劉立平,黃建宇
(江西省贛西航道事務(wù)中心,江西 宜春 336000)
贛江豐城龍頭山樞紐至龍務(wù)洲航道里程約20公里,位于贛江中下游,上距贛江贛州水尺395 公里,下距南昌外洲水文站39.3 公里,航道現(xiàn)狀等級為Ⅲ-(3),維護(hù)等級為Ⅲ-(3)。該航段以上河段都已渠化,以下河段屬鄱陽湖湖區(qū)航段,故該航段是贛江三級通航的咽喉地。從上至下主要有龍頭山灘、磨盤灘、小港口灘、大港口灘、羅漢石灘、龍務(wù)洲灘。
2005 年,南昌至樟樹贛江三級航道整治開工建設(shè),2007 年完工。完工后,該航段航道等級由整治前Ⅴ級提升到Ⅲ級,船舶通航能力由原來的500 噸級提高到1000 噸級,航道條件大大改善。
近年來,受豐城龍頭山水電樞紐運行,水庫蓄清排渾、水電站擔(dān)任調(diào)峰負(fù)荷及人為采砂等因素影響,使下游河道發(fā)生較大的沖於變化,河床大幅下切,枯水期水位持續(xù)下降,最枯水位時該航段落差達(dá)到1.1 米,航道條件逐年持續(xù)惡化。同時由于河段中小港口灘、龍務(wù)洲灘局部河床覆蓋層泥沙基本沖刷殆盡導(dǎo)致基巖裸露,航道條件明顯惡化,枯水期水深不足,危及船舶航行安全,成為目前贛江Ⅲ級航道全線貫通的主要礙航瓶頸之一。
龍頭山樞紐于2015 年開工建設(shè),2019 年底基本完工。自2019 年以來,該樞紐開始蓄水發(fā)電,蓄水位一直在23.0m 左右。
龍頭山水電樞紐電站投入運行后,特別是在枯水期水電站擔(dān)任調(diào)峰負(fù)荷后,負(fù)荷高就開機發(fā)電增加流量,負(fù)荷低就關(guān)機減少流量??菟诟邥r下泄流量在1500m3/s 左右,低時下泄流量在100m3/s 左右。電站下泄流量的不穩(wěn)定性,致使下游水位變化幅度大??菟跍\灘上的水深本來就小,再受電站調(diào)峰影響,擾亂了航道的相對穩(wěn)定。整治前當(dāng)下泄流量低于500m3/s 時,下游淺灘水深不滿足三級通航條件,故行船經(jīng)常被困堵在灘上灘下,不能即時過灘。
據(jù)統(tǒng)計,在2019 年豐城龍頭山樞紐蓄水發(fā)電以前,該航段處于天然河段,龍頭山樞紐下游豐城曲江碼頭最低水位如下表:
表1
龍頭山樞紐蓄水發(fā)電后,豐城曲江碼頭最低水位如下表:
表2
從以上兩個表數(shù)據(jù)分析,龍頭山樞紐在沒有蓄水發(fā)電以前(2013—2018 年),該航段處于天然河流狀態(tài),曲江碼頭最低水位在11.2-11.75 之間。在2019 年蓄水發(fā)電后,由于下泄流量不能保證,導(dǎo)致近三年曲江碼頭最低水位在10.6-10.7 之間,根據(jù)《江西省贛江龍頭山水電樞紐工程通航安全評估報告(2015 年12 月)》,該樞紐運行后最小下泄流量為358 m3/s。
根據(jù)2020 年11 月至2022 年12 月龍頭山樞紐下泄流量分析,當(dāng)該樞紐下泄流量在400 m3/s 以下時,壩下水位在11米以下;當(dāng)該樞紐下泄流量在400-500 m3/s時,壩下水位在11—11.5 米;當(dāng)該樞紐下泄流量在500-700 m3/s 時,壩下水位在11.5—11.8 米,超過800 m3/s 時,水位在12 米以上。通過以上分析,龍頭山樞紐在枯水期下泄流量,對該航段淺灘水深起主導(dǎo)作用,是影響該航段通航的主要因素。
圖1 龍頭山樞紐建閘后枯水期水位流量關(guān)系圖(2020~2022 年)
