張 健,倪春飛,許 慧,陳 珺
(1.南京水利科學(xué)研究院,南京 210029;2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,南京 210098;3.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,杭州 311100)
長(zhǎng)江作為我國(guó)內(nèi)河航運(yùn)最發(fā)達(dá)的河流,沿江經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,兩岸規(guī)劃建設(shè)了眾多港口碼頭、取排水口、跨(穿)江設(shè)施等,占用了大量的長(zhǎng)江岸線資源。在“共抓大保護(hù)、不搞大開發(fā)”的長(zhǎng)江流域發(fā)展新形勢(shì)下,一切涉及長(zhǎng)江的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)都要以不破壞生態(tài)環(huán)境為前提,涉河項(xiàng)目得到整治、整改,國(guó)家和流域內(nèi)各省市制定了相關(guān)岸線開發(fā)利用與保護(hù)規(guī)劃,劃定的岸線保護(hù)區(qū)、保留區(qū)、控制利用區(qū)繼續(xù)開發(fā)利用的難度加大,而河勢(shì)基本穩(wěn)定、水流條件較好的岸線開發(fā)利用區(qū)長(zhǎng)江干流內(nèi)只有108個(gè),長(zhǎng)度987.1 km,占岸線總長(zhǎng)度的11.9%,可供開發(fā)的優(yōu)良岸線資源變得相對(duì)緊張[1]。
岳陽(yáng)港鴨欄浮碼頭目前存在水域污染、岸線利用率低等問題,但限于岸線規(guī)劃只能在原址進(jìn)行提質(zhì)改造。工程分布在界牌河段儒溪邊灘和上邊灘之間的水域內(nèi),有儒溪竄溝與主航道相連通,平面布置類似挖入式港池,但挖入式港池多是嵌入岸線內(nèi)的人工港池,鴨欄碼頭是一種嵌入邊灘之間的碼頭,邊灘上往往又有整治建筑物進(jìn)行守護(hù),碼頭選址較為不利,有可能影響到河段航道條件,包括通航水流條件、河床沖淤及整治建筑物的穩(wěn)定與功能等,隨著水運(yùn)行業(yè)的快速發(fā)展,深水岸線越來越緊缺,未來這種邊灘嵌入式碼頭將有更多的應(yīng)用空間,因此有必要對(duì)這種特殊碼頭的工程影響進(jìn)行研究。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于碼頭工程對(duì)河道行洪、附近流場(chǎng)變化、河床沖淤、周邊涉水工程影響的研究取得了豐富成果,陳珺等[2]研究了典型潮洪條件下甬江上下游碼頭群對(duì)河道行洪的聯(lián)合影響,分析比較了單段碼頭群和全河段碼頭群的洪水位、流速變化,結(jié)果表明碼頭群之間存在相互影響,全河段碼頭群對(duì)水流特性影響程度大于單段碼頭群;葉成華等[3]研究了水庫(kù)變動(dòng)回水區(qū)的白石灘翻壩碼頭對(duì)通航水流條件的影響,數(shù)學(xué)模型結(jié)果表明,碼頭在較高水位下運(yùn)行滿足通航水流條件要求;萬(wàn)華等[4]研究了武漢王家巷輪渡碼頭改造方案的通航安全影響,經(jīng)方案不斷優(yōu)化,最終實(shí)現(xiàn)了碼頭改造工程對(duì)通航環(huán)境影響最小、通航風(fēng)險(xiǎn)最低的目標(biāo);但邊灘嵌入式碼頭對(duì)航道條件的影響研究較少。本文以臨湘港區(qū)的鴨欄碼頭為例開展了邊灘嵌入式碼頭對(duì)航道條件影響的模型試驗(yàn)研究,研究成果可為類似工程提供參考。
