汊流型沙質(zhì)淺灘的航道治理研究

黃金俊

（江西省港口集團(tuán)有限公司，江西南昌 330000）

0 引言

汊流型沙質(zhì)淺灘的航道治理一直是航運(yùn)領(lǐng)域的重要問(wèn)題，因?yàn)檫@些淺灘不僅對(duì)船只造成安全隱患，還對(duì)貿(mào)易和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)造成嚴(yán)重影響。過(guò)去，已經(jīng)開(kāi)展一些航道治理工程，但仍然存在不足，需要進(jìn)一步改進(jìn)。一方面，汊流型沙質(zhì)淺灘的地理和地質(zhì)條件復(fù)雜多變，不同航道可能存在不同的挑戰(zhàn)和問(wèn)題?，F(xiàn)有的研究通常缺乏足夠的地域性和個(gè)性化，很少考慮不同地區(qū)或航道的特殊情況。另一方面，現(xiàn)有的航道治理方法主要集中在機(jī)械疏浚和爆破等物理方法上，這些方法常常昂貴且破壞環(huán)境。需要更多地關(guān)注環(huán)保和可持續(xù)性，尋找更加環(huán)保和經(jīng)濟(jì)的治理方法，如生態(tài)恢復(fù)和沙灘穩(wěn)定技術(shù)，以減少對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的破壞[1]。因此，通過(guò)深入研究汊流型沙質(zhì)淺灘的航道治理措施，可以更好地應(yīng)對(duì)存在的問(wèn)題，促進(jìn)航道治理的可持續(xù)發(fā)展。

1 案例概況

黃河頭道墩至橫城渡口段總長(zhǎng)37.20km，為散亂型平原河道。該河段為沙質(zhì)河床，兩岸沙質(zhì)臺(tái)地土質(zhì)疏松，容易坍塌潰崩；河床橫向?qū)挏\變化大，平面呈現(xiàn)藕節(jié)態(tài)，水流散亂，灘洲密布，主流擺動(dòng)劇烈，淤變頻繁。園藝場(chǎng)灘岸線(xiàn)凹凸，河床形態(tài)復(fù)雜。洪水期時(shí)，水流漫灘，河面展寬，過(guò)流狀態(tài)良好；中水期，在左岸存在的凸咀和磯頭的不良影響下，部分區(qū)域的過(guò)流存在較嚴(yán)重的不良狀態(tài)，不利于安全通航；因此，在水工分析的基礎(chǔ)上，最終決定實(shí)施右汊構(gòu)建鎖壩、左汊入口疏浚的改進(jìn)方案，圓滿(mǎn)完成治理任務(wù)。

2 汊流型沙質(zhì)淺灘的航道治理方案分析

2.1 初步方案主要內(nèi)容

第一，小龍頭碼頭附近航道疏浚，疏浚長(zhǎng)度為495m，挖槽截面1.60m×35m，以便船只進(jìn)出；

第二，1#洲左汊入口段疏浚，挖槽截面1.60m×35m，并在1#江心洲頭布置齒狀攔沙壩，其壩長(zhǎng)259m；攔沙壩分為兩條，上壩長(zhǎng)度82m，下壩長(zhǎng)度111.50m；

第三，灘中段的左側(cè)修建5 條垂直于河岸的丁壩，長(zhǎng)度分別為122m、177m、170m、138m 和191m；并疏浚3#洲外淺區(qū)，疏浚長(zhǎng)度319m，挖槽截面1.60m×35m；

第四，在5#～6#洲間開(kāi)挖新航道，疏浚長(zhǎng)度約710m，挖槽截面1.60m×35m；

第五，在右岸1#、4#、5#、7#江心洲上，鋪設(shè)2#、4#、6#三條堤防，高度與灘面相平，長(zhǎng)度分別為964.10m、834.10m 和581.50m；

第六，左岸的第9 座江心洲分別鋪設(shè)了上下游4條丁壩，長(zhǎng)度分別為96.10m、142.60m、249.10m 和235.10m；

第七，河灘村的第13 座江心洲左汊修建了3 條丁壩，長(zhǎng)度分別為116m、134m 和166m，并在12#和13#江心洲對(duì)右側(cè)2 個(gè)淺區(qū)給予疏浚，疏浚長(zhǎng)度分別為356.10m 和714.10m；

