長(zhǎng)江上游河流航道觀測(cè)及整治的應(yīng)用分析

盧自來(lái)

（四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

一個(gè)水文年的河道地形及水文等原型觀測(cè)資料包括枯水期、中水期、洪水期3個(gè)流量級(jí)下的測(cè)量資料。控制測(cè)量布設(shè)一級(jí)控制點(diǎn)和四等水準(zhǔn)點(diǎn)，滿足設(shè)計(jì)及地勘放樣的要求，并為施工單位提供基礎(chǔ)的控制測(cè)量成果。水文觀測(cè)包括水位測(cè)量、表面流速流向測(cè)量、航跡線測(cè)量、河心比降測(cè)量、斷面流速分布及流量觀測(cè)、河床質(zhì)打印、邊灘坑探取樣、跨河（過(guò)河、臨河）建筑物和管線定測(cè)等。通過(guò)提供枯水期、中水期、洪水期3個(gè)流量級(jí)下的測(cè)量資料，為設(shè)計(jì)人員提供基礎(chǔ)的地形及水文資料；并提供給物理模型、數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)人員使用，驗(yàn)證物理模型和數(shù)學(xué)模型；滿足工程勘察設(shè)計(jì)階段工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工程量計(jì)算的需要；為施工單位提供基礎(chǔ)地形資料及施工依據(jù)。

1 河流航道水文測(cè)驗(yàn)的流程

1.1 水尺設(shè)置與觀讀

在選擇水尺位置時(shí)，應(yīng)選擇能充分反映模型觀測(cè)區(qū)域的水位變化，無(wú)沙洲、淺灘阻隔，無(wú)雍水、回流現(xiàn)象，不直接受風(fēng)浪、急流沖擊影響，不易被船只碰撞的地方。水位觀讀采用自動(dòng)記錄水位計(jì)，能避免人工觀讀的時(shí)間及讀數(shù)誤差，確保水位測(cè)量數(shù)據(jù)的精度。水位觀測(cè)讀數(shù)應(yīng)精確到10mm，上下比降斷面的水位差小于0.2m時(shí)，水位觀測(cè)讀數(shù)應(yīng)精確到5mm。水尺零點(diǎn)與高程基準(zhǔn)聯(lián)測(cè)應(yīng)符合圖根水準(zhǔn)的要求，縱比降小于1/10000時(shí)，水尺零點(diǎn)按四等水準(zhǔn)要求聯(lián)測(cè)。

1.2 流速流向測(cè)量

流速流向測(cè)量應(yīng)盡可能選擇無(wú)風(fēng)或小風(fēng)天觀測(cè)。流速流向觀測(cè)時(shí)起始斷面的浮標(biāo)要盡量均勻放置，單一河段不小于5條流線；分汊河段主槽不小于3條流線，支汊根據(jù)情況選擇流速流向線的條數(shù)，保證不少于1條。觀測(cè)方法可采用前方交會(huì)配合浮標(biāo)法，浮標(biāo)點(diǎn)定位時(shí)，最小交會(huì)角為30°，最大交會(huì)角為150°。交會(huì)線長(zhǎng)度以2～3倍河寬為限進(jìn)行控制。

1.3 航跡線測(cè)量

航跡線測(cè)量分為上水航線和下水航線測(cè)量。觀測(cè)采用RTK或網(wǎng)絡(luò)RTK的方式測(cè)量，船只為原型觀測(cè)河段代表性船只，大型船舶進(jìn)行雙跡觀測(cè)，雙跡觀測(cè)把GPS固定在船首和船尾并同步記錄數(shù)據(jù)，按時(shí)間間隔自動(dòng)記錄方法進(jìn)行測(cè)量；中、小型船舶采用單跡觀測(cè)，將GPS固定在船舶中部，采用距離間隔自動(dòng)記錄方法進(jìn)行測(cè)量，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，記錄所測(cè)船舶的船型、功率、吃水、載重等相關(guān)參數(shù)。

1.4 河心比降測(cè)量

河心比降測(cè)量采用RTK或網(wǎng)絡(luò)RTK的方式施測(cè)，觀測(cè)時(shí)將GPS固定在船舶中部，按距離間隔自動(dòng)記錄方法進(jìn)行測(cè)量。其平面定位允許誤差為圖上±1.5mm；高程測(cè)量允許誤差為圖上±50mm；定位間距不大于圖上30mm。水面比降測(cè)量開(kāi)始到結(jié)束時(shí)每隔1h觀讀水尺水位一次，以保證河心比降的施測(cè)水位精度，河心比降圖以施測(cè)水位成圖。