界牌河段上起楊林山,下至石碼頭,全長(zhǎng)38 km。河段為順直放寬分汊河型,以谷花洲為界,上段順直單一,右岸發(fā)育有儒溪邊灘和上邊灘,主流多數(shù)年份居左,主航道位于沿岸深槽;新洲腦附近有螺山心灘將河段分為左右槽,規(guī)劃航槽為左槽,但左槽尾部航槽經(jīng)常大面積斷開,右槽水深優(yōu)于左槽,故實(shí)際航道位于右槽,而右槽水流貼靠丁壩而下,存在安全隱患;心灘尾至新淤洲頭,水流逐漸過渡到右岸,稱為過渡段;下段河段被新淤洲和南門洲分為兩汊,左汊新堤夾為支汊,右汊為主汊。界牌河段是長(zhǎng)江中游著名礙航淺段,河勢(shì)調(diào)整頻繁,航道條件變化很大[5],從20世紀(jì)90年代開始,航道及水利部門先后實(shí)施了兩期治理工程(表1),目前,航道尺度滿足3.7 m×150 m×1 000 m(水深×航寬×彎曲半徑)的標(biāo)準(zhǔn)。
表1 界牌河段已建河道治理工程Tab.1 River regulation projects built in Jiepai reach
擬建碼頭工程位于界牌河段儒溪邊灘右汊、螺山水文站對(duì)岸,工程建設(shè)內(nèi)容主要包括高樁梁板碼頭和港池、進(jìn)港航道的疏浚(圖1),碼頭順岸布置3 個(gè)3 000 t 級(jí)泊位,碼頭前沿線布置在15.0~16.0 等高線附近,設(shè)計(jì)低水位16.18 m,碼頭平臺(tái)長(zhǎng)361 m,寬28 m,分為6 個(gè)結(jié)構(gòu)段,每個(gè)分段有8 榀排架,排架間距均為8.0 m,每榀排架設(shè)置5 根φ1 500 mm 鉆孔灌注直樁。碼頭與堤頂?shù)缆吠ㄟ^3 座固定引橋連接,1 號(hào)引橋長(zhǎng)為260.03 m,寬為9 m;2 號(hào)引橋長(zhǎng)為205.83 m,寬為12 m;3 號(hào)引橋長(zhǎng)為205.42 m,寬為9 m,引橋主排架間距為16 m,1 號(hào)和3 號(hào)引橋每榀排架下設(shè)2 根φ800 mm 直樁,2 號(hào)引橋每榀排架下設(shè)3 根φ800 mm直樁[6]。
圖1 界牌河段河勢(shì)及碼頭工程布置Fig.1 The river regime of Jiepai reach and wharf engineering layout
碼頭前沿布置港池水域,包括停泊水域和回旋水域,港池設(shè)計(jì)底標(biāo)高為11.88 m,新建進(jìn)港航道與長(zhǎng)江主航道夾角59°,長(zhǎng)約868 m,單向航道設(shè)計(jì),寬度為50 m,設(shè)計(jì)底標(biāo)高為12.18 m。由于港池水域及進(jìn)港航道范圍內(nèi)水深不足,為滿足船舶進(jìn)出港要求需要疏浚,疏浚方量53.8 萬(wàn)m3,挖深1~4 m。
界牌河段平面形態(tài)多年不變,但河道內(nèi)洲灘調(diào)整劇烈,演變具有明顯周期性,順直段交錯(cuò)邊灘復(fù)歸性平行下移,分汊段受上游灘槽變化而發(fā)生相應(yīng)汊道調(diào)整,過渡段隨邊灘的變化大幅上提下移,縱向擺幅可達(dá)14 km,主流擺動(dòng)、灘槽不穩(wěn),航道易出淺礙航,過渡段航道條件的不穩(wěn)定是制約界牌河段的重要因素。
綜合治理工程實(shí)施后,丁壩、魚嘴工程限制了主流橫向、縱向的擺動(dòng)空間,起到了固灘穩(wěn)槽作用,鎖壩工程封堵了新淤洲串溝,中洪水河勢(shì)得以初步穩(wěn)定[7]。三峽水庫(kù)2003年蓄水運(yùn)用后,流量過程坦化明顯,壩下河段來沙銳減,泥沙沿程補(bǔ)給增加,水沙條件的顯著改變引起河床沖淤的響應(yīng)性調(diào)整,心灘北槽沖刷發(fā)展,過渡槽深泓擺動(dòng)幅度較大,心灘尾下延淤堵新堤夾,水流集中在右汊,河段總體表現(xiàn)為縱向沖刷下切,減弱了洲灘的恢復(fù)性淤積,一定程度上延緩了演變周期的進(jìn)程,沖刷主要集中在枯水河槽,斷面形態(tài)朝窄深型發(fā)展,在兩岸多個(gè)天然節(jié)點(diǎn)及大規(guī)模護(hù)岸的作用下,岸線邊界保持穩(wěn)定[8-10]。
