嘉陵江中游龍爪灣灘航道整治工程方案研究

謝玉杰，周玉潔，何 熙

(四川省交通勘察設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610017)

嘉陵江川境段全長534 km，是四川省最長的一條通航河流，發(fā)源于陜西省秦嶺南麓，廣元以下至合川為中游。目前嘉陵江川境段已渠化完成，但由于亭子口電站設(shè)計水位變幅高達20 m，導(dǎo)致庫尾存在長約28 km的變動回水區(qū)，龍爪灣灘即為限制該段航道達到設(shè)計標準的咽喉，為使嘉陵江川境段達到設(shè)計的航道標準，研究龍爪灣灘的整治方案具有重要的現(xiàn)實意義[1-3]。同時嘉陵江川境段航道自復(fù)航以來，變動回水區(qū)船舶安全航行的問題較為突出，龍爪灣灘航道整治后是否能滿足代表船型安全通行，對于整治效果至關(guān)重要[4]。本文將采取水文統(tǒng)計法對嘉陵江中游龍爪灣整治流量進行推算，并運用水流二維數(shù)學(xué)模型對整治效果進行預(yù)測。

1 灘險概況

龍爪灣灘位于嘉陵江中游昭化境內(nèi)，上距白龍江匯合口5.3 km。該河段屬于典型的山區(qū)急彎河段，河床為卵石質(zhì)，呈V形，河谷最窄處僅40 m。龍爪灣灘在2010—2016年期間受沙石開采影響嚴重，沙石堆、采沙坑星羅棋布，局部河床深潭達10.0 m，導(dǎo)致出現(xiàn)明顯跌水，至今該灘河床仍處于自然重塑階段，中枯水彎曲半徑僅350 m，灘急水淺。河岸受右岸公路路基約束，彎道發(fā)展受到限制，彎曲半徑基本維持現(xiàn)狀，見圖1。受彎道環(huán)流作用，主流困彎，深泓位于右側(cè)，凸岸邊灘發(fā)育，為典型彎道型急流灘，目前枯水最小水深僅0.4 m，流速達3.5 m/s以上。

圖1 龍爪灣灘段

2 礙航特性

2.1 水流特性

隨著上石盤、亭子口電站的相繼建成，龍爪灣灘河道的水沙過程發(fā)生明顯變化。當下游亭子口壩前水位較高時，變動回水區(qū)水位受壅水頂托影響，水面線比降一般小于天然情況下同級流量的水面比降，導(dǎo)致沿程水流輸沙能力降低，這對淺灘影響較大；另一方面，當上游上石盤電站入庫流量大于電站發(fā)電引用流量253 m3/s且小于水庫排沙避峰流量1 800 m3/s時，電站滿發(fā)并將大于發(fā)電引用253 m3/s的流量部分，通過控制閘門孔數(shù)和開度控制下泄，汛后當入庫流量逐漸恢復(fù)至253 m3/s或更低時，閘門全關(guān)，電站恢復(fù)正常發(fā)電。主要表現(xiàn)為中枯水期流量削減，造床流量持續(xù)時間減少，枯水期歷時增加。

2.2 礙航特征

龍爪灣灘礙航特性復(fù)雜，總體因流急、水淺、彎曲半徑小而礙航。該灘位于嘉陵江中游彎道處，左岸為較大面積沙卵石邊灘，深槽位于右岸凹岸處，深槽寬度窄且與左岸邊灘存在較大高差，造成枯水期該段橫流較大；另外該灘受采沙影響，彎道上下河床局部地形差較大，枯水期水流在此形成嚴重跌水，當?shù)胤Q為“吊坎水”，見圖2。同時該灘主流位于凹岸一側(cè)，水流困彎明顯，主流最大流速達3.5 m/s以上，中枯水期船舶自航上灘困難。

圖2 天然情況設(shè)計流量下龍爪灣灘水面線與1.6 m水深線

3 航道整治

3.1 整治標準

3.1.1航道尺度標準

根據(jù)嘉陵江川境段航運配套工程通航標準，龍爪灣灘整治標準為內(nèi)河Ⅳ-(3)級航道，設(shè)計船型尺度為58.0 m×10.8 m×1.6 m(長×型寬×設(shè)計吃水)，設(shè)計航道尺度為1.6 m×30 m×330 m(水深×單線航寬×彎曲半徑)[5]。

