來(lái)桂航道銅鼓灘—羊欄灘段航道優(yōu)化設(shè)計(jì)*

江 濤，錢(qián)黎輝，于忠濤，畢雪峰，羅業(yè)輝，王 鑫，張 明

(1.中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100007；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)

隨著黔江大藤峽水利樞紐大江截流及大藤峽船閘建成通航，樞紐上游已形成優(yōu)良庫(kù)區(qū)航道，可常年通航2 000 t及以上船舶。而大藤峽壩下段航道仍按V級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)通航、維護(hù)，且來(lái)桂航道銅鼓灘—羊欄灘航段近年來(lái)海事頻發(fā)，嚴(yán)重制約著黔江及上游航運(yùn)發(fā)展，成為航運(yùn)瓶頸，迫切需要按規(guī)劃將航道升級(jí)為Ⅱ級(jí)航道，但航道等級(jí)由Ⅴ級(jí)大幅提升至Ⅱ級(jí)，給航段整治帶來(lái)了航道尺度維護(hù)及通航水流條件改善雙重難題。

曹民雄等[1]分析了國(guó)內(nèi)典型急流灘的情況，提岀了整治方法；趙家強(qiáng)等[2]開(kāi)展了大藤峽壩下未銜段灘群整治模型研究，開(kāi)展比選分析；龐雪松等[3]通過(guò)開(kāi)展黔江和潯江交匯河段羊欄灘物理模型試驗(yàn)，提出了4種整治思路；黎國(guó)森等[4]分析了郁江口匯流段及羊欄灘河床形態(tài)和通航水流條件的特殊性，通過(guò)物理模型試驗(yàn)和自航船模試驗(yàn)相結(jié)合的方法提出并研究了滿(mǎn)足船舶對(duì)會(huì)的工程方案；周家俞等[5]以嘉陵江南充段鳳儀場(chǎng)庫(kù)尾河段為例，采用河工模型試驗(yàn)方法，制定了整治方案；鄭鈞予[6]以閩江沙溪口水電站壩下脫水段航道為例，基于二維水流數(shù)學(xué)模型，評(píng)價(jià)了樞紐壩下脫水段航道整治方案。

本文綜合分析來(lái)桂航道大藤峽樞紐壩下段的灘險(xiǎn)特性、礙航因素、流態(tài)、地形等，提出了航道整治方案，在模型試驗(yàn)[7-8]研究基礎(chǔ)上，開(kāi)展航道優(yōu)化設(shè)計(jì)，再次經(jīng)過(guò)模型試驗(yàn)驗(yàn)證，顯示優(yōu)化方案能顯著改善流態(tài)和航行安全，可保障Ⅱ級(jí)航道暢通。

1 工程概況

1.1 航道現(xiàn)狀

由于長(zhǎng)洲樞紐正常蓄水位僅回水至桂平三江口，大藤峽壩下存在約12 km的枯水期脫水段，自上而下分布有飛鳳角、鵝蛋灘、銅鼓灘及羊欄灘等4個(gè)灘險(xiǎn)，目前航道的維護(hù)尺度為1.6 m×22 m×270 m(水深×航道底寬×彎曲半徑)。江中存在較大孤立礁石且礙航特性復(fù)雜，呈現(xiàn)多灘相連的特征(圖1)，航段近年來(lái)海事頻發(fā)。其中銅鼓灘、羊欄灘灘段的水流特性受黔、郁兩江來(lái)水組合和復(fù)雜地形條件控制，礙航特性最為復(fù)雜，整治難度大。前期通過(guò)對(duì)羊欄灘開(kāi)挖寬淺型分流中槽、清除匯流口處礙航礁石的整治方法，使得該段航道通航水流條件初步得到改善，然而中洪水期在黔、郁兩江匯流及中槽分流口附近仍存在大流速區(qū)。參考物理模型對(duì)現(xiàn)狀灘險(xiǎn)礙航特性試驗(yàn)分析成果，銅鼓灘中前段礙航特性表現(xiàn)為枯、中水險(xiǎn)灘礙航；銅鼓灘與羊欄灘銜接段呈中洪水急險(xiǎn)灘礙航，最洶流量級(jí)均為4 280 m3/s；羊欄灘中后段呈洪水急流礙航，最洶流量級(jí)為8 600～11 358 m3/s。