魚嘴和魚刺形式的護(hù)灘帶守護(hù)了新淤洲前沿低灘,有利于過渡段航道邊界的穩(wěn)定[11]。二期工程以來,界牌河段總體河勢(shì)基本穩(wěn)定,新堤夾萎縮、右汊發(fā)展的態(tài)勢(shì)不變,儒溪邊灘、上邊灘及新淤洲高灘的變化均不大,螺山心灘頭沖尾淤,心灘右槽進(jìn)口淤積,2019年維護(hù)性疏浚工程量達(dá)97.86萬(wàn)m3,左槽沖刷發(fā)展[12],碼頭所在位置的河床基本穩(wěn)定,2016-2021年,河床變化幅度在1 m 左右,進(jìn)港航道年內(nèi)沖淤規(guī)律表現(xiàn)為洪水期以淤積為主,退水期以沖刷為主。
定床模型上起楊林山,下至上篾洲,模擬河長(zhǎng)23 km,動(dòng)床模型范圍為儒溪~新洲腦,模擬河長(zhǎng)約15.7 km,進(jìn)出口均與工程保持足夠的距離。根據(jù)模擬河段長(zhǎng)度、場(chǎng)地限制等因素,平面比尺λL=280,考慮模型水深、紊流條件限制,垂直比尺λH=100,模型變率為2.8。界牌河段推移質(zhì)泥沙輸沙量遠(yuǎn)較懸移質(zhì)輸沙量為少[13],泥沙模型主要模擬懸移質(zhì)泥沙,模擬粒徑范圍為0.062~0.5 mm,模型沙選用聚丙烯甲酯輕質(zhì)沙,其容重1.22 t/m3,干容重0.43~0.46 t/m3,模型沙呈現(xiàn)米黃色,具有粒徑范圍廣、物理化學(xué)性能穩(wěn)定、親水性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),粒徑大于0.05 mm 的沙樣基本無(wú)黏性。導(dǎo)出的其他模型比尺見表2。
表2 模型主要比尺匯總Tab.2 Main scale summary of the model
三百余根樁伸入江中,勢(shì)必引起區(qū)域的水流和泥沙沖淤變化。為能使樁群影響區(qū)域水流和泥沙運(yùn)動(dòng)模擬真實(shí),模型需考慮到樁群的模擬。如果模型樁柱按照河道幾何比尺進(jìn)行縮制,則模型的樁徑雷諾數(shù)將大大減小,其阻力系數(shù)與原型不相等,達(dá)不到阻力相似[14],而樁群阻力是樁群影響水流泥沙運(yùn)動(dòng)特性的內(nèi)因,必須滿足其阻力相似條件(式1)。
式中:A0為樁群外包線在垂直于水流方向平面上的投影面積;A為樁群在垂直于水流方向平面上的投影面積。單樁阻力系數(shù)CD值與樁柱徑向雷諾數(shù)有關(guān),CD可根據(jù)Hunter Rouse的CD與Re的關(guān)系曲線確定[15]。
從方便制作、不易變形的角度,本文選用鉛絲制作模型樁柱,先假定模型樁徑為4 mm,樁群順岸布置,近似垂直水流流向,不考慮迎流角作用,按原型平灘流量42 500 m3/s 條件下計(jì)算相應(yīng)投影面積,碼頭附近平均實(shí)測(cè)流速約為1.07 m/s,可計(jì)算原型、模型的單樁雷諾數(shù)及阻力系數(shù)。利用共線力系疊加原理,用模型單樁模擬原型順?biāo)鞣较虻呐艠叮捎脴度壕C合阻力系數(shù)Cp′代替原型樁阻力系數(shù)[式(2)],對(duì)碼頭樁群進(jìn)行簡(jiǎn)化,取10 倍樁徑距離內(nèi)碼頭樁數(shù)n=2,進(jìn)行相關(guān)計(jì)算后,得模型樁數(shù)為3.13,考慮安全系數(shù),實(shí)際采用4 根樁,原型樁群基本均勻布置,順?biāo)鞣较驑毒? m,垂直水流方向有5根樁,總樁距22.8 m,則碼頭模型樁的分布為:順?biāo)鞣较驑毒?.9 cm,垂直水流方向上簡(jiǎn)化為每排架4 根樁,樁距2.7 cm;引橋類似布置(圖2)。
圖2 整體與局部模型Fig.2 Global and local models
式中:n為順?biāo)鞣较?~10倍樁徑距離內(nèi)樁的根數(shù)。
表3 碼頭樁群概化計(jì)算Tab.3 Generalized calculation of wharf pile group