2007 年,該航段三級航道整治工程完成后,受無序采砂影響,該河段河床演變劇烈,破壞了原河床地質(zhì)地貌。據(jù)江西省航務(wù)勘察設(shè)計院結(jié)合2003 年、2008年、2010 年、2012 年、2022 年五次測量資料和水文史料分析,該河段受采砂影響,河床演變劇烈,枯水位下降幅度4m 以上,河床平均下切5m 左右,枯水比降變陡,深槽大為萎縮,河勢處于劇烈變化狀態(tài)。在龍頭山灘、磨盤灘、小港口灘、羅漢石灘、龍務(wù)洲灘,由于河床下切,覆蓋層沖刷,部分河床下切深度已接近或超過臨界深度,河床底質(zhì)為礁板,嚴(yán)重影響航道的穩(wěn)定和發(fā)展。隨著采砂活動的限制,雖然河床演變變緩,但河床恢復(fù)需要一段相當(dāng)長的時期。當(dāng)流量一定,特別是在枯水期,河床下切將會導(dǎo)致明顯水位下降,又會形成新的淺灘,這將大大降低航道通航能力。
近幾年,受厄爾尼諾現(xiàn)象影響,極端天氣頻繁,降雨偏少,上面來水量減少,導(dǎo)致淺灘顯露,水深不足。但也有例外,在2015 年豐水年,該段航道僅有6 天水深不足2.2 米??菟谠摵蕉问苒蛾柡挥绊戄^大,當(dāng)鄱陽湖水位有頂托時,該航段水深良好。當(dāng)鄱陽湖水位出現(xiàn)低水位時,該航段水位變幅較大。
在中洪水位時,水深條件良好,二、三千噸級甚至八千噸船舶都可自由進(jìn)入豐城港。當(dāng)枯水期來臨時,由于企業(yè)和船民追求利益最大化,不愿過駁,甚至冒險超載,導(dǎo)致船舶擱淺。據(jù)我們對枯水期擱淺船舶調(diào)查,絕大多數(shù)是船舶超吃水配載導(dǎo)致擱淺。另外,豐城曲江碼頭一期工程設(shè)計貨物吞吐量每年50 萬噸,近2、3 年每年貨物吞吐量都超過300 萬噸,甚至達(dá)到400 萬噸,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),這是因為中洪水期大型船舶運輸?shù)慕Y(jié)果。但在枯水期大型船舶、非標(biāo)準(zhǔn)化船舶空載時吃水均超2m,成為制約枯水通航效率的根本因素。
2021 年省高航中心對豐城龍頭山樞紐以下航段磨盤灘、羅漢石灘進(jìn)行的應(yīng)急搶通疏浚,疏浚效果明顯。2021 年最枯水位時,磨盤灘、羅漢石灘航道水深均在2.2米以上。由于龍頭山水電樞紐下游河道近幾年河床演變劇烈,上游來水量不足,枯水期水面線又下跌,導(dǎo)致龍務(wù)洲渡口上下游、小港口閘上下游、龍頭山灘等礙航淺段顯現(xiàn),當(dāng)曲江碼頭水位10.95 米時(黃海高程),龍務(wù)洲渡口上游淺段水深1.8 米,長約200 米,下游淺灘水深1.6 米,長約150 米;小港口閘上游淺段水深1.6 米,長約500 米;龍頭山灘淺段水深1.5 米,上淺段約200 米,下淺段約400 米。以上三個淺段,原本都不礙航,但在2020 年枯水期開始出現(xiàn)散亂性淺段礙航。目前該三個淺段是制約該航段通航的主要淺段。
龍頭山水電樞紐運行后,低谷流量使庫區(qū)下游河槽水位大幅下降,航槽變淺。受影響最嚴(yán)重的是水位降低,水面縱波變陡,航道演變加快,淺灘脊發(fā)育差。特別是在12 月-1 月低谷水位最低值時,水電站的調(diào)峰對不良類型的淺灘影響最大。
龍頭山灘、小港口灘在2019 年以前一直滿足三級通航標(biāo)準(zhǔn),但自龍頭山水電樞紐運行以后,龍頭山樞紐至龍務(wù)洲航段處于頻繁沖刷變化狀態(tài),導(dǎo)致該航段的洲灘多變,航槽不穩(wěn)定,水深不足。