第八，為了預(yù)防江心洲沖蝕和防范岸線(xiàn)崩塌，對(duì)于容易被沖刷的洲灘和河岸實(shí)施了護(hù)岸護(hù)洲措施。

2.2 初步方案水工分析結(jié)果

基于系列工程參數(shù)，經(jīng)二維水流數(shù)學(xué)模擬計(jì)算，分析顯示，通過(guò)對(duì)初步方案的治理，位于1#洲頭的梳子壩的功能得到體現(xiàn)，包括水流導(dǎo)向效果和水位調(diào)整功能的實(shí)現(xiàn)。然而，由于中段左岸配置了5 條護(hù)灘帶，而右岸只有3 條護(hù)灘帶，河寬被縮窄至約200m，比治理前縮窄了近80%，導(dǎo)致該區(qū)域的水流過(guò)于集中，結(jié)果是水流過(guò)快，水位升高。在13#洲左汊修筑的3 條丁壩，因?yàn)閴紊磔^長(zhǎng)，使河寬收窄了1/3，右汊的流速增加明顯。計(jì)算結(jié)果顯示，在治理前，當(dāng)水位上漲至0.70m 時(shí)，河面增加寬度，灘口航線(xiàn)深度達(dá)到2m，航道入口處的中流速為1.20m/s，中段區(qū)域的中流速為1.45m/s，岸凸處已經(jīng)有輕微的挑流現(xiàn)象，但并不強(qiáng)烈，通航狀態(tài)仍然良好[2]。

3 汊流型沙質(zhì)淺灘的航道治理中期優(yōu)化方案

3.1 優(yōu)化方案主要內(nèi)容

在初步方案和模擬成果基礎(chǔ)上，優(yōu)化方案如下：

一是護(hù)洲護(hù)岸：保護(hù)易動(dòng)易沖洲灘和河岸，例如左汊入口處左岸、8#洲尾和主題公園洲頭等地，通過(guò)護(hù)洲護(hù)岸控制流態(tài)穩(wěn)定。

二是上段：將1#洲頭原梳子壩改為魚(yú)骨壩，壩頭按照順時(shí)針的方位進(jìn)行調(diào)整，參數(shù)為100°。在設(shè)計(jì)時(shí)，壩高相較于原有水位提升了0.05m，而縱坡則根據(jù)1/300 的要求進(jìn)行了優(yōu)化。洲面與壩根緊密連接，主壩的左右側(cè)各附有3 條魚(yú)骨壩。對(duì)左汊入口進(jìn)行挖槽優(yōu)化，其軸線(xiàn)走向與設(shè)計(jì)平行，并向左移動(dòng)了30m，斷面尺寸仍為1.60m×35m，總長(zhǎng)度為560m。

三是中段：在1#洲的中部，建造一座長(zhǎng)216m 的順流導(dǎo)壩和5#洲頭建造一座長(zhǎng)91m 的洲頭壩。左岸建有3 條護(hù)岸，其長(zhǎng)度分別為46m、82m 和132m，在6#洲的左汊彎段，建護(hù)岸短丁壩12 座。同時(shí)挖深拓寬5#～6#洲間的河道，新航槽的槽寬從設(shè)計(jì)的35m增至50m，促進(jìn)流態(tài)改善。

四是下段：9#洲上游的左岸，新建丁壩5 條，自上而下長(zhǎng)度分別取45m、56m、106m、160m 和240m，以導(dǎo)順?biāo)?，并疏浚右汊淺區(qū)。

五是河灘村灘段：在左岸新建丁壩3 條，由上而下的長(zhǎng)度分別為113m、70m 和101.60m，壩高在原設(shè)計(jì)水位基礎(chǔ)上增加0.50m；疏浚治理12#～13#洲淺水區(qū)，疏浚長(zhǎng)度分別為343.10m 和570.10m。

