山區河流彎曲分汊淺灘整治技術研究

劉旺喜，譚 昆，楊祥飛，楊 衛，張俊鋒

(1.長江航道局，湖北 武漢 430010;2.長江重慶航運工程勘察設計院，重慶 401147)

山區河流彎曲分汊淺灘整治技術研究

劉旺喜1，譚 昆1，楊祥飛2，楊 衛1，張俊鋒1

(1.長江航道局，湖北 武漢 430010;2.長江重慶航運工程勘察設計院，重慶 401147)

結合川江銅鼓灘的整治情況，對山區河流彎曲分汊淺灘水流運動特性、卵石輸移運動規律、淺灘礙航特征、整治措施等彎曲分汊類淺灘的整治技術進行研究，歸納出彎曲分汊淺灘治理要點，為彎曲分汊類淺灘的整治工作提供借鑒。

航道整治;長江;彎曲分汊淺灘

長江是世界第三大河，我國第一大河，貨運量世界第一，是橫貫我國東西部地區的水上運輸大通道，是我國內河交通運輸網的重要組成部分。其中長江干流宜昌以上河段(俗稱川江)位于我國西部地區，航運的發達程度直接影響到到西部地區沿江經濟的發展。從20世紀50年代以來，國家投入資金對川江進行大規模的整治，使得長江上游宜昌至重慶河段航道等級達到Ⅰ級航道標準，通行萬噸級船隊，重慶至宜賓段航道達到Ⅲ級航道標準，能通行千噸級船隊，取得了良好的整治效果［1］。但是山區河段內的彎曲分汊淺灘，由于河床演變受水流條件、泥沙運動條件的影響較大，成灘機理復雜，在航道整治工程完工2～3年后灘勢逐漸惡化，航道尺度減小，直接影響了航道整治效果的發揮［2］。分析原因，除航道維護力度不夠外，主要是進行整治設計時對這類復雜灘險的灘性認識不夠，對彎曲分汊淺灘水流及推移質運動規律認識不足，從而致使整治方案不能徹底解決灘段的礙航問題。為此對山區河流彎曲分汊類淺灘的整治技術進行研究，切實提高整治效果，就顯得十分必要。

筆者結合川江銅鼓灘的整治情況，對山區河流彎曲分汊淺灘成灘機理、河段內卵石輸移運動規律及淺灘礙航特性、整治措施等彎曲分汊類淺灘的整治技術進行研究，為彎曲分汊類淺灘的整治工作提供借鑒。

1 彎曲分汊淺灘概況

山區河流彎曲放寬段大多形成分汊河型，又以兩汊最為常見，即河道分為彎槽和磧槽。我國西南山區河流中廣泛的分布有類似彎曲分汊淺灘，其礙航特征表現為“彎、淺、險”，是山區河流航道整治中較為復雜的河型。

彎曲汊道，洪水期為回流緩流區，有較細泥沙淤積，淤積量較大，容易使航槽淤塞，此時主流走直汊，船舶通行不走彎曲漢道，所以不礙航;汛后隨著水位下降，水流逐步回歸彎槽，流量大部分走彎曲汊道，流速較大，洪水期淤積的泥沙被大量帶走，彎槽沖深，但有時會出現有效航寬不足、水流流態較壞的礙航現象，這類灘險通常具有淺、險灘的礙航特征［3］。長江上游的彎曲分汊卵石灘險，如筲箕背、風簸磧、神背嘴、銅鼓灘等灘險均為長江上游宜賓至重慶河段中枯水期重點淺險灘，由于成灘機理復雜，整治難度較大。要徹底整治類似灘險，需要深入研究這些灘險的水流運動特點、推移質運動規律、河道變化和形成機理、河演趨勢，方能制定出經濟合理的整治方案。

川江銅鼓灘為典型的彎曲分汊淺灘，該灘彎槽位于彎曲狹窄河段凸岸的下方(圖1)。為彎曲放寬河道，江心有卵石磧壩存在，將中枯水河床分為兩汊。灘段平面形態參數［4］見表1。