1.2 水文泥沙和沖淤變化

根據(jù)位于羊欄灘下游約26 km的大湟江口水文站統(tǒng)計(jì)資料，年平均徑流量為1 696億m3，多年平均輸沙量為5 010萬(wàn)t，隨著上游各梯級(jí)的建設(shè)，輸沙量呈現(xiàn)逐年減少的趨勢(shì)。工程河段硬質(zhì)河床抗沖性強(qiáng)、岸線(xiàn)穩(wěn)定、深泓平面形態(tài)多年變化不大，2009—2019年間，大藤峽下游近壩段受大藤峽樞紐施工影響，局部河床有較大變形；鵝蛋灘、銅鼓灘河段微沖微淤，河床沖淤幅度一般在0.5 m；羊欄灘中槽受開(kāi)挖影響，河床下切0.5～1.0 m，中槽兩側(cè)高灘有淤積幅度近1.0 m。總體來(lái)看，受近年來(lái)河流輸沙減少影響，飛鳳角—羊欄灘河段河床以沖刷為主，平均沖淤幅度為0.07 m，見(jiàn)圖2。

圖2 2009—2019年河道深泓線(xiàn)縱向變化

2 航道設(shè)計(jì)方案比選

2.1 航道初步設(shè)計(jì)方案

來(lái)桂航道壩下段航道按2 000噸級(jí)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)代表船型為2 000噸級(jí)貨船、1頂2×2 000噸級(jí)頂推船，設(shè)計(jì)航道尺度為4.1 m×80 m×550 m，開(kāi)挖水深為4.5 m，整治后流速控制指標(biāo)采用3.00 m/s，比降控制指標(biāo)采用1.5‰。

航道線(xiàn)路設(shè)置原則為：1)充分利用深槽，力求航道穩(wěn)定，符合習(xí)慣航路，盡可能加大彎曲半徑，直線(xiàn)段與彎曲段平順連接，適航性、安全性好。2)在滿(mǎn)足航道最小彎曲半徑的前提下，開(kāi)闊的河段航道線(xiàn)路盡量順直連接；在彎曲河段，盡可能加大彎曲半徑，調(diào)順航線(xiàn)，滿(mǎn)足船舶安全通航要求。

航道上游銜接大藤峽船閘下游引航道，至黔江大橋通航孔的飛鳳角和鵝蛋灘均為唯一線(xiàn)路，僅在黔江大橋下游的銅鼓灘和羊欄灘開(kāi)展方案比選，其中羊欄灘為與貴梧3 000噸級(jí)航道工程銜接段，設(shè)計(jì)時(shí)航道沿大沙右側(cè)航槽與其銜接[9]。

1)初步設(shè)計(jì)方案1。黔江大橋采用雙孔通航，通航孔凈寬50 m，主航道寬度80 m，從黔江大橋橋區(qū)雙孔直線(xiàn)段匯聚之后至擔(dān)干石采用直線(xiàn)段，直線(xiàn)段長(zhǎng)度950 m；考慮到右岸為連續(xù)險(xiǎn)灘，盡量沿用習(xí)慣航路，擔(dān)干石—下羅窯采用彎曲半徑810 m的彎道段，下羅窯—子沙采用彎曲半徑600 m的彎道段，航道呈“S”形，兩反彎段之間的直線(xiàn)長(zhǎng)度取192 m，為改善航道流態(tài)和航行條件，在彎道段右側(cè)均考慮加寬40 m以切除石角和礁石；子沙段后采用彎曲半徑550 m與貴梧3 000噸級(jí)航道順接，見(jiàn)圖3a)。

2)初步設(shè)計(jì)方案2。在設(shè)計(jì)方案1基礎(chǔ)上將擔(dān)干石—上羅窯彎頂段航道彎曲半徑增加至910 m，同時(shí)為便于船舶操縱、減少發(fā)生海事的風(fēng)險(xiǎn)，將上羅窯—子沙的彎曲段航道拉直，擔(dān)干石—銅鼓灘航線(xiàn)向左側(cè)偏移，銅鼓灘—子沙段航線(xiàn)布置向右側(cè)高灘區(qū)域偏移，航道較為順直，同樣為改善航道流態(tài)和航行條件，在右側(cè)均考慮加寬40 m以切除石角和礁石，見(jiàn)圖3b)。

圖3 銅鼓灘、羊欄灘段初步設(shè)計(jì)方案(單位：m)

疏浚和炸礁斷面見(jiàn)圖4。

圖4 疏浚和炸礁斷面

2.2 物理模型試驗(yàn)