根據(jù)2021年2月(流量12 000 m3/s)和2019年8月(流量31 000 m3/s)的實(shí)測(cè)水文資料,對(duì)模型的水面線、斷面流速分布、汊道分流比等進(jìn)行了驗(yàn)證,水位偏差在+0.05 m 之內(nèi),各斷面流速偏差在+0.01~0.12 m/s以內(nèi),流速分布規(guī)律基本一致,汊道分流比最大偏差為0.40%;動(dòng)床階段進(jìn)行了2019-02-2020-04、2020-04-2021-02 兩個(gè)時(shí)段的河床變形驗(yàn)證,模型平面沖淤分布與原型基本相似,全河段沖淤總量最大偏差為19.2%,上述驗(yàn)證偏差均符合《水運(yùn)工程模擬試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范》(JTS/T 231-2021)的要求,模型能夠復(fù)演天然河道水流泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
圖3 典型斷面流速分布驗(yàn)證(12 000 m3/s)Fig.3 Verification of velocity distribution in typical section(12 000 m3/s)
為充分反映不同水流條件下碼頭工程的影響,選取洪、中、枯多級(jí)流量進(jìn)行水流定床試驗(yàn),對(duì)碼頭工程實(shí)施前后水位、流速、汊道分流比等方面進(jìn)行觀測(cè)分析。不同水沙組合對(duì)河床沖淤的影響較大,分析近10年螺山站的水沙資料(圖4),選取大水大沙的2020年作為不利典型水文年,中水中沙的2018年作為平常水文年,2016-2020年作為系列年,按實(shí)際水沙概化后在動(dòng)床模型上進(jìn)行施測(cè)。地形采用2021年2月實(shí)測(cè)1:10 000 界牌河段地形,港池、進(jìn)港航道疏浚后局部地形按設(shè)計(jì)底標(biāo)高開挖處理。
圖4 螺山站近期流量和輸沙量Fig.4 Recent discharge and sediment transport of Luoshan station
4.2.1 水 位
工程實(shí)施后,左岸水尺水位不變,右岸除碼頭上游5號(hào)、5-1號(hào)水尺外,其余區(qū)域水位不變,工程對(duì)主航道內(nèi)水位無(wú)影響(水尺位置見圖1)。右岸5 號(hào)、5-1 號(hào)水尺距碼頭前沿分別為2 500 m、260 m,受進(jìn)港航道疏浚影響,枯水流量條件下,局部水位下降4~5 cm,隨著流量增加,水位下降程度減小,在洪水流量時(shí),水位不變。
4.2.2 流 速
碼頭工程對(duì)河道水流的影響主要體現(xiàn)在兩方面,一是碼頭及棧橋樁群阻水的影響,造成碼頭工程上下游流速降低;二是碼頭樁群對(duì)水流有導(dǎo)流作用;進(jìn)港航道疏浚后,疏浚區(qū)域流速減小,疏浚區(qū)域下游流速有所增加。碼頭及進(jìn)港航道疏浚對(duì)水流的影響是兩者綜合作用的結(jié)果。
因工程距離長(zhǎng)江主航道較遠(yuǎn),試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),工程對(duì)水流的影響集中在工程區(qū)附近,流速增加的區(qū)域是進(jìn)港航道下游側(cè)局部區(qū)域(2 號(hào)丁壩前沿上邊灘),其余區(qū)域流速以減小為主。流速影響范圍是隨著流量的增大而增加,位置也有所下移(表5)。工程對(duì)主航道流速流向影響很?。▓D5),枯水流量時(shí),主航道流速在2 號(hào)丁壩對(duì)開的區(qū)域增加0.01~0.02 m/s,中洪水流量時(shí),流速無(wú)變化;流向變化在0.2°以內(nèi)。
圖5 碼頭工程附近典型斷面流速變化Fig.5 Velocity variation of typical section near wharf engineering
表4 試驗(yàn)條件Tab.4 Test conditions
表5 工程實(shí)施后流速影響范圍(0.02 m/s)Tab.5 Influence range of velocity after engineering implementation(0.02 m/s)
4.2.3 汊道分流比