圖1 銅鼓灘河勢Fig.1 Geographic position of Tonggutan

表1 灘段平面形態參數Tab.1 Parameter list of river beach flat morphology

2 彎曲分汊淺灘水流及卵石運動規律

2.1 彎曲分汊淺灘水流特點

彎曲分汊河道是普遍存在于我國西南地區河流中的一種較為特殊的河型，多出現在彎曲狹窄河段下游的放寬段，多為兩汊形態。淺灘上游一般為深槽，寬度較窄，淺灘段為放寬段，寬度較寬。淺灘兩岸大多為卵石邊灘。

彎曲分汊類淺灘具有彎道和放寬河段的雙重特性。彎道過水斷面的寬度一般是在變化的，彎道寬度的變化會對彎道水面的橫比降、彎道環流的發展、彎道環流的消亡和流速流向變化產生很大的影響。

2.1.1 橫比降最大值出現的位置

一般在河道是等寬的時候，即放寬率β=1時，橫比降由彎道進口沿程逐漸增大，到達彎頂附近，橫比降達到最大值，再向下游又逐漸減小。當β較大時，最大橫比降的位置一般出現在彎道進口至彎頂段，也就是說當下游河道放寬后，會使橫比降的最大值的位置向彎道上段移動。

橫比降的最大值出現的位置還隨著水流強度的變化而有所不同，在同一個彎道中，當Fr較大的時候，橫比降的最大值出現在彎道中間稍向上偏的位置，但是當Fr減小到很小時，其最大值出現的位置會在彎道的進口。

2.1.2 縱比降最大值出現的位置

水面的縱比降和流速是工程應用中最關心的兩個水力要素，對于山區通航河流來說，一般都會規定航道內流速和局部縱向比降不能過大。

由于水面橫比降的影響，水面縱比降沿橫向的分布是不均勻的，同一斷面上，凸岸和凹岸之間的縱比降差別很大，方向也往往是不同的;縱比降沿縱向的分布往往也是正負相間的，最大比降出現的位置，是與橫向環流的充分發展、使最大流速區由凸岸移向凹岸，從而產生的局部加速區有關。

凸岸縱比降的最大值Jtu-max在Fr較大時，均出現在彎道進口段，當Fr減小的時候，Jtu-max會向下游轉移，出現在彎頂段。而凹岸縱比降的最大值Jao-max，一般都出現在彎道出口段，但是當彎道進口附近水流慣性很大，彎道中心半徑也很大時，彎道出流順暢，在凹岸沿程都沒有負比降的發生，這種情況下Jao-max就有可能出現在彎道進口處。

2.1.3 流速流向特點

彎曲分汊淺灘水位期不同，流速流向各異。隨河道放寬，洪水期水流趨直，主流位于河心，走直汊，流速沿程逐漸增大。受上段彎道環流的影響面流趨直，但底流則偏向彎汊，同時受河勢影響，彎汊容易形成緩慢回流。枯水期，水流主流落灣，沖刷彎汊。流速亦沿程逐漸增大。洪、枯水期水流流速流向的不同直接影響到卵石推移質的運動規律。

2.2 彎曲分汊淺灘卵石運動規律

推移質的淤積和水流在橫斷面上的流速分布關系很大，流速如果大于起動流速，推移質會繼續運動而不會落淤，如果某區域流速過小，推移質也無法進入到該區域，則該區域也就沒有推移質的淤積。外形上，淤積區的外邊界的線形和回流區的邊界形狀在彎道段很相似，基本接近彎道的外形。出了彎道以后，回流區的邊界會向內收縮，而淤積區的外邊界會向外擴散。總的來說，淤積區至內岸的最大距離的變化規律基本上和回流區的寬度變化是一致的，都是隨著Rc的減小而增大的。

推移質在淤積的過程中，其顆粒的大小在橫向的分布［5］，從河心到凸岸呈現出由大到小的分布規律(圖2)。

圖2 推移質淤積區示意Fig.2 Process of filling up drawing

在洪水期，卵石從深槽向卵石邊灘輸移，由于邊灘較寬，水流分散，放寬段卵石輸移帶較寬，一般呈扇狀，如胡家灘、銅鼓灘、油榨磧等卵石淺灘。在枯水期，洪水期卵石輸移帶的地方易形成淺灘或暗磧礙航。