為了驗(yàn)證兩組初步設(shè)計(jì)方案效果，采用物理模型試驗(yàn)分別對(duì)其進(jìn)行通航水流條件及礙航灘險(xiǎn)整治效果驗(yàn)證分析。為了便于更明確地分析試驗(yàn)河段內(nèi)的整治效果，將河段分為銅鼓灘中前段(黔江大橋—上羅窯上部)、銜接段(上羅窯上部—子沙上部)及羊欄灘中后段(子沙上部—大沙下部)。

2.2.1初步設(shè)計(jì)方案1

銅鼓灘中前段，擔(dān)干石—上羅窯上部偏向于航道右側(cè)，部分切除擔(dān)干石。試驗(yàn)結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)航線(xiàn)中枯水期銅鼓灘彎頂段受擔(dān)干石挑流形成的回流范圍有所減??；最不利流量Q黔=4 280 m3/s下，擔(dān)干石下游CS27斷面航道內(nèi)最大表面流速降至1.72 m/s(現(xiàn)狀2.28 m/s)，相應(yīng)橫向流速分量減至0.15 m/s(現(xiàn)狀0.85 m/s)，見(jiàn)圖5。從水流條件試驗(yàn)結(jié)果看，灘段中枯水險(xiǎn)灘礙航問(wèn)題較現(xiàn)狀條件有明顯改善。

圖5 Q黔=4 280 m3/s時(shí)銅鼓灘擔(dān)干石局部水流條件

銜接段，上羅窯上部—下羅窯上部偏向于航道右側(cè)，航道較為彎曲，下羅窯偏向于左側(cè)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，最不利流量Q黔=4 280 m3/s下，對(duì)應(yīng)卡口下游下羅窯CS36斷面航道內(nèi)最大表面流速3.30 m/s(現(xiàn)狀3.60 m/s)，局部比降達(dá)5.13‰(現(xiàn)狀6.18‰)，坡陡流急礙航特性依然明顯；同時(shí)中枯水期依然受兩岸石質(zhì)邊灘控制而在航槽內(nèi)形成滑梁水、剪刀水等不良礙航流態(tài)，最大流速橫向分量達(dá)1.29 m/s(指向航道右邊線(xiàn))，與航中線(xiàn)呈23°夾角，見(jiàn)圖6。船模航行試驗(yàn)表明當(dāng)Q黔>2 080 m3/s時(shí)2 000噸級(jí)船隊(duì)無(wú)法上行通過(guò)銜接段航道。結(jié)合水流條件試驗(yàn)及船模航行試驗(yàn)結(jié)果，由于銜接段對(duì)兩側(cè)邊灘切除范圍小，尤其是左側(cè)邊灘挑角，使得銜接段無(wú)法有效擴(kuò)大過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，中、洪水急險(xiǎn)灘礙航的水流特性無(wú)法得到有效改善。

圖6 Q黔=4 280 m3/s時(shí)銜接段局部水流條件

羊欄灘中后段兩江匯流段范圍，航道與貴梧3 000噸航道順接，偏向于航道右側(cè)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在不利流量Q黔=8 600 m3/s下，由于棋盤(pán)石部分及子沙的清除，航道內(nèi)最大表面流速為3.23 m/s(現(xiàn)狀3.30 m/s)，灘段平均比降保持0.31‰不變；其下游貴梧3 000噸級(jí)航道范圍，最大流速為3.32 m/s(現(xiàn)狀3.7 m/s)，灘段平均比降為0.31‰。船模航行試驗(yàn)表明Q黔≥8 600 m3/s時(shí)2 000噸級(jí)船隊(duì)一方面無(wú)法沿羊欄灘段設(shè)計(jì)航道上行，另一方面當(dāng)船舶行至黔、郁兩江匯流口處右轉(zhuǎn)向時(shí)，由于船舶上行時(shí)對(duì)岸航速較小，而主流流速較大，船舶易被主流沖向河道中心，存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合水流條件試驗(yàn)及船模航行試驗(yàn)結(jié)果，羊欄灘中后段洪水期流速雖較現(xiàn)狀條件下有所減小，但由于匯流段對(duì)邊灘清炸范圍有限且銜接段水流仍集中于深槽，進(jìn)入?yún)R流段水流無(wú)法得到有效分散，流速與比降仍較大，存在洪水期急流礙航問(wèn)題。