1.5 斷面流速分布及流量觀測(cè)

斷面流速分布及流量觀測(cè)開(kāi)始測(cè)驗(yàn)前，采用流速儀法與聲學(xué)多普勒流速剖面儀同垂線的流速、流量、流向等項(xiàng)目的比較檢測(cè)，其方法是用流速儀施測(cè)不同垂線位置、相對(duì)水深0.6h處的點(diǎn)流速30點(diǎn)以上，每點(diǎn)歷時(shí)100s；用聲學(xué)多普勒剖面儀在相同位置定點(diǎn)施測(cè)流速，記錄30組數(shù)據(jù)以上（摘錄水深0.6h處的流速）。然后進(jìn)行誤差統(tǒng)計(jì)，比測(cè)結(jié)果的相對(duì)系統(tǒng)差在±1%以內(nèi)，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差不超過(guò)1.5%。

測(cè)流斷面流量閉塞差控制在5%以內(nèi)，按公式（1）和公式（2）計(jì)算。單一河段如公式（1）所示。

分汊河段如公式（2）所示。

式中：δ為流量閉塞相對(duì)誤差（用%表示）；Q為單一河段首尾控制斷面流量的平均值（m/s）；Q為單一河段第i個(gè)斷面的流量（m/s）；Q為分汊前或匯合后干流控制斷面的流量（m/s）；∑Q為各汊道進(jìn)口或出口控制斷面流量的總和（m/s）。

1.6 河床質(zhì)打印

河床質(zhì)打印在枯水期水文觀測(cè)時(shí)進(jìn)行，河床質(zhì)打印點(diǎn)在測(cè)流斷面上，在每條測(cè)流斷面布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行，其中左、中、右測(cè)點(diǎn)分別布置在距河邊1/4、1/2、3/4河寬處。施測(cè)時(shí)，將河床質(zhì)探測(cè)器吊裝于絞車上，提升探測(cè)器到船舷外，放松剎車讓探測(cè)器快速落至河底，即可打印到河床情況，再將探測(cè)器提升到船上，進(jìn)行拍照與繪制拓印面草圖，并記錄河床質(zhì)組成情況。如探測(cè)器中無(wú)任何印跡，應(yīng)重新施測(cè)。

1.7 邊灘坑探取樣

坑探位置選在原始河灘，挖取0.5m×0.5m×0.5m河床質(zhì)進(jìn)行顆粒粒徑分析，并繪制顆粒級(jí)配成果表。

1.8 跨河（過(guò)河、臨河）建筑物和管線定測(cè)

原型觀測(cè)的跨河（過(guò)河、臨河）建筑物和管線定測(cè)內(nèi)容包括橋梁、架空線纜、過(guò)河管道以及碼頭等臨河建筑物。橋梁位置采用GPSRTK或全站儀極坐標(biāo)法施測(cè)，通航孔位置和通航孔頂高采用全站儀免棱鏡法施測(cè)，通航凈高等通航孔參數(shù)通過(guò)孔高和橋下斷面水深計(jì)算。過(guò)河線纜和過(guò)河管道采用點(diǎn)瞄法施測(cè)，測(cè)量時(shí)先測(cè)量左右懸掛點(diǎn)的坐標(biāo)，然后從左往右依次觀測(cè)，計(jì)算各點(diǎn)至左懸掛點(diǎn)的距離、高度，繪制懸弧圖，確定懸弧最低點(diǎn)高程，計(jì)算通航凈空高度。碼頭臨河建筑物測(cè)量采用全站儀或GPSRTK方式施測(cè)，對(duì)定測(cè)的橋梁、管線、碼頭等建筑物在測(cè)量期間安排專人進(jìn)行調(diào)查，包括橋梁建成時(shí)間和管理單位等，過(guò)河線纜和管道的類型、電壓和管理單位、碼頭等臨河建筑物的建成時(shí)間和管理單位等信息。并整理成冊(cè)。

2 長(zhǎng)江上游河流航道的水文觀測(cè)