3 彎曲分汊淺灘礙航特性

彎曲分汊類淺灘一般具有淺灘和險灘的礙航特征。洪水期彎汊為回流緩流區域，泥沙大量淤積，航槽淤堵，但此時主流走直汊，船舶通行不走彎曲漢道，所以不礙航;枯水期隨著水位下降，水流歸槽，水流大部分走彎曲汊道，流速較大，洪水期淤積的泥沙被沖刷，航槽沖深，有時也會出現有效航寬不足或流態紊亂的礙航現象［6］。下面以川江典型灘險——銅鼓灘的通航情況分析彎曲分汊淺灘的礙航特性及礙航成因。

銅鼓灘位于兩反向河灣之間，屬典型的彎曲分汊類淺灘。該灘具有“上淺、中彎、下險”的礙航特征。從2007年4月測圖看，灘段入口銅鼓子淺區的航槽水深在2.2～2.6 m間，不能滿足2.7 m水深的航線達160 m長，并且在某些年份維護水深達1.8 m都很困難。在灘中段建順壩后，掃彎水雖有所改善，以及下段流態得到一定改善，但由于航道彎曲半徑剛能滿足560 m的要求，而此處流速達3.56 m/s，船舶航行于此仍比較危險。

下行船舶在上段灘口易擦淺。在下段需抱航槽左側潛磧行使。抱磧緊，易在潛磧擦淺;抱磧松，則在主流頂托下易在彎道對出的右岸石盤觸礁;加上流態壞，船舶轉向操作較為困難。上水船舶因航道窄、淺、彎，操作亦感困難。該灘上段銅鼓子淺區水深不足，中下段流速大，流態較壞，航道彎是礙航的主要原因［7］。

4 銅鼓灘治理措施及效果

銅鼓灘整治方案的整治措施為:①疏浚開辟左槽。即開挖江中迎賓閣與潛磧之間的磧槽。開挖長度1 100余m，開挖寬度上段80 m，下段逐漸加寬到95 m，開挖深度3.5 m。挖槽縱坡采用變坡。新挖左槽的目的是:將銅鼓灘上下深槽平順連接，從而徹底避開流態紊亂、彎曲狹窄的舊航槽-右槽，根本解決該灘流態壞，航道彎曲的問題。挖槽寬度下寬上窄，縱坡采用變坡是為了使下口水流分散，防止下口流速過大，船舶不能直航上灘［8］。②江中拋筑1道順壩和3道齒丁壩，同時在右槽建1道潛壩［9］。目的是調整兩汊分流比，增大左槽枯水期流量，以穩定新開的左槽。

圖3 銅鼓灘整治方案Fig.3 Improvement plan for Tonggutan

銅鼓灘是長江干流重慶以上的三大名灘之一，也是長江重慶以上航道整治投資力度最大的灘險。左槽疏浚于2009年2月底交工驗收，江中順壩、齒丁壩以及右槽潛壩和護底工作在2009年5月中旬全部完工。到目前，該灘的治理效果也是很好的。具體表現在:①新航槽穩定性好。銅鼓灘左槽的挖槽范圍大，長度達到1 100余m，像這種大面積新開航道，航槽能否不回淤是很重要的問題。目前左槽航道尺度穩定，達到設計尺度要求，沒有回淤，穩定性好。②航行條件較好。銅鼓灘上段水深時有不足，為防止左槽上口回淤，所以在江中拋筑整治建筑物調整分流，沖刷灘段上口。銅鼓灘下口流速大，如果上口入槽流量過大，會引起下口流速進一步增加，致使該位置船舶直航上灘困難。為此，設計時特將挖槽下口逐漸放寬，以減緩下段水流的流速。目前看，左槽水流平順，船舶上下通行都很方便，沒有出現左槽下口流速過大，船舶難以上行的情況。

總的來看，銅鼓灘航道左槽開通后，該灘上下游深槽平順連接，航道順直，水流平穩，流速流態比降較好。該灘“上段淺、中段彎、下段險”的問題都得到好的解決，船舶上下通行都很方便。銅鼓灘新開航槽，輔以整治建筑物維持新槽穩定的治理方案獲得成功。

5 結論

根據山區河流彎曲分汊淺灘的水流特性、卵石運動規律、礙航特性，結合到典型灘險——銅鼓灘的治理經驗，歸納彎曲分汊淺灘的治理要點:

