長江河道采砂的影響及其控制利用的試驗(yàn)分析

劉 異

（安徽省無為大堤長江河道管理局，安徽 蕪湖 238300）

引言

長江蕪湖銅陵馬鞍山段的持續(xù)發(fā)展，迫切需要對(duì)該河段河床演變規(guī)律進(jìn)行深入性研究，并以此為基礎(chǔ)，探索如何落實(shí)對(duì)河勢變化的正確引導(dǎo)，結(jié)合河道采砂與河道整治，保證河勢持續(xù)穩(wěn)定。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與安排

1.1 試驗(yàn)水池以及模型砂

在鐵水箱以及疊加支撐的微尺度模型池內(nèi)展開，本次試驗(yàn)中設(shè)定模型時(shí)的凈尺寸為1 970 mm×970 mm×250 mm。在整個(gè)模型池的組建過程中，所投放的材料為厚度保持在10 mm 左右的灰色塑料板，對(duì)灰色塑料板實(shí)施焊接處理，并在此基礎(chǔ)上加設(shè)強(qiáng)化箍，以此完成模型池的設(shè)置。在模型池內(nèi)5 cm 左右厚度的底板上，加設(shè)模型，在本次中設(shè)定底坡的坡度為1%；鐵制水箱內(nèi)的水主要由模型池內(nèi)流入，結(jié)合短管（2 條）的投放，分別與兩個(gè)循環(huán)水泵進(jìn)行連接處理，以此組建起水循環(huán)系統(tǒng)，其中，針對(duì)單排泵均加設(shè)調(diào)節(jié)閥門，并應(yīng)用三角堰量測量流量。

要求投放的兩臺(tái)泵進(jìn)行同時(shí)運(yùn)行，此時(shí)所得到的試驗(yàn)流量最大值為每秒1.134×10-3m3。在整個(gè)模型的上游區(qū)域，加設(shè)整流器，此確保所有進(jìn)入模型池內(nèi)的水流均始終保持在平穩(wěn)順暢的狀態(tài)下；同時(shí)，在下游位置，于尾門前落實(shí)除砂槽的加設(shè)，以此達(dá)到對(duì)水流運(yùn)動(dòng)所攜帶泥沙進(jìn)行有效攔截的效果。此時(shí)，即便有少量的顆粒泥沙，隨著水流進(jìn)入水箱，在模型池的出口位置也能夠受到濾沙器的作用，被再次攔截。在邊案位置投放由泡沫塑料所制成的結(jié)構(gòu)，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)浮力的有效克服；在配備重物的基礎(chǔ)上，應(yīng)用多個(gè)F型大夾具進(jìn)行連接處理，保證整個(gè)結(jié)構(gòu)可以與模型池邊長時(shí)間保持在緊密連接的狀態(tài)下，確保模型始終保持在穩(wěn)定狀態(tài)。將彈性優(yōu)良的泡沫在縫隙內(nèi)實(shí)施填充處理，從而保證所有進(jìn)入模型池的水體僅僅能夠依托模型河道流動(dòng)、通過[1]。

在長江蕪湖銅陵段（河道基本情況見圖1、圖2）河床內(nèi)多包含分細(xì)砂沉積物，不同顆粒之間具備一定的粘結(jié)力，因此，在本次模擬試驗(yàn)中，進(jìn)行模型砂的制作期間，主要投放的材料為顆粒粒徑相對(duì)較大的合成材料模型砂，相應(yīng)材料的密度設(shè)定為每立方厘米1.4 g；主體設(shè)定為聚甲醛樹脂顆粒，相應(yīng)顆粒的平均篩徑控制在3 mm 的狀態(tài)下，如圖3 中曲線A 所示。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)岸灘表面層對(duì)水流作用的阻抗的定性模擬，在表面中落實(shí)了對(duì)電木粉的適量摻入，相應(yīng)電木粉顆粒的粒徑控制在0.2 mm 左右，以此達(dá)到進(jìn)一步增加顆粒之間所具備粘結(jié)力大小的效果。在整個(gè)試驗(yàn)中，取樣分析之表層顆粒的平均粒徑控制在1.1 mm 左右，如圖3 中的曲線B 以及曲線隙所示。由于在汛期條件下，長江水流的含沙量也始終保持在相對(duì)較小的狀態(tài)下，所以在本次試驗(yàn)中，應(yīng)用微尺度模型，針對(duì)長江蕪湖銅陵段河床演變?cè)囼?yàn)所消耗的時(shí)間相對(duì)較短，基于這樣的情況，在本次模擬實(shí)驗(yàn)中并沒有在上游進(jìn)行加沙處理。

