線在河道中的位置，盡可能與現(xiàn)有中枯水航槽走向相一致。

7 整治方案效果

針對(duì)研究河段的礙航特性，提出整治思路為：將河段整體考慮為灘群，按“上挖下填”整治思路，兼顧河道生態(tài)性綜合治理，盡量恢復(fù)河床，調(diào)整工程河段河床坡降。即采取上游疏挖+下游修復(fù)性填槽工程措施，以調(diào)整河段比降，降低流速，增加航道水深，同時(shí)有必要對(duì)河段進(jìn)行恢復(fù)和防護(hù)，控制響水坎下游河道深槽上延，防止響水坎跌坎的再次形成和上溯，減少響水坎鄰近河道沖刷，以維持河岸和航道長(zhǎng)期穩(wěn)定。

整治方案對(duì)靈官咀陡坎至漉湖河段的深槽進(jìn)行修復(fù)回填，回填頂高程按設(shè)計(jì)水位下4 m控制；對(duì)航槽水深較淺區(qū)域進(jìn)行疏挖，考慮到近期洞庭湖水位下降態(tài)勢(shì)，研究河段靈官咀陡坎以上航槽水深按3.3 m考慮。靈官咀陡坎以下至漉湖灘段航槽平均回填厚度分別為2.80 m，靈官咀陡坎以上航槽平均疏挖深度為1.31 m。

整治方案實(shí)施后，靈官咀陡坎以下至漉湖灘段水位上升，靈官咀陡坎上游疏挖區(qū)水位下降，減小了阿彌石至漉湖河段的比降。設(shè)計(jì)最小通航流量460 m3/s時(shí)，沿程水位最大升高0.29 m，出現(xiàn)在陡坎附近；沿程水位最大下降1.98 m，出現(xiàn)在阿彌石灘頭附近。在試驗(yàn)工況條件下，研究河段局部比降最大值出現(xiàn)在流量460 m3/s，最大比降由工程前的1.58‰減小到0.61‰；航道內(nèi)最大流速出現(xiàn)在流量700 m3/s，由工程前的3.54 m/s減小到2.35 m/s。整治方案實(shí)施后，靈官咀河段左岸回流基本消失，水流較為平順；此外，通過對(duì)阿彌石彎道左、右側(cè)進(jìn)行拓寬，并對(duì)阿彌石河段深槽進(jìn)行修復(fù)性回填后，水流比較平順，水流條件明顯改善?？偟膩砜?，采取上游疏挖+下游修復(fù)性填槽工程措施，可以有效治理研究河段枯水期流急、水淺的礙航問題。

8 結(jié)語

(1)草尾河響水坎河段水位落差隨流量減小而明顯增加，主要集中在阿彌石及靈官咀灘段長(zhǎng)約4.8 km河段，設(shè)計(jì)流量下水位降落達(dá)3.59 m，占12 km研究河段水位總降幅3.78 m的95%。

(2)草尾河響水坎河段航道等級(jí)由Ⅲ級(jí)提升至II級(jí)后，現(xiàn)狀條件下，各灘段在設(shè)計(jì)最小通航流量下(Q=460 m3/s)均存在航深不足的礙航問題。

(3)阿彌石灘段枯水河槽為S型彎道，彎曲段主槽由右側(cè)過渡至左側(cè)，且中間存在兩處深潭，河床形態(tài)復(fù)雜；枯水期水流歸槽，受彎道河勢(shì)及灘中部?jī)商幧钐队绊懀B續(xù)彎道段存在彎道水流坐彎現(xiàn)象，水流流態(tài)差。該灘段為枯水期流急、水淺的礙航險(xiǎn)灘。

(4)靈官咀灘前段枯水期水流歸槽，水淺、流急；灘中段陡坎附近，水流由上游窄淺急流突擴(kuò)進(jìn)入下游寬深緩流區(qū)，在陡坎下游附近主流左側(cè)形成一大范圍回流區(qū)，航道內(nèi)水流流態(tài)差；該灘段為枯水期流急、水淺的礙航險(xiǎn)灘。

(5)針對(duì)響水坎河段航道礙航特性，初步提出航道整治思路是通過上游淺區(qū)段疏挖、下游深槽段修復(fù)性回填及邊灘修復(fù)相結(jié)合的方式調(diào)整河床形態(tài)，整治方案效果研究表明，達(dá)到了減小阿彌石至靈官咀河段水位落差，改善水流流態(tài)及通航條件的目的。