3.1.2水流條件

工程推薦設(shè)計船型為500噸級集散兩用船，船型主尺度為總長58 m、型寬10.8 m、設(shè)計吃水1.6～1.8 m，載貨量為616 t(45 TEU)，主機功率294 kW。通過理論公式對船舶推力和航行阻力進行估算，并通過推阻比對船舶自行上灘水流流速進行估算。

機動船有效推力估算公式為：

(1)

式中：T0為機動船有效推力(N)；Hp為主機總功率(kW)；vs為上行船的船水相對速度(m/s)；e為有效推力系數(shù)，可使用船舶設(shè)計書或出廠時實測結(jié)果所提供的數(shù)據(jù)。

船行阻力計算公式為：

(2)

式中：R為船隊的航行阻力(N)；Rj為比降阻力(N)；RV1為機動船的航行水流阻力(N)；RV2為駁船隊的總航行阻力(N)；RV2i為駁船i的航行阻力(N)；σ為船隊編隊系數(shù)。

具體方法為根據(jù)載質(zhì)量和船型確定吃水、水線長、浸水面積、舯剖面積等→給定比降→計算比降阻力→給定上灘流速→計算對水航速→計算水流阻力→確定航行阻力R→根據(jù)功率及相關(guān)參數(shù)計算船舶推力T→判斷航線阻力R是否等于船舶推力T，如相等則給定的比降和流速即為該載質(zhì)量、該功率下的急灘通航水力指標，否則需要新假定流速，直到阻力和推力平衡為止。計算得到設(shè)計代表船型上灘指標見表1。

表1 設(shè)計代表船型自航上灘水力指標

3.2 設(shè)計思路

龍爪灣灘礙航因素之一是彎曲半徑小，船舶下行時調(diào)整航向困難，由于自然條件所限，增加彎曲半徑較困難，因此改善船舶調(diào)整航向條件的措施可拓寬中枯水期的航槽寬度，通過新建整治建筑物，改善彎道水流條件，并提高水流的沖刷能力，防止航槽回淤[6]。

針對龍爪灣灘航道礙航情況及河床演變趨勢，該段航道整治線須重點考慮變動回水區(qū)航道特點，特別是整治高度的設(shè)計要考慮適當增加高度，延長整治建筑物作用時間，增加中水沖刷歷時，保證水流對航槽的沖刷力[7]。

鑒于龍爪灣灘河床地形受采砂影響嚴重，局部河床形成跌水的情況，疏浚工程布置時在滿足航槽水深標準的基礎(chǔ)上，著重考慮調(diào)整河床地形起伏，消除跌水。

對于灘險整治，龍爪灣灘設(shè)計思路為：航路規(guī)劃充分利用現(xiàn)有河道主流，順應(yīng)河道演變規(guī)律，整治線布置盡可能與現(xiàn)有中枯水航槽走向一致；整治工程以加深現(xiàn)有航槽，擴寬凸岸邊灘，控制凹岸水流，改善彎道流態(tài)，同時考慮一定的整治高度保證航槽穩(wěn)定。

3.3 整治參數(shù)

本工程設(shè)計標準為內(nèi)河Ⅳ-(3)級航道，設(shè)計最高通航水位采取5 a一遇洪水，設(shè)計最低通航水位采取250 m3/s流量對應(yīng)水位。

龍爪灣灘受上游電站下泄流量與下游壩前水位雙重影響，整治參數(shù)的確定十分復(fù)雜[8]。特別是造床流量對于河道的河型塑造和河床演變起到關(guān)鍵作用。造床流量分為第一造床流量和第二造床流量，其中枯水河槽橫斷面形態(tài)是第二造床流量，一般將其作為航道整治流量[9]。本文根據(jù)亭子口長系列20 a入庫流量資料統(tǒng)計分析得到第二造床流量為499 m3/s，見圖3。

圖3 河道流量與河床特性關(guān)系

根據(jù)《航道工程設(shè)計規(guī)范》[10]，計算得龍爪灣灘整治線寬度取90～120 m，整治流量為499 m3/s，整治水位較設(shè)計水位高1.0 m。

4 方案及整治效果分析

4.1 方案設(shè)計

根據(jù)設(shè)計思路，龍爪灣灘整治線規(guī)劃以右岸作為主導(dǎo)河岸，上游側(cè)以現(xiàn)有河灘為節(jié)點，下游側(cè)以右岸公路路基外側(cè)為節(jié)點，規(guī)劃整治線為彎曲線，航槽選擇現(xiàn)有深槽，沿設(shè)計航槽中心線布置挖槽工程，沿右側(cè)整治線布置1座彎道順壩，順壩壩根以丁壩接岸，見圖4。