三峽蓄水是從20世紀(jì)90年代開(kāi)始的，區(qū)域內(nèi)的各條河流由于受到各類采砂、航道整治工程的干擾，三峽內(nèi)的所有河流沙量移動(dòng)產(chǎn)生巨大的變化。根據(jù)長(zhǎng)江上游不同時(shí)段的來(lái)沙統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（表1）可知，長(zhǎng)江上游寸灘站的年流沙量從1990年的3520億m開(kāi)始逐年下降，直到2016年的流沙量降到3221億m的均值，在該過(guò)程中，長(zhǎng)江上游寸灘站的懸移質(zhì)輸沙量逐年減少，降低比例高達(dá)27%左右。寸灘站輸沙量在年內(nèi)的占比還是汛期的流沙推移量都達(dá)到90%以上，在95%左右，而在非汛期的流沙推移占比較低，充分說(shuō)明長(zhǎng)江上游的流沙輸移量在汛期的占比高低，直接影響到該段全年流沙失衡占比，而該段河流的卵石推移大多集中在6—9月，其他月份的推移很少。

表1 不同時(shí)段長(zhǎng)江上游寸灘站來(lái)水來(lái)沙統(tǒng)計(jì)結(jié)果

彎道泥沙的輸移主要受到泥沙橫向推移、泥沙分選及輸沙帶這4個(gè)因素的影響，而河流彎曲是導(dǎo)致彎道泥沙出現(xiàn)橫向輸移的重要誘因，會(huì)使彎道的泥沙受到橫向水流的沖擊逐漸向岸邊輸移。在彎道這種特殊推移作用下，會(huì)重新改變河床的整體形貌，導(dǎo)致河灣也同步出現(xiàn)變化，當(dāng)彎道的泥沙出現(xiàn)移動(dòng)變化時(shí)，它的運(yùn)動(dòng)規(guī)律會(huì)受到河流底部的橫向與縱向流速的影響，而且河流底部的泥沙如果能夠保持靜力平衡的狀態(tài)，是保證河床穩(wěn)定的重要因素。河流的橫向坡度是由河槽和邊灘組成的，對(duì)位于斜坡部分的泥沙來(lái)說(shuō)，一旦受到重力影響，例如出現(xiàn)拖曳或是上舉的力量，此時(shí)的河底泥沙會(huì)保持靜力平衡的狀態(tài)，也是受到2種力量后產(chǎn)生下滑而形成的，而且橫向推移的泥沙如果強(qiáng)度為0時(shí)，會(huì)隨著河床受到的力量出現(xiàn)垂直流動(dòng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

對(duì)長(zhǎng)江上游段的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，當(dāng)處于一定條件時(shí)，彎道的泥沙推移深度要比直流河段的泥沙推移深度高1.5～1.7倍。這充分證明河沉泥沙的運(yùn)動(dòng)開(kāi)始于彎曲的河道地段，而非直流地段。當(dāng)泥沙處于彎道河流時(shí)，受到水的作用力會(huì)給該段的河床演變帶來(lái)巨大影響。當(dāng)泥沙推移運(yùn)行且彎曲河段邊岸區(qū)的流速很高時(shí)，在該條件下，凹岸泥沙的沖刷力度和推移速度明顯比直河流段快。如果在移動(dòng)的過(guò)程泥沙量較少，那么凹岸的泥沙狀態(tài)為沖刷形態(tài)，且容易形成側(cè)面不斷沖刷的局面，偶爾還會(huì)出現(xiàn)一些岸坡坍塌的現(xiàn)象。另外，彎道的泥沙會(huì)受到水流的作用力被推到對(duì)岸或下游。而凸岸的水流受到流速緩慢的水流影響，慢慢將泥沙從凹岸流入，進(jìn)而出現(xiàn)淤積，使彎道的彎曲度發(fā)生變化。在自然彎曲的河流河道慢慢發(fā)生變化的過(guò)程中，彎道段凹岸會(huì)受到不同強(qiáng)度的水流作用，使泥沙的推移運(yùn)動(dòng)方式出現(xiàn)不同，就會(huì)導(dǎo)致凹岸河道出現(xiàn)較深的沖刷坑。