六是對(duì)小龍頭碼頭進(jìn)行港池開(kāi)挖處理，以利于船舶在該區(qū)域方便出入和泊靠。

3.2 優(yōu)化方案水工分析結(jié)果

基于系列工程參數(shù)，經(jīng)二維水流數(shù)學(xué)模擬計(jì)算，分析成果如下：

一是上段：洲頭魚(yú)骨壩對(duì)保護(hù)洲頭和兩汊分流比控制作用比較明顯，左汊入口中流速比治理前加大0.16m/s。設(shè)計(jì)流量下，該段水位相對(duì)治理前變化值在0.01～0.02m，較初步方案大幅度提高。在流量690m3/s 時(shí)，較治理前水位壅高0.11m，比初步方案降低0.47m。在各個(gè)流量狀態(tài)下，經(jīng)過(guò)疏浚處理的航道區(qū)域的水流速度分布比治理前增加0.10～0.20m/s，這對(duì)于控制航道淤積非常有利。

二是中段：優(yōu)化方案具體實(shí)施后，在261.0m3/s 的流量條件下，航道的中流速是0.97m/s，比原方案的中流速提高0.25m/s。整理后中流速維持在0.93～1.55m/s，比初步方案降低了0.53～0.67m/s。當(dāng)流量690m3/s 條件下，水位上升，6#洲漫灘的河面變寬，流速0.1～0.25m/s，較治理前水位上漲約0.08～0.22m，比初步方案降低了約0.28m。5#洲灘的左汊分流量減少，右汊分流量加大，洪水流量1000～3000m3/s 時(shí)，新航道內(nèi)流速變化值為0.25～0.30m/s，比治理前水位上漲約0.09m，比初步方案降低了約0.27m。

三是下段：河灘村灘的流速比治理前流速有所加大。在設(shè)計(jì)流量情況下，航槽下和航槽上的流速分別為1.270m/s 和0.950m/s，比治理前分別增加了0.140m/s 和0.580m/s。當(dāng)流量為690.0m3/s 時(shí)，航槽上和下的流速分別增加了0.320m/s 和0.080m/s，分別達(dá)到1.450m/s 和1.490m/s。在1000～3000m3/s 的洪水流量下，12#洲的航道中流速在1.750～3.160m/s，比治理前有不同程度的增加，考慮到治理需求，增加最大值設(shè)計(jì)為0.420m/s。龍盤(pán)灣碼頭水域流速設(shè)計(jì)按照原有規(guī)范控制在1.71～3.27m/s，比原方案降低了約0.270m/s。在保持流量440m3/s 條件下，河段的航中流速在0.58～1.74m/s，比降幅度控制在0.20‰以?xún)?nèi)，局域最大比降也僅為0.36‰，過(guò)流狀態(tài)良好、水流平穩(wěn)。流速治理功效前后比較見(jiàn)表1。

表1 流速治理功效前后比較（流量819m3/s）

模擬分析顯示，優(yōu)化方案治理后，左汊流量有所增強(qiáng)。當(dāng)527m3/s 流量時(shí)，入口區(qū)域的最大航中流速相比治理前提升了0.34m/s。灘中過(guò)渡段的流速1.9m/s，提升了0.44m/s。因?yàn)槎慰s短，河灘村灘的航中流速比初步方案降低0.10m/s，這有助于防止航道遭受過(guò)度沖刷。其他區(qū)域流速雖然有漲有落，但變化的絕對(duì)值不大。當(dāng)819m3/s 流量時(shí)，左槽入口區(qū)域的航中流速?gòu)闹卫砬?.20m/s 增加到治理后的1.42m/s，達(dá)18%增幅。灘中過(guò)渡段的流速達(dá)到1.77m/s，提升了0.29m/s。相比治理前，河灘村灘的中流速提升了0.26m/s。各級(jí)流量狀態(tài)下，河段水面的比降總體變化不大。

經(jīng)過(guò)治理后，園藝場(chǎng)5#洲左右兩汊的分流比產(chǎn)生明顯變化，其總體趨勢(shì)是隨著流量的增加，右汊分流比則逐漸增大，而左汊分流比逐漸降低。在設(shè)計(jì)流量為261m3/s 條件下，左汊分流占比91.30%，比治理前提高了31.80%。當(dāng)流量760m3/s 條件下，左汊分流占比76%。而在流量為690m3/s 條件下，左汊分流占比則為66.10%，較治理前提升了21.60%。左汊分流占比明顯降低，1000.10m3/s 的流量條件下左汊分流的占比51%，1500.10m3/s 的流量條件下左汊分流的占比44.30%。

