基于灘槽水流交換的通州沙水道航道整治工程布置研究

肖烈兵，孫鵬，賈雨少

（中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海200120）

0 引言

長江下游通州沙河段處于沖積平原河口河流段，受徑流、潮流的雙重作用，水動(dòng)力條件和泥沙輸移十分復(fù)雜，汊道與汊道、深槽與洲灘之間存在大量水流交換。漲潮和落潮期間均存在由通州沙東水道進(jìn)入西水道的漫灘流。沿程漫灘水流的大量交換，導(dǎo)致局部灘槽格局不穩(wěn)，相應(yīng)航道淺段動(dòng)力削弱，給航槽帶來了回淤沙源，航道條件向不利方向發(fā)展[1]。

長江南京以下12.5 m深水航道一期工程在通州沙河段實(shí)施整治工程攔截部分漫灘流，穩(wěn)定航槽邊界，以實(shí)現(xiàn)固灘、穩(wěn)槽、導(dǎo)流、增深的功能，保證航道水深[2-4]。工程的實(shí)施將改變局部灘槽邊界條件，影響局部灘槽水流交換變化。因此，灘槽水流交換的研究對(duì)整治工程平面布置和航道治理效果分析具有重要的意義。

以往灘槽水流交換的相關(guān)研究大多關(guān)注定性研究或?yàn)┎鬯鹘粨Q引起的河槽地形變化，對(duì)徑流和潮流雙重作用下灘槽水流交換的定量研究涉及較少，且尚未有以灘槽水流交換指導(dǎo)航道整治工程平面布置的研究。

本文通過系統(tǒng)分析灘槽水流交換時(shí)空分布特征，對(duì)航道整治建筑物位置、高程進(jìn)行研究，提出合理的航道整治工程方案，經(jīng)模型計(jì)算驗(yàn)證，工程有效攔截越灘水流，航道整治效果良好。

1 河道特性

長江下游通州沙河段上起西界港，下至徐六涇，全長約39 km，見圖1。

圖1 整治工程實(shí)施前通州沙河段形勢(shì)圖（2012年7月地形）Fig.1 River reach chart of Tongzhousha before the implementation of regulation project(topography in July 2012)

河段上下端河寬相對(duì)較窄，約5.7 km；中段放寬，最大河寬約9.4 km。通州沙河段為暗沙型分汊河道，江中通州沙、狼山沙、新開沙以及鐵黃沙等沙體發(fā)育。其進(jìn)口段主流被通州沙分為東西水道，出口段自左向右分別被新開沙、狼山沙和鐵黃沙分為新開沙夾槽、狼山沙東、西水道和福山水道。目前，長江下泄主流走通州沙東水道—狼山沙東水道。其中，通州沙東水道落潮分流比約90%，狼山沙東水道落潮分流比約65%[5-6]。

通州沙河道礙航區(qū)段主要位于通州沙東水道下段—狼山沙東水道段，尤其新開閘—山水碼頭對(duì)開水域。受漫灘水流及彎道水流的影響，通州沙下段—狼山沙左沿持續(xù)沖刷后退、褲子港沙南緣5～10 m灘坡淤長南壓，深槽彎曲束窄，如果任其發(fā)展將加劇通州沙東水道下段—狼山沙東水道段的礙航程度。因此，灘槽水流交換的強(qiáng)度和分布及其引起的局部灘槽沖淤變化是通州沙河段整治工程平面布置及施工過程中需要考慮的重點(diǎn)問題，是影響工程效果的重要因素[7]。

2 灘槽水流交換特征分析

2.1 灘槽水位橫比降

通州沙河段進(jìn)、出口段均為彎曲河段，彎道環(huán)流的存在使河道兩側(cè)存在較大橫比降，如表1所示。落潮期間通州沙河段橫比降最大出現(xiàn)在天生港—西界港斷面，順河段往下游至匯豐碼頭—徐六涇斷面，落潮期間左右岸橫比降逐漸減小并可能出現(xiàn)負(fù)值，表明右岸潮位逐漸高于左岸，并在匯豐碼頭—徐六涇斷面負(fù)橫比降達(dá)到最大，凹岸高、凸岸低，呈現(xiàn)明顯彎道水位橫比降變化規(guī)律，橫比降的存在是通州沙河段產(chǎn)生灘槽水流交換的重要?jiǎng)恿σ蛩亍?/p>

表1 2012年3月實(shí)測(cè)工程河段橫比降統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of the measured transverse slope of the river reach in March 2012