圖4 龍爪灣灘設(shè)計方案布置

對設(shè)計方案采取數(shù)值模型試驗研究，模型上邊界為龍爪灣灘上游4 km處的白龍江匯合口，下邊界為灘下游4 km處亭子口汛限水位回水末端。分別采用250 m3/s(設(shè)計流量)、499 m3/s(整治流量)和5 000 m3/s(中水流量)3級流量，并考慮亭子口電站汛限水位頂托，進行工程前后的對比試驗，分析水流條件變化情況，并對設(shè)計方案進行優(yōu)化。

4.2 設(shè)計方案整治效果

4.2.1整治前水流條件

整治工程實施前，設(shè)計流量工況下，龍爪灣灘不滿足最小航深1.6 m的航道長達1 km，占模型河段的12.5%；靠近左岸邊灘處流速在0.04～2.38 m/s，平均流速為0.82 m/s，右岸深槽主流區(qū)最大流速達3.74 m/s，在規(guī)劃航線上水位比降在0.02‰～12.04‰，平均比降為1.24‰；灘內(nèi)存在明顯的跌水現(xiàn)象，見圖5。

圖5 整治前后設(shè)計流量下水位變化對比

整治流量下，工程實施前的龍爪灣灘航道內(nèi)流速在0.02～2.96 m/s，平均流速為1.25 m/s，水位比降在0.02‰～13.22‰，平均比降為1.18‰，灘內(nèi)流速、比降隨流量增加而增大；灘內(nèi)跌水現(xiàn)象仍然存在。龍爪灣灘設(shè)計流量下實施前流場見圖6。

4.2.2工程實施后水流條件

在龍爪灣灘右岸布置一條丁順壩，沿規(guī)劃航槽中心線布置一個長挖槽。為消除灘內(nèi)跌水，挖槽上下游設(shè)計底高程等于所在處河床高程，上游側(cè)為445.50 m(設(shè)計水位448.76 m)，下游側(cè)為444.50 m(設(shè)計水位447.45 m)。

設(shè)計方案實施后，龍爪灣灘水面比降得到緩解，跌水現(xiàn)象消失(圖7)，但在灘頭區(qū)域航深仍存在不足1.6 m的區(qū)域。設(shè)計流量下，航道內(nèi)流速在0.15～2.09 m/s，平均流速為1.27 m/s，水位比降在0‰～2.81‰，平均比降為0.82‰，航槽內(nèi)局部大流速較工程前減小0.29 m/s，這是由于疏浚消除了局部河床“吊坎水”所致。另外航槽內(nèi)平均流速較工程前增加0.45 m/s，這是由于右岸丁順壩縮窄了河道，減少了過流面積所致，航槽平均水面比降較工程前降低0.42‰。表明疏浚方案對緩解急流灘水面比降和降低局部大流速起到了很好的作用，右岸順壩將增加航槽沖刷能力，對減小疏浚區(qū)回淤有利。

圖7 工程實施后流場

整治前跌水上下地勢高差大，其靠岸側(cè)為深槽，枯水期水流在該區(qū)域分為兩汊，并在下游處匯入主航道造成主航槽內(nèi)橫流較大。丁順壩修筑后，水位不漫頂時，丁壩段堵塞該處汊道，水流經(jīng)主航槽宣泄。方案實施后，龍爪灣灘得到明顯改善，但該處整治后上游水位下降明顯，水位平均下降了0.60 m。方案實施后導(dǎo)致龍爪灣灘上游灘險出淺范圍增加，上游河道疏浚工程量大幅增加，同時該方案龍爪灣灘挖槽工程量較大。

4.3 優(yōu)化方案

鑒于龍爪灣灘河床局部地形高差較大，枯水期水流在此形成嚴重跌水，本次疏浚工程通過調(diào)整灘內(nèi)河床縱比降，消除灘中部跌水。設(shè)計方案雖然能夠改善通航條件，但是該方案灘上游水位下降較大，達0.60 m，考慮該類灘險在枯水期隨著疏浚水深的增加，水位降落值逐漸增大，過多增加疏浚深度后，航道水深反不增加，設(shè)計方案可能存在過量疏浚的問題。為減小灘上游新增疏浚工程量，同時為進一步減少龍爪灣灘設(shè)計疏浚工程量，優(yōu)化方案將挖槽設(shè)計底高程增加1.0 m，上游段修改為446.50 m，下游段修改為445.50 m，同時對灘上游航深不足1.6 m的區(qū)域增加1處疏浚工程，該疏浚設(shè)計河底高程與周邊河床齊平，取447.00 m。