圖1 長江蕪湖段基本情況

圖2 長江銅陵段基本情況

圖3 模型試驗(yàn)用合成材料顆粒分布

1.2 模型試驗(yàn)參數(shù)以及組次設(shè)定

在本次試驗(yàn)中，設(shè)定原型平面尺度與相應(yīng)模型平面尺度之間的比值為平面比值；設(shè)定原型垂向尺度與相應(yīng)模型垂向尺度之間的比值為垂向比尺。在實(shí)際的模型制作期間，主要落實(shí)了對(duì)試驗(yàn)流態(tài)條件，應(yīng)盡可能與原型更為接近這一要求的考量，以此確保河床演變觀測的現(xiàn)實(shí)需求得到全面性滿足，基于這樣的要求，在本次試驗(yàn)中，主要應(yīng)用了具備更大變態(tài)率的變態(tài)模型[2]。長江蕪湖銅陵段地形的平面參數(shù)主要結(jié)合國家海洋信息中心所印制發(fā)布的區(qū)域平面圖進(jìn)行確定；地水下地形，特別是深紅線相應(yīng)信息主要參考蕪湖市、銅陵市水利局測繪大隊(duì)所進(jìn)行實(shí)測期間制作的地形圖。在本次試驗(yàn)中，使用模型比例尺為18333；使用的模型垂像比尺為500 制作；使用的模型幾何變態(tài)率為36.67。

結(jié)合歷史經(jīng)驗(yàn)以及前期實(shí)踐探究結(jié)果能夠了解到的是，對(duì)于特大洪水而言，其會(huì)對(duì)長江河床的演變起到?jīng)Q定性作用，在本次試驗(yàn)中，主要選用大通站歷史實(shí)測洪水流量的最大值，即每秒92 600 m3進(jìn)行分析，結(jié)合常用的河工模型理論支流量比尺設(shè)定為204 972 525,基于這樣的情況，可以了解到模型的流量為每秒4.158×10-4m3。對(duì)于長江而言，其洪水汛期持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長，在本次試驗(yàn)中主要考慮了典型汛期普遍持續(xù)一個(gè)月左右，模擬試驗(yàn)期間，由于所應(yīng)用的材料為模型變態(tài)以及輕質(zhì)合成材料砂，其結(jié)果是達(dá)到推移至變形所需的實(shí)驗(yàn)時(shí)間呈現(xiàn)出顯著性，縮短的結(jié)果確定為20'～30'。

1.3 近景攝影測量三維圖像解析

在本次試驗(yàn)中，主要沿蕪湖銅陵段航道完成21個(gè)控制測點(diǎn)的布設(shè)，以此確保在實(shí)際試驗(yàn)操作期間能夠從不同部位、不同角度入手完成現(xiàn)實(shí)影像獲取拍攝，確保實(shí)際獲取到的控制點(diǎn)圖像充足、有效。同時(shí)，在各個(gè)點(diǎn)的表面均加設(shè)了圓靶形十字絲控制標(biāo)記，相應(yīng)標(biāo)記的直徑設(shè)定為20 mm。在實(shí)際試驗(yàn)前期，落實(shí)對(duì)各點(diǎn)高程以及水平距離的仔細(xì)測量，以此確保能夠有效構(gòu)建起三維坐標(biāo)控制網(wǎng)。為確保對(duì)整個(gè)模型攝驗(yàn)時(shí)落實(shí)拍攝操作的方便、快捷展開，主要進(jìn)行了專門攝影臺(tái)的搭設(shè)控制，相應(yīng)攝影臺(tái)的高度為3 m 左右。實(shí)踐中，主要從左側(cè)與右側(cè)這兩個(gè)方向入手，依托照相機(jī)的分別投放，在此過程中，投放的照相機(jī)設(shè)備焦距設(shè)定為50 mm，感光敏感程度控制在400 左右，隨后，需要應(yīng)用分辨率維持在1 200 dpi～2 000 dpi 左右的掃描儀，針對(duì)拍攝到的圖像進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，并在此基礎(chǔ)上落實(shí)后續(xù)處理分析[3]。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 順直河道的采砂坑

使用圓柱體在遠(yuǎn)離兩岸的靜水河床上進(jìn)行造坑處理，邊坡倒塌后可以形成倒圓臺(tái)，其深度控制在25 mm，上圓口徑控制在75 mm 左右，在過水后采砂坑即成橢圓狀。試驗(yàn)期間，水深控制在40 mm～50 mm 左右，倒圓臺(tái)深度與實(shí)驗(yàn)水深之間的比值控制在0.5～0.56 的范圍內(nèi)；由于溯源沖刷，頂端向上游蔓延，尾端向下游樹窄拉長。為實(shí)現(xiàn)對(duì)采砂坑形態(tài)隨時(shí)間發(fā)展過程的觀測，要確保水流速度，能夠始終保持在助推床面顆粒剛剛可以支持推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)形成的狀態(tài)。通常來說，在未受到兩岸邊岸坡邊界明顯影響的條件下，采砂坑范圍，在沿流下移的過程中會(huì)有所加寬，但是逐步由采砂坑邊緣向其中部呈現(xiàn)出逐漸變淺的發(fā)展?fàn)顟B(tài)；若有上游來砂量相對(duì)較多，則會(huì)逐漸被淤平淹沒[4]。換言之，在床面上采砂坑范圍相對(duì)較小的狀態(tài)，下床面所產(chǎn)生的變形也維持在較小狀態(tài)。