2.2 沿程分流比變化

受灘槽水流交換影響，通州沙水道之間分流比沿程發(fā)生變化。以枯季大潮為例，漲潮時(shí)狼山沙東水道下端斷面分流比為69.6%，狼山沙西水道為30.4%；至通州沙東水道下端農(nóng)場(chǎng)閘—營船港斷面，東西水道分流比變?yōu)?5.1%和27.8%，顯示兩側(cè)存在漫灘流；至河段進(jìn)口附近的五干河—南通港斷面，東水道漲潮分流比增加至87.7%，西水道漲潮分流比進(jìn)一步下降至12.3%，顯示西水道漲潮量沿程減少[2]，見圖2（a）。落潮時(shí)，五干河—南通港斷面，東西水道分流比分別為91.2%和8.8%，至狼山沙東西水道下端，東水道分流比下降至72.1%，而西水道分流比增加至27.9%，顯示一部分落潮流經(jīng)灘面匯入西水道，使西水道落潮分流比增加，見圖2（b）。從漲落潮分流比沿程變化來看，灘槽之間存在著大量的水體交換。

圖2 典型水文條件下通州沙河段漲落潮沿程分流比Fig.2 Divide ratio of flood tide and ebb tide along the reach of Tongzhousha River under typical hydrological conditions

2.3 東西水道越灘水流時(shí)空分布特征

本河段所灘槽水流交換量大而頻繁，采用潮流數(shù)學(xué)模型對(duì)通州沙灘面沿程水流交換進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在一個(gè)潮周期內(nèi)，東西水道水流交換主要分成以下4個(gè)階段（以枯季為例）：

漲潮初期，潮位由-0.6 m漲至-0.2 m，歷時(shí)約0.5～1 h，該階段東西水道呈現(xiàn)為漲潮落潮流性質(zhì)，灘面流由東水道進(jìn)入西水道。

漲潮階段，潮位由-0.2 m漲至2.5 m，歷時(shí)約2.5 h，該階段東西水道呈現(xiàn)為漲潮流性質(zhì)，灘面流由東水道進(jìn)入西水道，但均為漲潮流。整治工程可不做攔截該時(shí)段潮量。

落潮前期，潮位由2.5 m降至0 m附近，歷時(shí)約5 h，該階段東西水道呈現(xiàn)為落潮流性質(zhì)，灘面流由西水道進(jìn)入東水道。

落潮末期，潮位由0 m降至-0.6 m附近，歷時(shí)約4 h，該階段東西水道呈現(xiàn)為落潮流性質(zhì)，灘面流由東水道進(jìn)入西水道，隨潮位降低灘面流逐漸增大。其中灘面流較大時(shí)刻發(fā)生在潮位-0.2～-0.6 m的階段。

從東西水道水流交換情況來看，從東水道進(jìn)入西水道落潮流主要發(fā)生在漲潮初期和落潮末期?？菁緦?duì)應(yīng)水位約-0.2～-0.6 m，洪季水位略高，對(duì)應(yīng)水位約0.4～-0.2 m。從東水道流入西水道落潮流發(fā)生位置來看，洪枯季水文條件下越灘流較大區(qū)段出現(xiàn)在竄溝位置及竄溝上游約2 km范圍內(nèi)。

從漲潮初期和落潮末期階段中由灘面從東水道進(jìn)入西水道累計(jì)落潮總潮量沿程分布，越灘潮量集中分布在竄溝及上游附近灘面，洪、枯季水文條件下從該段由東水道進(jìn)入西水道越灘潮量占全段越灘落潮量比例分別為73%和90%。因此，攔截該段落潮水流為通州沙河段航道整治工程的關(guān)鍵。漲落潮過程中從東水道進(jìn)入西水道落潮總潮量沿程分布見圖3。

圖3 漲落潮過程中從東水道進(jìn)入西水道落潮總潮量沿程分布圖Fig.3 Distribution of total ebb tide from the east channel to the west channel in the process of flood tide and ebb tide

3 治理方案及效果

3.1 治理思路及方案布置

灘槽之間的水流交換對(duì)通州沙、狼山沙左緣沖刷后退，通州沙東水道下段主泓不斷西偏彎曲等有著直接或者間接的影響，在通州沙狼山沙左緣布設(shè)護(hù)灘潛堤，通過工程減少灘槽水流交換，穩(wěn)定通州沙—狼山沙左緣灘坡，減小橫向環(huán)流引起的泥沙交換，減少由落潮水流漫灘引起的主槽淺段動(dòng)力減弱，進(jìn)而改善航道維護(hù)條件是非常必要的[7-8]。