龍頭山灘右岸是壩田,左岸是凹岸,因彎道凸岸受切割,凹岸彎頂上側(cè)出現(xiàn)水下堆形心灘,形成新的礙航點。
小港口灘由于來流量減少后,灘脊坡降變陡。主流頂沖點上移,掃彎水較強,流速加大,流態(tài)紊亂,糙率降低,航道內(nèi)因覆蓋層沖刷殆盡,河床已至巖基。水深不足,流速流向多變,給船舶航行和航標(biāo)設(shè)置帶來不利影響。
大港口灘上游處于干支流交匯處,近年來由于懸移質(zhì)增多,糙率增大,動床阻力大,致使造床系數(shù)高,凹岸有大量泥沙落淤,普遍淤積,深泓線偏移變窄。
羅漢石灘受局部沖刷和河床下切影響,由于地質(zhì)原因,在航道上形成了一道長約300 米的“橫坎”,在枯水期好似溢水壩,灘上游形成雍水,下游出現(xiàn)跌水,甚至“吊坎水”。
龍務(wù)洲灘受沿線河床下切、水位下降的影響,礙航特性突顯。龍務(wù)洲航段礙航主要體現(xiàn)在兩個方面:一是局部航道水深不足;二是羅漢石灘礁石攔斷河道導(dǎo)致局部跌水影響通航安全。
龍務(wù)洲洲尾航段受大量挖砂影響,特別是官洲的挖失,使該河段形成了“喇叭”口。河型的變化,改變了河床邊界條件,導(dǎo)致該航段分流比消失,縱比降變小,水流平緩,航道演變雜亂無序。由于水面寬闊,水流突變緩,每年在洪水期有大量懸移質(zhì)淤積,懸移質(zhì)在河床演變作用下,在航道內(nèi)淤成一道動態(tài)的縱向泥沙淤積帶,導(dǎo)致航道深泓線偏移,枯水期水深不足,彎曲半徑不夠。
根據(jù)豐城龍頭山樞紐至龍務(wù)洲航道通航存在的問題、礙航成因及演變分析,航道管理部門與設(shè)計單位經(jīng)多次專題討論、研究,提出了以下方案比選:
方案1:維持現(xiàn)狀河床地形,通過增加枯水期龍頭山樞紐下泄流量,使沿程航槽水深滿足2.3m。經(jīng)初步測算,該方案需保證龍頭山樞紐下泄流量不小于950m3/s。
方案2:結(jié)合現(xiàn)狀河床地形(小港口灘航槽底高程8.5m、龍務(wù)洲航槽底高程7.0m 控制),通過局部少量的疏挖,輔以上游龍頭山樞紐下泄流量的調(diào)度,使沿程航槽水深滿足2.3m。經(jīng)初步測算,該方案需保證龍頭山樞紐下泄流量不小于615m3/s。
方案3:不考慮龍頭山樞紐下泄流量的調(diào)度,在80%、85%、90%、95%四級保證率流量下,通過工程措施實現(xiàn)Ⅲ級航道。
經(jīng)初步測算,各方案主要工程量見下表:
表3 各方案主要工程量對比表
(4)針對上述各方案,由航道管理單位、樞紐管理單位等相關(guān)部門進(jìn)行了討論。從增大上游來流量的可行性、工程實施方案的經(jīng)濟性、工期合理性等方面進(jìn)行了綜合比選,確定了本次航道養(yǎng)護(hù)工程整治方式為加大上游來流量及整治措施(疏浚、炸礁)相結(jié)合,上游來流量取85%保證率天然流量,即上述方案3-3。
根據(jù)比選成果,確定了本次航道養(yǎng)護(hù)工程整治方式為加大上游來流量及整治措施(疏浚、炸礁)相結(jié)合,上游來流量取85%保證率天然流量。
因此,本次航道養(yǎng)護(hù)工程設(shè)計邊界條件為:上游來流量取85%保證率天然流量,下游水位采用該流量對應(yīng)的水位。
本工程上起于贛江豐城龍頭山樞紐船閘下引航道出口,下止于贛江豐城龍務(wù)洲尾,河段全長約20km,涉及龍頭山灘、小港口灘、大港口灘、龍洲頭灘以及龍洲尾灘共5 個淺灘。工程方案方案布置表如下:
表4 工程方案布置表
工程河段地理位置示意圖如下:
圖2
本次航道養(yǎng)護(hù)工程整治方式為加大上游來流量及整治措施(疏浚、炸礁)相結(jié)合,上游來流量取85%保證率天然流量。本工程采用綜合歷時曲線法計算得到龍頭山樞紐壩址85%保證率流量值為581.4m3/s。
當(dāng)上游來流量≥85%保證率流量時,通過實施航道整治工程實現(xiàn)Ⅲ級航道暢通;當(dāng)上游來流量<85%保證率流量時,聯(lián)合調(diào)度龍頭山樞紐、新干樞紐運行方式,分時段加大上游來流量(不小于85%保證率流量),以滿足Ⅲ級航道通航尺度。
工程河段現(xiàn)狀按Ⅲ-(3)級航道標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行維護(hù),航道尺度2.2×60×480m(航深×航寬×彎曲半徑)。
本次養(yǎng)護(hù)工程按Ⅲ-(3)級航道標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行養(yǎng)護(hù),考慮到工程河段多數(shù)為硬質(zhì)河床,根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》增加硬質(zhì)河床富余水深0.1m,故航道尺度2.3×60×480m(航深×航寬×彎曲半徑)。
4.3.1 基本站設(shè)計水位
根據(jù)工程河段上下游水文(位)分布情況,選擇下游贛江干流市汊站作為推求設(shè)計水位的基本站,由于龍頭山樞紐壩址至市汊河段無支流匯入,近似認(rèn)為龍頭山壩址流量等于市汊站流量。
圖3 市汊站水位-流量關(guān)系圖(2015~2019 年)
由上述分析可知,近年來市汊站中枯水水位流量關(guān)系基本穩(wěn)定,故選擇2019 年作為水文代表年份,繪制“市汊站水位-流量關(guān)系曲線”,推求市汊站85%保證率水位。經(jīng)計算,龍頭山壩址85%流量值為581.4m3/s,對應(yīng)市汊站水位為9.97m。
圖4 龍市汊站水位-流量關(guān)系圖(2019 年)
4.3.2 河段沿程設(shè)計最低通航水位計算
根據(jù)上述確定的龍頭山壩址流量及市汊站水位組合,結(jié)合2021 年7 月全河道測圖及2022 年工程區(qū)補測大比例測圖,通過多個方案試驗性模擬,得到既能滿足水深要求,且開挖量較低的方案,工程前后設(shè)計最低通航水位見表5。
表5 工程前后設(shè)計最低通航水位成果表
4.3.3 航道整治底標(biāo)高
本段航道按內(nèi)河Ⅲ-(3)級標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù),航道設(shè)計水深原則上按航道現(xiàn)狀維護(hù)水深確定,即2.2m,由于工程河段工程區(qū)多數(shù)為硬質(zhì)河床,根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》,另取硬質(zhì)河床富余水深0.1m,即工程河段航道設(shè)計水深為2.3m,設(shè)計河床底標(biāo)高見下表:
表6 挖槽區(qū)設(shè)計河床底標(biāo)高
表7 清礁區(qū)設(shè)計河床底標(biāo)高
4.4.1 規(guī)劃航道走向