碼頭樁群侵占了部分過水?dāng)嗝?,具有一定的阻水作用,但因阻水比很小,且整體作為透水結(jié)構(gòu),工程實(shí)施對(duì)儒溪邊灘右汊過流影響較小,對(duì)螺山心灘左右槽分流比無(wú)影響??菟髁肯拢逑厼┯毅夥至鞅仍黾?.4%,相應(yīng)主航道所在的儒溪左汊減小0.4%,中洪水時(shí),儒溪邊灘左右汊分流比無(wú)變化。
工程實(shí)施改變了局部水流結(jié)構(gòu),流場(chǎng)的變化導(dǎo)致局部河床變形調(diào)整。由圖6可知,工程引起的河床沖淤主要集中在工程區(qū)附近,對(duì)主航道內(nèi)泥沙沖淤無(wú)影響。碼頭前沿及進(jìn)港航道開挖區(qū)域淤積為主,淤積幅度在1~2 m;上邊灘有沖有淤,沖刷主要位于2號(hào)丁壩上游側(cè),幅度0.2~0.5 m,2號(hào)丁壩附近上邊灘0 m線附近沖刷幅度0.1~0.7 m。
圖6 不利水文年時(shí)工程引起的河床沖淤Fig.6 Riverbed scouring and silting caused by the engineering in adverse hydrological years
鑒于2 號(hào)丁壩附近的上邊灘灘體局部有所沖刷,沖刷位置距主航道右邊線較近,且一定程度上影響2 號(hào)丁壩護(hù)灘功能發(fā)揮,為保持上邊灘穩(wěn)定,根據(jù)模型試驗(yàn)成果,擬對(duì)工程引起的上邊灘沖刷區(qū)域進(jìn)行守護(hù),實(shí)施補(bǔ)償工程。
守護(hù)范圍:2 號(hào)丁壩上游16.0 m 等高線至18.0 m 等高線間的區(qū)域,起點(diǎn)布置在碼頭樁群掩護(hù)范圍內(nèi);河槽內(nèi)水下護(hù)底至10 m等高線,終點(diǎn)布置在進(jìn)港航道倒套轉(zhuǎn)折點(diǎn)下游約184 m處。結(jié)構(gòu)形式方面,進(jìn)港航道右側(cè)邊界16.0 m 至17.0 m 等高線間區(qū)域擺放兩層透水框架,17.0 m 至18.0 m 等高線間區(qū)域鋪設(shè)一層無(wú)紡布和17 cm厚鋼絲網(wǎng)格,2號(hào)丁壩前沿河槽從17.0 m等高線向河心側(cè)寬45 m的范圍水下護(hù)底采用拋1 m厚鋼絲網(wǎng)石籠。
為研究補(bǔ)償工程實(shí)施后的效果,進(jìn)行了系列年泥沙試驗(yàn),圖7給出了初始以及系列年末碼頭及進(jìn)港航道附近邊灘形態(tài),由圖7可見,與初始地形相比,系列年末補(bǔ)償工程實(shí)施后,2 號(hào)丁壩附近上邊灘灘體有所淤積,淤積幅度在1~3 m,上邊灘設(shè)計(jì)水位上0 m 線和3 m 線均上延外擴(kuò),說明補(bǔ)償工程起到了守護(hù)效果。
圖7 補(bǔ)償工程實(shí)施后等深線變化Fig.7 Change of contour after implementation of the compensation engineering
(1)臨湘港區(qū)鴨欄碼頭位于邊灘之間的竄溝內(nèi),工程實(shí)施對(duì)界牌河段主航道通航水流條件影響較小,流速變化集中在工程區(qū)附近,受碼頭樁群阻水、導(dǎo)流和進(jìn)港航道疏浚的疊加影響,2 號(hào)丁壩附近的上邊灘左緣流速有所增加,幅度0.02~0.04 m/s,碼頭前沿及下游側(cè)流速減小。
(2)泥沙試驗(yàn)表明,流速增大的上邊灘頭部區(qū)域受到?jīng)_刷,沖刷影響了2號(hào)丁壩的促淤護(hù)灘功能,為此實(shí)施了補(bǔ)償方案,考慮到方案的長(zhǎng)效性以及自身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,方案擴(kuò)大了守護(hù)范圍,起點(diǎn)伸入樁群掩護(hù)區(qū)內(nèi),并布置成拐頭形式,最大程度上平順?biāo)鳌=?jīng)系列年泥沙試驗(yàn)后,上邊灘左緣開始淤積,補(bǔ)償方案起到了守護(hù)效果,消減了碼頭工程帶來的不利影響。