從工程功能定位出發(fā)，通州沙潛堤應(yīng)主要減少從東水道向西水道的水流交換，這將有利于通州沙河段整體河勢(shì)穩(wěn)定和航槽穩(wěn)定[3]。從水流交換空間分布來看，約占70%～90%灘槽水流交換集中于狼山沙以上竄溝位置，因此該部位應(yīng)為工程重點(diǎn)防護(hù)區(qū)段。從灘槽水流交換的時(shí)間分布來看，水流自東水道流向西水道時(shí)段主要位于漲潮初期與落急期間，該時(shí)段枯季對(duì)應(yīng)水位約-0.2～-0.8 m，洪季水位略高，對(duì)應(yīng)水位約0.4～-0.2 m。根據(jù)長江口和長江下游相關(guān)工程的經(jīng)驗(yàn)，在長江口和長江下游感潮河段為落潮優(yōu)勢(shì)流，整治工程應(yīng)也主要利用落潮動(dòng)力，而護(hù)灘則應(yīng)減少落潮對(duì)掩護(hù)區(qū)域的沖刷，避免漫堤跌水而導(dǎo)致堤身內(nèi)側(cè)劇烈沖刷[3，9]。另外考慮通州沙工程主體位于通州沙下部至狼山沙，工程掩護(hù)范圍有限，而附近沙體松散，易發(fā)生沖刷，故工程強(qiáng)度不宜過強(qiáng)，因此，宜在其限流堤和上下游堤頭等部位適當(dāng)降低頂高程，以減小越堤流和繞堤流等局部流態(tài)對(duì)灘面的影響。

綜上，通州沙左緣潛堤護(hù)灘堤主體部分頂高程取在-2～0 m，應(yīng)能夠較好的起到穩(wěn)定通州沙—狼山沙左緣灘坡，減小灘槽水流交換，增強(qiáng)航道淺段動(dòng)力的作用。

具體整治工程方案布置如圖4所示，狼山沙尾部潛堤頭部高程-5 m，各丁壩與潛堤連接段30 m范圍內(nèi)設(shè)置與潛堤等高的平直段；T1—T4丁壩堤身高度2 m；T5丁壩頭部高程-7.0 m；T6—T8丁壩頭部高程-5.0 m。

圖4 整治工程方案布置示意圖Fig.4 Arrangement plan of regulation project

3.2 治理方案效果

工程實(shí)施后，竄溝位置潮量得到有效攔截，通州沙東水道落潮動(dòng)力增強(qiáng)，從通州沙中水道由東水道進(jìn)入西水道落潮量明顯減小，枯季落潮量減小達(dá)65%～90%，潮量攔截后一部分水流進(jìn)入通州沙東水道，東水道淺段落潮動(dòng)力增強(qiáng)，東水道淺段位置斷面和狼山沙東水道斷面落潮潮量分別增加7.2%和0.6%，見圖5。

圖5 工程前后從東水道進(jìn)入西水道落潮潮量沿程變化圖（枯季）Fig.5 Changes of ebb tide from the east channel to the west channel before and after the project(in dry season)

4 結(jié)語

長江下游通州沙水道灘槽相間，水流條件復(fù)雜，本文通過對(duì)通州沙河段的水位差、沿程分流比變化的特征分析，探明了灘槽橫向水位差的存在是通州沙河段灘槽水體交換頻繁的重要?jiǎng)恿σ蛩?，進(jìn)而導(dǎo)致航道礙航。采用數(shù)學(xué)模型對(duì)灘槽水體交換時(shí)空分布進(jìn)行研究，對(duì)河道沿程灘槽水流交換的位置、水體交流強(qiáng)度分布以及水流交換不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)水位進(jìn)行了具體的分析，從水流交換空間分布來看，約70%～90%灘槽水流交換集中于狼山沙以上竄溝位置，從灘槽水流交換的時(shí)間分布來看，水流自東水道流向西水道時(shí)段主要位于漲潮初期與落急期間，該時(shí)段枯季對(duì)應(yīng)水位約-0.2～-0.8 m，洪季水位略高，對(duì)應(yīng)水位約0.4～-0.2 m。根據(jù)灘槽水流交換的時(shí)空分布特征確定航道整治建筑物位置、高程。數(shù)學(xué)模型成果表明，工程通過攔截灘槽水體交換，攔截和減少了漲落潮過程中灘槽之間的橫向水流，有效歸順了航道水流，起到了“固灘、穩(wěn)槽、導(dǎo)流、增深”的作用，航道整治效果良好。