本次航線規(guī)劃遵循“充分依托現(xiàn)有航道走向,盡量利用深泓”的原則,采用2022 年航道測圖,對工程河段航道線進(jìn)行規(guī)劃,規(guī)劃航道寬度60m,彎曲半徑不小于480m。
4.4.1.1 龍頭山灘、小港口灘
兩灘段位于龍頭山樞紐壩下,枯水河面寬度350~530m,大部分區(qū)域河床底質(zhì)為巖石。歷史上曾對該灘段進(jìn)行了多次的疏浚、炸礁等整治,整治后起到一定的效果,航道條件有所改善,現(xiàn)狀航道范圍內(nèi)河床標(biāo)高多在8m~10m 左右。近年來受大規(guī)模采砂活動影響,贛江下游河床大幅下切,枯水水位持續(xù)下降,灘段內(nèi)水深條件有所惡化。
該河段邊灘交錯分布,受邊灘控制,河段內(nèi)深槽上段(龍頭山樞紐近壩段)偏居于左岸,壩下里程約3.5km(新越瀝青公司附近)處開始向右岸過渡,至壩下里程約6.2km(小港口閘附近)處貼右岸前行。規(guī)劃航線依托深槽布置,上段對接龍頭山一線船閘后,由左岸深槽逐漸過渡至右岸深槽。
圖5 龍頭山灘、小港口灘規(guī)劃航線布置圖
4.4.1.2 大港口灘
該河段河勢微彎,左岸邊灘大片發(fā)育,主流和深槽居于右岸,枯水河面寬度300~650m。規(guī)劃航線依托深槽布置,貼右岸前行。
圖6 大港口灘規(guī)劃航線布置圖
4.4.1.3 龍務(wù)洲河段(龍洲頭灘、龍洲尾灘)
該河段河面首尾寬,中段窄,呈“啞鈴”狀。中段羅漢石附近沿河道走向約有200m 長河床表層為基巖,近年來隨著贛江下游枯水水位的下降,巖質(zhì)河床難以沖刷,羅漢石附近航道水深不足,成為主要礙航瓶頸之一。
該灘段入口左岸邊灘分布,深槽居于右岸;受右岸龍務(wù)洲高灘的控制,深槽逐漸向左偏折,于窄段向右貼高灘前行;至洲尾,河面開闊,深槽再次偏向右岸。規(guī)劃航線依托深槽布置,自右岸過渡至左岸后,再次折向右岸。
圖7 龍務(wù)洲河段規(guī)劃航線布置圖
4.4.2 整治工程平面布置
規(guī)劃航道范圍內(nèi)設(shè)計水位下水深不足2.3m 的區(qū)域為疏浚區(qū)和清礁區(qū)。按照此標(biāo)準(zhǔn),共布置4 條疏浚挖槽和10 條清礁挖槽,總長4831m。各灘段分布情況如下表:
表8 各灘段挖槽分布表
表9 各灘段清礁區(qū)分布表
4.5.1 挖槽縱坡
挖槽縱坡根據(jù)工程后沿程水面線縱坡確定,各灘段挖槽縱坡均為平坡。
4.5.2 挖槽橫斷面
4.5.2.1 槽設(shè)計深度
H=H設(shè)=2.3m
式中:H— 挖槽設(shè)計深度(m);
H設(shè)—航道設(shè)計水深(m)。
4.5.2.2 挖槽設(shè)計寬度
根據(jù)確定的Ⅲ-(3)級航道養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn),航道寬度為60m,故挖槽設(shè)計寬度確定為60m。
4.5.2.3 挖槽設(shè)計邊坡
根據(jù)地質(zhì)鉆探資料和《疏浚與吹填工程設(shè)計規(guī)范》,疏浚河段河床質(zhì)以圓礫為主,挖槽設(shè)計邊坡可采用1:2~1:5??紤]挖槽開挖深度和挖槽長度,挖槽邊坡按1∶3 控制。
4.5.2.4 挖槽設(shè)計斷面
挖槽設(shè)計斷面如下圖。
圖8 挖槽斷面圖
圖中:實線為設(shè)計斷面,虛線為工程量計算斷面。
H -挖槽設(shè)計深度;
B -挖槽設(shè)計底寬;