4 汊流型沙質(zhì)淺灘的航道治理方案實(shí)施效果

4.1 實(shí)施方案的確定

上述分析顯示，采取優(yōu)化方案治理后，增強(qiáng)了灘洲的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，更加合理地控制流態(tài)。在淺區(qū)流速實(shí)現(xiàn)適度增加的條件下，航槽結(jié)構(gòu)很穩(wěn)定，過(guò)流順暢無(wú)阻。航行條件明顯改善。與初步方案相比，水流阻礙更小。實(shí)施治理工程后，大大控制和降低了河段水位的洪水期上升幅度。因此，案例工程選擇優(yōu)化方案作為治理方案。

4.2 實(shí)施方案定床輸沙試驗(yàn)

在初步選定治理方案后，采取定床輸沙方式對(duì)航道的穩(wěn)定性開(kāi)展了分析研究。試驗(yàn)采用1500m3/s 流量標(biāo)準(zhǔn)，借以檢測(cè)河段通過(guò)優(yōu)化治理后的泥沙運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。測(cè)試結(jié)果表明：

第一，治理后，案例灘段的上游仍保持兩個(gè)分汊狀態(tài)，部分泥沙仍從右側(cè)分汊通過(guò)。由于洲頭魚(yú)骨壩的作用，左側(cè)分汊入口處的水流速度略有增加。航槽內(nèi)除邊灘稍有淤積以外，未出現(xiàn)淤沙停留情況。但淺區(qū)的流速有所增加，仍存在著微沖刷。

第二，航槽速度普遍較為平穩(wěn)，除了左岸位置存在淤泥集中情況外，其他區(qū)域均未出現(xiàn)淤泥現(xiàn)象。

第三，由于丁壩束水影響，左岸航槽水流增加。然而，分析測(cè)試結(jié)果表明，該區(qū)域的回淤可能性較低。

第四，對(duì)于河灘村灘的治理措施，主要采用筑壩和疏浚相結(jié)合的方式進(jìn)行。治理完成后，水流明顯增加，且未出現(xiàn)淤積情況。

第五，由于采用近岸挖掘的方式，上游碼頭港池存在一些淤沙問(wèn)題。而下游龍盤(pán)灣碼頭的水流速度相對(duì)較大，可能需要特別關(guān)注流速對(duì)航道的影響。

第六，航道中流速比較適中，流態(tài)平穩(wěn)。除了左岸護(hù)灘和壩田間仍存在低程度淤積外，其他區(qū)域未見(jiàn)淤沙現(xiàn)象。

第七，河灘村沙洲進(jìn)行了筑壩和疏浚治理，治理后航道流速加快，未發(fā)現(xiàn)淤積現(xiàn)象。

第八，由于丁壩的束水作用，左岸航道流速加快，測(cè)試結(jié)果表明，回淤的可能性比較低。

第九，碼頭港池因近岸開(kāi)挖影響，發(fā)生少量淤沙。龍盤(pán)灣碼頭水域的流速較快，但未發(fā)生泥沙淤積。

綜合測(cè)試結(jié)果，優(yōu)化方案設(shè)計(jì)合理，該方案治理下，航槽基本穩(wěn)定，淺區(qū)適度流速增加。

5 結(jié)語(yǔ)

總之，在汊流型沙質(zhì)淺灘的航道治理過(guò)程中，結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，分析前期、中期以及后期的治理效果。從上述整改后的施工參數(shù)發(fā)現(xiàn)，各方面的治理效果良好，滿(mǎn)足了通航的要求。未來(lái)，還要注重汊流型沙質(zhì)淺灘航道治理方法的研究，要結(jié)合生態(tài)學(xué)、水文學(xué)等專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的知識(shí)與技術(shù)，從而更好地理解和應(yīng)對(duì)汊流型沙質(zhì)淺灘的影響。