1)川江敘渝段彎曲放寬、枯水分汊典型卵石淺險灘——銅鼓灘的河床演變、整治方案研究和效果分析表明:受河勢的限制，彎曲汊道的航道曲率半徑較小，流態壞，航道條件通過整治可有所好轉，但難顯著提高，加上彎曲汊道疏浚后，該區域的穩定性差。磧槽枯水期航道尺度不滿足要求，但較為順直，并與上下游深槽平順連接，河床質粒徑較粗，年內基無沖淤變化。在彎曲汊道難以從根本上解決礙航問題的情況下，可考慮航運發展需求，在充分論證的前題下，開辟江中磧槽，形成平順連接上下游深槽的新航道。

2)根據彎曲分汊河段水流運動特性和泥沙運動規律，新開磧槽宜采取基建性航槽疏浚與筑壩相結合的枯水整治方法。挖槽斷面的寬深比B/H=18～22時推移質輸移強度大，所以新開航槽采取窄深型較好［10］。在疏浚的同時，可在江中和彎曲汊道內修建整治建筑物以增加直槽的分流量，從而增加直槽的輸沙能力;可在磧槽內筑壩束水攻沙以維護挖槽穩定。

［1］長江航道局.川江航道整治［M］.北京:人民交通出版社，1997.

［2］長江重慶航運工程勘察設計院.長江干線宜賓合江門至瀘州納溪航道建設二期工程可行性研究報告［R］.重慶:長江重慶航運工程勘察設計院，2006.

［3］重慶交通大學.長江上游銅鼓灘航道整治數值模型研究報告［R］.重慶:重慶交通大學，2005.

［4］重慶西南水運工程科學研究所.長江干線敘瀘段銅鼓灘航道整治定床模型試驗研究報告［R］.重慶:重慶交通大學，2006.

［5］重慶西南水運工程科學研究所.長江干線敘瀘段銅鼓灘航道整治動床模型試驗研究報告［R］.重慶:重慶交通大學，2006.

［6］重慶交通大學.長江敘渝段典型卵石淺險灘的整治技術研究報告［R］.重慶:重慶交通大學，2007.

［7］楊祥飛.長江上游銅鼓灘治理措施研究［J］.重慶交通大學學報:自然科學版，2010，29(1):133-136.

YANG Xiang-fei.Regulation measures of Tonggu Beach at Upstream of Yangtze River［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science，2010，29(1):133-136.

［8］JTJ 312—2003航道整治工程技術規范［S］.北京:人民交通出版社，2003.

［9］長江重慶航運工程勘察設計院.長江干線宜賓合江門至瀘州納溪航道建設二期工程初步設計［R］.重慶:長江重慶航運工程勘察設計院，2007.

［10］楊祥飛，張俊，周林.長江上游汛期疏浚設計方法［J］.重慶交通大學學報:自然科學版，2010，29(3):454-457.

YANG Xiang-fei，ZHANG Jun，ZHOU Lin.Design method of dredgeing up the upper changjiang river at flood season［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science，2010，29(3):454-457.

On Regulation Technology of Bend Branching Shoal in Mountain River

LIU Wang-xi1，TAN Kun1，YANG Xiang-fei2，YANG Wei1，ZHANG Jun-feng1
(1.Changjiang River Waterway Bureau，Wuhan 430010，Hubei，China;
2.Survey＆ Design Institute of Yangtze River Harbor＆ Waterway Engineering，Chongqing 401147，China)

The mechanism of forming the gravel shoals on bending braided montain river is complex.Lack of cognition for characteristics of complex rapids and scree running law would exert influence on improvement result.Based on the understanding of Chuanjiang Tonggutan situation，it made a research the governing ways of flow running law，scree moving law，shoal blocking characteristic and regulation technology was carried out.Governing ways of shallow curved branching points were summarized，which provided some reference for improving the situation of bending braided gravel shoals.

waterway regulation;The Yangtze River;bending braided shoals

U617

A

1674-0696(2011)03-0448-04

2011-03-08;

2011-03-17

劉旺喜(1964-)，男，湖北武漢人，高級工程師，主要從事航道整治技術研究、航道建設管理方面的工作。E-mail:4951190@qq.com。