優(yōu)化方案實施后，龍爪灣灘水深仍能滿足最小航深1.6 m的要求，同時該灘挖槽工程大幅減少，龍爪灣灘及其上游水位降落相比設(shè)計方案有所減小。優(yōu)化方案實施后，灘上游水位較設(shè)計方案上升0.09～0.12 m，灘內(nèi)水位平均上升0.10 m。

4.4 優(yōu)化方案整治效果

4.4.1設(shè)計流量

龍爪灣灘為典型的彎道性礙航灘險，流速大、比降陡、流態(tài)亂，左岸為沙卵石淺灘，右岸為深槽，枯水期水流集中右深槽，造成航道完全半徑不足，同時右岸深槽與左岸邊灘的地形高差導(dǎo)致彎曲段橫向流速較大，優(yōu)化方案在右岸修建1處丁順壩將水流導(dǎo)入規(guī)劃航槽內(nèi)，起到減小航道彎曲半徑的作用，同時對規(guī)劃航槽浚深，丁順壩的修建縮窄了航道過水斷面面積，設(shè)計流量下航道內(nèi)水深在1.75～5.53 m，滿足設(shè)計最小航深1.6 m的要求，航道內(nèi)流速0.54～2.09 m/s，航槽內(nèi)比降在0‰～2.51‰，平均比降為0.68‰，整治方案起到較好效果。

4.4.2整治流量

整治流量下航道內(nèi)水深在2.58～6.41 m，滿足設(shè)計最小航深1.6 m的要求，航道內(nèi)流速在0.77～2.82 m/s，航槽內(nèi)比降在0.02‰～2.43‰，平均比降為0.77‰，整治方案起到較好效果。

龍爪灣灘挖槽區(qū)水深按照整治流量下平均水深2.85 m，計算得到該處泥沙臨界起動流速1.67 m/s，整治實施后，整治流量下挖槽區(qū)為微沖，整治效果較好。

4.4.3中水流量

優(yōu)化方案實施后，在設(shè)計流量以及整治流量下均取得較好整治效果。為了探求在中水時的航道條件，對優(yōu)化方案水流條件選取了5 000 m3/s(中水流量)進行整治效果分析。

中水工況下，隨著水位升高，河面進一步拓寬，航槽內(nèi)流速有所增加，流速為0.82～4.28 m/s，流速變幅在0.05～1.13 m/s，該灘段比降在0.01‰～3.44‰，平均比降為0.51‰。整治方案對中水影響較小，從流速以及流態(tài)來看，工程前后幾乎沒有影響，航道斷面流態(tài)分布較為均勻。

5 結(jié)語

1)龍爪灣灘位于嘉陵江中游昭化境內(nèi)，屬于典型彎道卵石急流淺灘，其主要問題是受亭子口電站回水頂托和上石盤電站發(fā)電引流影響，中枯水期流量削減，造床流量持續(xù)時間減少，枯水期歷時增加，造成航道出淺及急彎河段彎曲半徑小，船舶安全過彎和自航上灘困難。

2)本灘的設(shè)計思路為航路規(guī)劃充分利用現(xiàn)有河道主流，順應(yīng)河道演變規(guī)律，整治線布置盡可能與現(xiàn)有中枯水航槽走向一致；整治工程以加深現(xiàn)有航槽、擴寬凸岸邊灘控制凹岸水流、改善彎道流態(tài)，同時考慮一定的整治高度保證航槽穩(wěn)定。

3)本灘疏浚設(shè)計河底采用挖槽上下端河床地形作為控制高程，對削弱橫流、降低局部大流速及消除灘內(nèi)跌水起到了很好的作用；在彎道凹岸布置丁順壩后，有利于提高中枯水期航槽沖刷能力，改善彎道水流條件。整治方案效果顯著，能夠保證船舶安全通行。

4)計算結(jié)果表明，工程實施后的航道條件能夠滿足設(shè)計要求，中枯水期水面比降和大流速區(qū)有所緩解，航槽沖刷能力有所提升，船舶能夠在該灘正常航行。