2.2.2初步設(shè)計(jì)方案2

銅鼓灘中前段，擔(dān)干石—上羅窯上部偏向于航道左側(cè)，少量切除擔(dān)干石。試驗(yàn)結(jié)果顯示，初步設(shè)計(jì)方案2使得伸入航道內(nèi)回流范圍有所減小，航中線(xiàn)流速沿程分布均勻，典型流量Q黔≤11 358 m3/s下，灘段流速小于3.0 m/s；且當(dāng)Q黔=4 280 m3/s時(shí)擔(dān)干石下游斷面航道內(nèi)最大流速橫向分量減小至0.13 m/s(現(xiàn)狀0.85 m/s，初步設(shè)計(jì)方案1為0.15 m/s)，流速與航中線(xiàn)夾角減小至3°(現(xiàn)狀22°)，見(jiàn)圖7。銅鼓灘中前段枯、中水險(xiǎn)灘礙航特性有所改善。

銜接段上羅窯上部—下羅窯上部偏向于航道左側(cè)，航道順直，下羅窯偏向于航道右側(cè)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在現(xiàn)狀條件下(4 280 m3/s≤Q黔≤8 600 m3/s)，受左右高灘限制，過(guò)水?dāng)嗝孑^上下游明顯減小，主流下泄不暢，Q黔=4 280 m3/s時(shí)下羅窯斷面最大局部比降達(dá)6.18‰，對(duì)應(yīng)流速3.65 m/s，坡陡流急并伴隨有滑梁水及剪刀水的不良流態(tài)，中、洪水急險(xiǎn)灘礙航特性明顯；方案實(shí)施后，Q黔=4 280 m3/s時(shí)航道內(nèi)局部最大比降減小至3.17‰，對(duì)應(yīng)流速3.16 m/s(圖8)，雖較現(xiàn)狀條件均有所減小，但仍無(wú)法滿(mǎn)足設(shè)計(jì)船型上灘能力指標(biāo)，存在坡陡流急并伴有滑梁水及剪刀水等不良流態(tài)。

圖8 Q黔=4 280 m3/s時(shí)銜接段局部水流條件

羊欄灘中后段，航道與貴梧3 000噸航道順接，偏向于左側(cè)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，現(xiàn)狀條件8 600 m3/s≤Q黔≤15 000 m3/s下，大范圍灘段進(jìn)入3 m/s以上大流速區(qū)，具有洪水急流礙航特性；方案實(shí)施后，灘段流速無(wú)明顯改善，仍具有洪水期流急礙航的特性。

2個(gè)方案的模型試驗(yàn)驗(yàn)證顯示：總體來(lái)說(shuō)初步設(shè)計(jì)方案2航道流態(tài)及航行條件改善效果較初步設(shè)計(jì)方案1更明顯，兩組設(shè)計(jì)方案工程量、航線(xiàn)布置的對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 設(shè)計(jì)方案對(duì)比

3 設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

根據(jù)礙航水流形成的條件及航道安全通航要求，基于初步設(shè)計(jì)方案2，并考慮多灘聯(lián)動(dòng)特性，提出優(yōu)化整治思路，見(jiàn)表2。

表2 各灘段優(yōu)化整治思路

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

為更好地開(kāi)展優(yōu)化設(shè)計(jì)，從平面布置和斷面布置兩個(gè)方向提出優(yōu)化[9]。

1)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案2A。為保證2 000噸級(jí)頂推船隊(duì)在流速較大的情況下能順利下行，在初步設(shè)計(jì)方案2基礎(chǔ)上將擔(dān)干石—上羅窯的彎頂段彎曲半徑由910 m提高到1 000 m，同時(shí)將黔江大橋橋區(qū)雙孔直線(xiàn)段匯聚段—擔(dān)干石段航道中心線(xiàn)向航道右側(cè)偏移；將擔(dān)干石上游航道需炸礁的范圍向右側(cè)加寬40 m，為徹底消除擔(dān)干石的影響，在擔(dān)干石區(qū)域航道右側(cè)加寬至90 m；為減少布標(biāo)，完全清除擔(dān)干石—上羅窯與原航道深槽的礙航礁石；為有效增大中洪水時(shí)的過(guò)流斷面以改善流態(tài)和上灘條件，下羅窯—子沙段航道炸礁范圍往右側(cè)加寬70 m以進(jìn)一步清除右側(cè)高灘，上羅窯—大沙上段航道左側(cè)卡口段往左側(cè)加寬120～220 m范圍清除至19.5 m高程，并與中槽航道順接，提高中槽分流量；為改善左側(cè)上灘條件，子沙段后采用彎曲半徑1 200 m與貴梧3 000噸級(jí)航道順接，見(jiàn)圖9。下羅窯段斷面左側(cè)為呈兩層階梯狀，見(jiàn)圖10。