當(dāng)長(zhǎng)江上游的長(zhǎng)葉磧段河流處于中枯水期時(shí)，因?yàn)楹恿髁髁坎淮?，河流沖擊力小，對(duì)河底的泥沙不會(huì)產(chǎn)生多大的移動(dòng)作用。當(dāng)水流速達(dá)到9350m/s時(shí)，該段河流的底部泥沙開(kāi)始移動(dòng)，使河流上游的航道邊緣生成較大范圍的移動(dòng)帶，也會(huì)有其他局部地段的泥沙出現(xiàn)推移，但從整體來(lái)看，推移速度較慢，在該流量條件下，輸沙帶的移動(dòng)僅約200m左右。當(dāng)水流的流帶提高到20000m/s時(shí)，會(huì)在河流灘面處產(chǎn)生較大量的泥沙推移現(xiàn)象，推移帶幾乎布滿整個(gè)長(zhǎng)葉?？偟膩?lái)說(shuō)，長(zhǎng)葉磧邊灘的泥沙在水流量較小的條件下，推移力量也較小。而在水流量較大的條件下，灘面輸沙能力也會(huì)隨之提高。在該條件下，由于床面受到斜流的沖擊，因此輸沙方向總體偏向凹岸。

3 長(zhǎng)江上游航道尺度測(cè)量以及灘險(xiǎn)成因分析

3.1 長(zhǎng)江上游當(dāng)前航道尺度測(cè)量情況

長(zhǎng)江上游朝天門到涪陵段對(duì)航道建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)定位于整個(gè)河段的航道尺度需要達(dá)到4.5m×150m×1000m，由于該段河流處于回水變動(dòng)區(qū)域，會(huì)在特殊時(shí)期出現(xiàn)水深不足的現(xiàn)象，因此航道內(nèi)的船只航行。只有當(dāng)河流水深達(dá)到4.5m以下的條件時(shí)，同時(shí)航寬要求達(dá)到120m，彎道半徑小于800m，航道才能正常運(yùn)行。由圖1可知，選取里程為631km～633km的河段進(jìn)行航道尺度分析，并依次標(biāo)明斷面號(hào)，共取13個(gè)斷面，在設(shè)計(jì)水深4.5m下1-3號(hào)斷面河段由于處于順著河道，所以平時(shí)河流流速平緩，具有較好的航行條件，可滿足4.5m航道的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。4-6號(hào)斷面由于水流受到磧翅的阻擋，當(dāng)河流流入斷面處時(shí)，會(huì)有一定的束縛作用，所以該段河流速度較快，河流形態(tài)也比較復(fù)雜；直到7號(hào)斷面最嚴(yán)重，此處河段水位下河寬小于180m，之后河流隨著向下游流動(dòng)的方向逐漸變得開(kāi)闊，尤其到了魚(yú)嘴部位會(huì)變得更加伸展，此段流河寬到達(dá)到380m的設(shè)計(jì)水位標(biāo)準(zhǔn)。長(zhǎng)葉磧是長(zhǎng)江上游著名的在枯水期通航困難的彎淺險(xiǎn)灘，河段的彎曲半徑不足1000m。綜上所述，在目前的通航條件下，河段并不能滿足航道尺度為4.5m水深航道標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3.2 灘險(xiǎn)成因分析

長(zhǎng)江上游長(zhǎng)葉磧這段河流較為彎曲，屬于凸岸卵石大邊灘，且有大量各類礁石與卵石相對(duì)峙，在該河流段的低水位時(shí)期的航道會(huì)出現(xiàn)河流淺、航道窄等局限，此處為長(zhǎng)江上游較為出名的淺難部分。而長(zhǎng)葉磧位于上游的偏右岸，冀翅深入河心部分，航道既彎曲又狹窄，根本達(dá)不到正常航行的標(biāo)準(zhǔn)槽寬。行到魚(yú)嘴間部位時(shí)，出現(xiàn)航道彎曲半徑達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)的情況，經(jīng)過(guò)該段的水流，會(huì)受到橫向離心力的作用力，形成各種斜流或是不良流態(tài)，導(dǎo)致航道不能正常運(yùn)行。在對(duì)該段河流的流態(tài)進(jìn)行物理測(cè)量時(shí)，能看到該段河流的斜流現(xiàn)象非常突出，航道方向和斜流水流的夾角在40°左右，同時(shí)斜流水的流速高達(dá)2.0m/s，在這樣的斜流上進(jìn)行航行，一旦出現(xiàn)不當(dāng)操作，會(huì)出現(xiàn)海損事故。