M -挖槽邊坡系數(shù);
Δh、Δb-分別為工程量計算超深和超寬。疏浚河段河床質(zhì)以圓礫為主,擬選用抓斗挖泥船進(jìn)行疏浚開挖。根據(jù)《疏浚與吹填工程設(shè)計規(guī)范》要求,4 方抓斗挖泥船超深、超寬取值分別為0.5m、4.0m。
4.6.1 縱坡設(shè)計
清礁區(qū)縱坡根據(jù)工程后沿程水面線縱坡確定,各灘段挖槽縱坡見下表:
表10 清礁區(qū)設(shè)計縱坡
4.6.2 清礁橫斷面設(shè)計
4.6.2.1 清礁設(shè)計深度
如前所述,清礁設(shè)計深度按設(shè)計最低通航水位以下2.3m 考慮。
4.6.2.2 清礁設(shè)計寬度
與設(shè)計航道寬度保持一致,確定為60m。
4.6.2.3 清礁設(shè)計邊坡
根據(jù)地質(zhì)鉆探資料,炸礁河段河床質(zhì)為礁石,Re=2.3MPa,根據(jù)《疏浚與吹填設(shè)計規(guī)范》,設(shè)計邊坡可采用1:1.5~1:2.5。考慮到本工程清礁厚度普遍較小,故本次設(shè)計邊坡采用1∶2。
4.6.2.4 清礁炸礁設(shè)計斷面
清礁設(shè)計斷面如下圖。
圖9 清礁斷面圖
圖中:實線為設(shè)計斷面,虛線為工程量計算斷面。
H -清礁設(shè)計深度;
B -清礁設(shè)計底寬;
M -清礁邊坡系數(shù);
Δh、Δb-分別為工程量計算超深和超寬。根據(jù)《疏浚與吹填工程設(shè)計規(guī)范》,挖巖、清渣的計算超深、超寬值可取為1.0m、4.0m??紤]內(nèi)河小型施工設(shè)備施工超深、超寬可適當(dāng)減小,本工程計算超深、超寬值取為0.5m、4.0m。
整治工程自2022 年7 月開始施工,11 月底基本完工。12 月10 日全段單波束掃測驗收通過,12 月15 日硬式掃床驗收合格。整治工程完工后,2022 年12 月31日上午08 時龍頭山樞紐:壩上水位24.13m,壩下水位11.17m,下游曲江碼頭水位11.0 米(接近設(shè)計最低通航水位11.1 米)。入庫流量:554m3/s,出庫流量:554m3/s(接近85%通航保證率龍頭山樞紐下泄流量563m3/s),其中機組出庫流量:554m3/s,閘門出庫流量:0m3/s(閘門開0 孔)。經(jīng)贛西通航辦巡查科人員實測,當(dāng)曲江碼頭水位11.0 米時,龍頭山灘航道水深最低淺點2.4 米,小港口灘航道水深最淺點2.3 米。龍霧州渡口處航道水深最淺點2.5 米,龍霧州尾航道最淺點水深2.5 米,水深大于三級通航標(biāo)準(zhǔn),整治超過預(yù)期效果。
2022 年12 月6 日,江西省航道工程局工程處、贛西航道事務(wù)中心通航辦對龍頭山灘至龍務(wù)洲灘上午8 時瞬時水位進(jìn)行監(jiān)測,曲江碼頭水位13.2 米,龍務(wù)洲灘水位12.9 米,落差30cm,比降為0.015‰。
從水位監(jiān)測結(jié)果得出結(jié)論,整治后枯水期水面比降明顯變緩,水流平緩,落差變小。
2022 年11 月26 日,龍頭山灘、小港口灘整治工程掃床驗收合格,11 月29 日下午2 時,曲江碼頭水位11.10 米(設(shè)計最低通航水位),航道整治工程后的小港口灘迎來了兩艘煤炭船和一艘集裝箱貨船首航,經(jīng)過近1個小時的航行,3艘貨船順利駛過小港口灘,磨盤灘、龍頭山灘,到達(dá)曲江碼頭,標(biāo)志著豐城龍頭山灘,小港口灘整治效果明顯。