圖9 銅鼓灘至羊欄灘段優(yōu)化設(shè)計(jì)方案(單位：m)

圖10 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案斷面(單位：m)

2)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案2B。黔江大橋—下羅窯上部同優(yōu)化設(shè)計(jì)方案2A，為減少工程量，下羅窯—子沙考慮同航道底高程一致加寬40 m，同左側(cè)，在其右側(cè)清除至19.5 m高程，其加寬值在60～70 m。下羅窯段斷面為左右兩側(cè)均呈兩層階梯狀。

兩個(gè)方案均可顯著擴(kuò)大銜接段過(guò)水?dāng)嗝?，改善流態(tài)，其優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表3。在增加工程量有限的情況下，設(shè)計(jì)以?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)方案2A作為推薦方案，其可顯著減少海事發(fā)生的概率。

表3 優(yōu)化方案對(duì)比

3.2 物理模型試驗(yàn)

采用物模和船模試驗(yàn)對(duì)推薦的優(yōu)化方案2A進(jìn)行整治效果驗(yàn)證，對(duì)應(yīng)初步設(shè)計(jì)方案中各個(gè)灘段最洶流量級(jí)Q黔=4 280 m3/s，銅鼓灘擔(dān)干石及銜接段局部水流條件見(jiàn)圖11a)、b)，羊欄灘中后段對(duì)棋盤(pán)石局部及子沙進(jìn)行清炸后，使得來(lái)桂Ⅱ級(jí)航道范圍內(nèi)流速減小明顯，Q黔=8 600 m3/s及Q黔=11 358 m3/s時(shí)來(lái)桂Ⅱ級(jí)航道范圍內(nèi)航道中心線(xiàn)流速沿程分布見(jiàn)圖11c)。

圖11 優(yōu)化方案物理模型試驗(yàn)驗(yàn)證

物模驗(yàn)證結(jié)果表明：隨著黔江流量增加，灘段平均比降呈先增大后減小的趨勢(shì)，流速呈遞增的趨勢(shì)，中洪水期航道流速大、局部灘段水流紊亂的礙航問(wèn)題得到解決，見(jiàn)表4；最小通航流量下，航道水深達(dá)到4.6 m，可滿(mǎn)足2 000～3 000噸級(jí)船舶通航。

表4 物理模型結(jié)論

同時(shí)在物理模型試驗(yàn)中采用2 000噸級(jí)單船和船隊(duì)開(kāi)展船模試驗(yàn)，試驗(yàn)表明：1)當(dāng)Q黔≤20 000 m3/s時(shí)，單船在設(shè)計(jì)航道范圍內(nèi)均可正常上行通過(guò)，對(duì)岸航速滿(mǎn)足自航上灘要求；當(dāng)20 000 m3/s≤Q黔≤27 000 m3/s時(shí)，船隊(duì)除大沙和子沙段約0.2 km范圍內(nèi)需由左側(cè)緩流區(qū)上行，其余設(shè)計(jì)航道范圍均可正常上行通過(guò)；2)單船可順利下行通過(guò)該航段，船隊(duì)只需船首沿航道中線(xiàn)下行便可順利通過(guò)；3)11 358 m3/s≤Q黔≤27 000 m3/s時(shí)，由于羊欄灘中槽分流，航道存在小范圍的較大橫流，只要謹(jǐn)慎操控便可順利通過(guò)。

4 結(jié)語(yǔ)

1)對(duì)于有較大孤立礙航礁石、中洪水急流灘、且位于彎道段的枯水期脫水段航道，航道線(xiàn)形應(yīng)盡量順直、孤立礁石應(yīng)盡量清除，通過(guò)切灘等盡量增加過(guò)水?dāng)嗝妗?/p>

2)對(duì)于灘險(xiǎn)連續(xù)的航道，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮多灘聯(lián)動(dòng)特性，以銜接段為起點(diǎn)向上下游推進(jìn)整治方案。

3)物理模型和船模試驗(yàn)驗(yàn)證證明優(yōu)化方案能顯著改善水流紊亂、中洪水流速大等礙航問(wèn)題，其平面布置、整治斷面設(shè)計(jì)可供類(lèi)似山區(qū)航道整治參考。