4 長(zhǎng)江上游河流航道整治方案及預(yù)期效果

4.1 航槽布置

針對(duì)長(zhǎng)江上游長(zhǎng)葉磧河段的航槽設(shè)計(jì)傾向于左岸，經(jīng)過(guò)大片孤礁地帶，然后經(jīng)過(guò)水葬處會(huì)看到彎道，一路下流到下游處時(shí)，長(zhǎng)葉磧磧翅處的航道會(huì)靠近左岸，然后順流而下會(huì)經(jīng)過(guò)最后一個(gè)彎道-民曲石段，通過(guò)魚(yú)嘴部位的長(zhǎng)江大橋后，此段河流終點(diǎn)到達(dá)。這段河流的航槽寬度預(yù)計(jì)為150m，彎曲半徑最小值為1000m。

4.2 總平面布置

根據(jù)總體設(shè)計(jì)的航槽布置方案，對(duì)長(zhǎng)葉磧磧翅進(jìn)行開(kāi)挖，挖槽的設(shè)計(jì)要根據(jù)該河段淺灘特點(diǎn)來(lái)規(guī)劃，在淺灘最淺處內(nèi)開(kāi)始挖長(zhǎng)度為1100m的航槽，挖到疏浚河段時(shí)最大寬度要夠454m。整個(gè)挖槽的平面設(shè)計(jì)要根據(jù)長(zhǎng)葉磧主航道的河床特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行，疏浚河段的航槽開(kāi)挖位置要比低水時(shí)期的航槽偏點(diǎn)，朝著麻雀堆的方向開(kāi)挖。根據(jù)規(guī)劃設(shè)計(jì)，在疏浚河段的航槽開(kāi)挖要與上下游河勢(shì)進(jìn)行順應(yīng)，挖槽區(qū)長(zhǎng)約900m，寬約345m。設(shè)計(jì)水位采用 2018—2025年魚(yú)嘴設(shè)計(jì)水位成果156.42m（吳淞高程）。

圖1 長(zhǎng)江上游長(zhǎng)葉磧河段水道河勢(shì)圖

4.3 預(yù)期效果分析

通過(guò)對(duì)長(zhǎng)江上游長(zhǎng)葉磧淺灘進(jìn)行航槽的規(guī)劃設(shè)計(jì)與開(kāi)挖，總面積約為150000m左右，航道水深預(yù)計(jì)達(dá)到3.5m，結(jié)合回水區(qū)因流流變動(dòng)出現(xiàn)泥沙回淤情況，設(shè)計(jì)備淤空間增加0.2m。由于開(kāi)挖的新航道偏向于左岸，航道內(nèi)挖槽區(qū)面積為36954.46m，在這套航槽開(kāi)挖方案實(shí)施后，當(dāng)河流流速達(dá)到13500m/s以上時(shí)，不易出現(xiàn)泥沙卵石淤積的現(xiàn)象。當(dāng)河流的流速達(dá)到9350m/s時(shí)，會(huì)使斜向水流加速，與航槽形成10°左右的夾角，當(dāng)水位上升到6m以上時(shí)，河流的流向會(huì)出現(xiàn)向右偏移的情況，然后斜流和航槽的夾角也會(huì)變小，這樣就能改善航道的通行條件條件。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，河流航道的地形測(cè)量采用一體化航道測(cè)量融合了多波束掃測(cè)、三維激光掃描等高新測(cè)繪技術(shù)，通過(guò)航道數(shù)據(jù)的智能化融合，能夠提供比常規(guī)方式更豐富、更直觀、更全面的測(cè)繪成果。航道數(shù)據(jù)通過(guò)一體化數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行智能化融合，可獲取高精度一體化點(diǎn)云數(shù)據(jù)。水尺觀測(cè)采用自動(dòng)水位記錄儀進(jìn)行，避免了人工觀讀的人為誤差。流速流向測(cè)量采用前方交會(huì)方法進(jìn)行，確保平面精度，標(biāo)靶采用氣球下懸掛石頭，確保了氣球流向與水流向一致。該文通過(guò)收集整理長(zhǎng)江上游長(zhǎng)葉磧河段的實(shí)測(cè)資料及相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)長(zhǎng)葉磧河段進(jìn)行了水文分析，研究其灘險(xiǎn)成因，并基于水沙運(yùn)動(dòng)的河床結(jié)構(gòu)分析，提出了針對(duì)該段航道整治方案。