黑龍江三屯淺灘挖槽穩(wěn)定性分析

陳立薇

(黑龍江省航務(wù)勘察設(shè)計院，哈爾濱150001)

1 淺灘及工程概況

三屯淺灘位于黑龍江中游松花江入?yún)R口下，黑中254～248 km處。通過對比1972、1982及2000年的水深平面圖可以看出，多年來河床平面形態(tài)比較穩(wěn)定，深槽、淺灘及邊灘沒有太大的變化，上游來水在專島島頭處分成兩汊，致使河段放寬、水流分散、流速降低、水流夾沙力減弱，泥沙在汊道分汊區(qū)段淤積形成淺灘。成為黑龍江中游較為嚴(yán)重的礙航淺灘。為確保航道通暢，中俄兩國在第四十二次例會中確定在該淺灘處設(shè)計長3 955 m、寬80 m的疏浚挖槽，力求通過疏浚挖槽疏通航道上的淺區(qū)，使上下深槽貫通，引導(dǎo)水流沖刷淺區(qū)，并利用拋泥區(qū)調(diào)整水流，促使水流歸槽，提高航道的穩(wěn)定性。挖槽平面位置見圖1。

黑龍江中游河床質(zhì)大部分為中、粗砂，按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)確定挖槽邊坡坡比為1∶3，按照航道維護(hù)尺度確定挖槽標(biāo)準(zhǔn)底寬為70 m，挖深2.5 m。疏浚挖槽標(biāo)準(zhǔn)斷面見圖2。

該工程于2000年7月18日開工，歷經(jīng)68 d完工，10月28日，黑龍江航道局測量隊(duì)對三屯淺灘挖槽進(jìn)行驗(yàn)收測量，從測圖中發(fā)現(xiàn)，該挖槽下段出現(xiàn)長約280 m，寬40 m，厚度達(dá)1.0 m以上的泥沙淤積體，在其下還有長約200 m的零星淺點(diǎn)。

2 挖槽穩(wěn)定性分析

1)淺灘的淤積是在一定的水文條件下產(chǎn)生的，隨著水文年內(nèi)洪枯水流季節(jié)性變化及多年周期性變化，淺灘淤積情況也隨之變化。

淺灘形成以后，上游的來水量和來沙量的大小和過程，對淺灘的沖淤演變有著直接的影響。一般來說，淺灘有洪季淤積、枯季沖刷的規(guī)律，而且洪水季節(jié)水流含沙量也大，即大水大沙、小水小沙。黑龍江自2000年以來持續(xù)枯水，有利于淺灘部位的沖刷，從實(shí)際情況和計算結(jié)果來看，2000年至2003年初，三屯淺灘雖有回淤，年季間變化不大，2003年7月，黑龍江水位持續(xù)上漲，泥沙含量劇增，加上高水漫過邊灘，挖槽切割的邊灘不穩(wěn)定，大量的泥沙被沖刷淤積到挖槽內(nèi)，造成了21.6萬m3的回淤量。所以，隨著水文年內(nèi)洪枯水流季節(jié)性的變化，淺灘淤積也隨之變化。

2)由于黑龍江為中俄界河，界河涉及到領(lǐng)土、領(lǐng)水等問題，中俄航行例會規(guī)定:主航道與國界線基本保持一致。此規(guī)定導(dǎo)致了部分挖槽以及挖槽的部分區(qū)段位于非發(fā)展汊道或正處于衰退階段的汊道，所以挖槽布置在江心島的北側(cè)，使設(shè)計挖槽變成了切灘，這在挖槽設(shè)計當(dāng)中是不合理的。通過多年測圖比較分析發(fā)現(xiàn)，此邊灘一直在發(fā)展淤長，在施工期間所切灘的尾部還在淤積，勢必造成大量泥沙重新被沖刷進(jìn)挖槽，產(chǎn)生較大的淤積。另外心灘的組成顆粒為中、粗沙，切灘挖槽的邊界條件不穩(wěn)定，水流沖刷極易坍塌，這也造成了挖槽的大量淤積。