2.2 彎曲河道的采砂區(qū)

實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果表明，在河道彎曲入口位置，若斷面環(huán)流相對(duì)較弱，在相應(yīng)位置設(shè)置采砂區(qū)，除了會(huì)對(duì)凸岸淤積沙洲的大小以及穩(wěn)定性產(chǎn)生影響之外，其余情況均與順直河道中的情況基本相同。而在斷面環(huán)流相對(duì)較強(qiáng)的狀態(tài)下，所設(shè)置的采砂區(qū)明顯表現(xiàn)出向凹岸深泓線移動(dòng)的狀態(tài)，同時(shí)凸案邊灘在向上游移動(dòng)期間也會(huì)遭受到橫向切割。在斷面環(huán)流更強(qiáng)的狀態(tài)下，相應(yīng)采砂區(qū)處于該斷面左岸或中部期間，其下游床面會(huì)表現(xiàn)出偏向凹岸邊癱的長尾跡。需要注意的是，采砂區(qū)處于該斷面（斷面環(huán)流更強(qiáng)）左岸以及處于該斷面中部之間所產(chǎn)生的影響有著一定的差別，當(dāng)采砂區(qū)處于該段面（斷面環(huán)流更強(qiáng)）的左岸時(shí)，會(huì)偏向左岸嚴(yán)重淘刷坡角，所以，在當(dāng)前禁止將采砂區(qū)設(shè)置在環(huán)流較強(qiáng)斷面的左岸位置；而當(dāng)采砂區(qū)設(shè)置在該斷面的中部位置時(shí)，下游尾跡使得凸岸淤積的沙洲明顯減小[5]。

試驗(yàn)中，獲取到的彎曲河道局部河床變化情況見表1。

表1 彎曲河道局部河床變化情況

2.3 分汊河道的采砂區(qū)

長江蕪湖段左汊道長度約為13 km，上段進(jìn)口河床較寬且相對(duì)較淺，江中淺灘淤漲、左右擺動(dòng)頻繁；在左汊道下段位置，主要顯現(xiàn)出的演變形式為進(jìn)口河床有所拓寬，且江中淺灘淤漲、左右擺動(dòng)頻繁。右汊道呈現(xiàn)出藕節(jié)狀，其-10 m 深槽與上下游保持貫通，位置與走向變動(dòng)情況并不明顯；2007 年，-20 m 的深槽尾部與下游深槽之間實(shí)現(xiàn)全線貫通；2010 年及以后，動(dòng)大橋到東梁山段的-20 m 的深槽實(shí)現(xiàn)全線貫通。在低水期，右汊道為主要水流集中區(qū)域；在中高水期，左汊道的分流表現(xiàn)出增加狀態(tài)。在高水期，左汊道分流約為30%～40%；在低水期，左汊道分流約為10%。分沙比與分流比的變化趨勢基本保持一致，在同期條件下，左汊道的分沙比表現(xiàn)出略微高于分流比的狀態(tài)。

左汊道積淤展寬能夠達(dá)到改善南部進(jìn)口航道條件的效果，具體數(shù)據(jù)見表2，在北部過水面積有所下降的條件下，南部進(jìn)口寬度表現(xiàn)出增大的發(fā)展趨勢。

表2 北部過水面積與南部進(jìn)口航道條件之間的關(guān)系

3 結(jié)論

綜上所述，本次分析試驗(yàn)結(jié)果表明，為避免采砂作業(yè)對(duì)河床變形產(chǎn)生過大的影響，要避免展開大規(guī)模的與主流方向相垂直的采砂工作；在彎曲河道中，禁止將采砂區(qū)設(shè)置在環(huán)流較強(qiáng)斷面的左岸位置，應(yīng)當(dāng)將彎頂下游位置設(shè)定為最優(yōu)采砂位置；分汊河道下游區(qū)域的泥沙會(huì)持續(xù)不斷的被補(bǔ)給，因此只要適當(dāng)控制采砂強(qiáng)度，就不會(huì)對(duì)沙洲的安全性造成影響，因此可以在相應(yīng)位置展開持續(xù)采砂操作。