3)在復(fù)雜的河段上，單純地通過疏浚挖槽來達(dá)到來達(dá)到設(shè)計航道深度，航槽很難穩(wěn)定，必須通過整治建筑物的控制才能達(dá)到穩(wěn)定。由于黑龍江為中俄界河，其特殊的地理位置決定了它不可能修建整治建筑物來控制河勢的發(fā)展，因此，在洪、中、枯水期及其變化的過程中，將導(dǎo)致整個航槽或航槽的部分區(qū)段產(chǎn)生淤積。三屯淺灘就是這樣的例子，該通航汊道為國界線，也是正在衰退的汊道，中方和俄方各有一汊道，水深及航寬都非常良好，從演變趨勢來看，兩汊道都處于發(fā)展階段，因此，不通過修建整治建筑物來控制河勢的發(fā)展，調(diào)整各汊道的分流比及分沙比，挖槽的淤積問題很難解決。

3 設(shè)計挖槽的穩(wěn)定性計算

根據(jù)航道整治工程的規(guī)定，為使挖槽不淤或少淤，一般應(yīng)滿足以下條件:即挖槽開挖后的流速Vn應(yīng)大于開挖前的流速V0，即Vn＞V0;開挖后的的流速Vn應(yīng)大于或等于挖槽上游段的流速Vr，即Vn≥Vr，此外挖槽內(nèi)的流速還應(yīng)沿程相等或有所增加。滿足上述條件的挖槽才是穩(wěn)定的。

假定水流為均勻流，設(shè)開挖前挖槽范圍內(nèi)的平均流速為V0，開挖后挖槽范圍內(nèi)的平均流速為Vn，開挖后挖槽范圍內(nèi)的平均流速增大倍數(shù)為Km，由均勻流阻力公式(謝才公式)推導(dǎo)出下列公式:

圖1 挖槽平面位置示意圖

圖2 疏浚挖槽標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

式中:Q為設(shè)計流量，m3/s;B為設(shè)計流量時河寬，m;A為過水?dāng)嗝婷娣e，m2;An為開挖斷面面積，m2;h0為挖槽開挖前的平均水深，m;Δhn為平均開挖深度，m。

由推導(dǎo)出的公式驗(yàn)算三屯淺灘挖槽的穩(wěn)定性(設(shè)計挖深為3.5 m，計算流量為5 300 m3/s時):

表1 三屯淺灘挖槽的斷面面積計算表

表2 三屯淺灘挖槽開挖前流速計算表

表3 三屯淺灘挖槽開挖后流速計算表

由計算結(jié)果表明，挖后槽內(nèi)流速Vn均大于挖前流速V0，增幅在10%～28%，滿足了挖槽穩(wěn)定的第一個條件。對于挖槽穩(wěn)定的第二個條件卻很難達(dá)到，挖后槽內(nèi)流速雖有一定增幅，但均小于上深槽的流速，流速相差在0.08～0.26 m/s，因此浚后挖槽必定產(chǎn)生一定量的回淤。

由計算可以看出，挖槽輸沙能力的強(qiáng)弱，主要取決于槽內(nèi)流速比Km，只要挖槽內(nèi)的流速Vn稍有增加，便可大大提高水流輸沙能力。而槽內(nèi)流速Vn卻與很多因素有關(guān)，如挖槽平面布設(shè)的形狀、長度、軸線與水流方向的交角以及挖槽斷面的形狀等等，由于三屯淺灘的挖槽過長、過直，施工期又長，導(dǎo)致挖槽產(chǎn)生淤積也不可避免。

鑒于以上分析，三屯淺灘疏浚后，必然要產(chǎn)生一定量的回淤，所以對該段淺灘要進(jìn)行必要的觀測，根據(jù)回淤情況，適時地安排疏浚維護(hù)工作，以保證航道的暢通。

［1］黑龍江省航道局.黑龍江中游航行圖集［G］.哈爾濱:黑龍江省航道局，2000.

［2］天津航道局.JTJ319－99疏浚工程技術(shù)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，1999.

［3］胡旭躍.航道整治［M］.北京:人民交通出版社，2008.