烏江獅子口灘群河段航道演變與整治

趙 健，劉兆存，張曉明，傅 華，趙世強

(重慶交通大學水利水運工程重點實驗室，重慶400016)

為實現重慶航運發展規劃，決定對烏江白馬—涪陵河段進行開發和整治。烏江河床狹窄，灘險密布，小半徑、大比降、高流速、惡劣流態是其航道的基本特點。白馬—涪陵河段既處于三峽水庫回水變動區，上游又緊鄰大型電航工程，使該河段不僅受到下游較大的水位變幅，同時上游受到電站日調節非恒定流的影響，對于此類河道特性，國內外研究較少［1－5］。筆者重點探討該河段獅子口灘險的演變與整治過程。從水沙運動、河段演變的角度闡述其礙航機理，總結山區河流在彎曲航道段復雜灘群礙航整治時應遵循的一般原則。

筆者在本文中，首先介紹整治河段的自然地理概況，然后應用已有的河流動力學理論分析河段的水沙運動特性，兼顧河段共性與個性的統一，為尋找針對性的整治方案提供基礎。在分析多組物理模型試驗結果的水沙運行特點后，將理論和工程實踐相結合，試圖歸納復雜灘群彎曲航道整治的共性。

1 河段的水沙特征

烏江是長江上游的重要支流，干流全長1 070 km，流域面積8.79萬km2。烏江流域為降水補給河流，洪水主要由暴雨形成，暴雨集中在5—10月，年最大洪峰流量出現在6—7月，尤以6月下旬發生的機會最多，洪水陡漲陡落。武隆水文站資料表明，烏江多年平均流量1 600 m3/s，汛期6—10月平均為2 390 m3/s，最大流量21 000 m3/s，最小流量218 m3/s。烏江洪、枯水位最大變幅約36 m，水位最大日漲幅8.10 m，最大時漲幅0.98 m。烏江輸沙量年內集中在5—10月，占全年輸沙量的90%以上，第1次大洪水的輸沙率可占年輸沙率的30%以上，沙量最大月份與水量最大月份均為6月份。6月份輸沙率占全年輸沙率的30%，輸沙率年際之間的變化較年徑流變化大。多年平均含沙量為0.633 kg/m3;多年平均輸沙率為1 120 kg/s。

白馬—涪陵段為烏江的下游河段，該河段內峽谷總長約30 km，占該河段總長的2/3。河道平均比降0.374‰，枯水期局部最大比降12‰，最大流速4.5 m/s，河面最窄處僅55 m，最寬處320 m，最小彎曲半徑90 m。峽谷上、下游河道寬淺，水流分散，平面形態寬窄相間，兩岸多有溪溝匯入，溪口泥沙淤積，擠占主河道，形成急流險灘，該河段內有大小灘險43處，平均1.05 km有一灘，礙航嚴重的灘險16處。研究河段位于涪陵境內烏江河口段，范圍上起大溪河口下游(距河口里程32 km)，下至網背沱(距河口里程22 km)，長約10 km。該河段平面呈90°的彎道，彎道頂點在冉家沱，彎道上下游則較順直。河段兩岸為平緩臺地，有巖層裸露，邊灘交錯，航道彎、窄、淺、險兼具，是白馬以下航道中灘險最復雜、礙航最嚴重、整治難度最大的灘段。該河段灘險主要有郭母子灘，緊鄰下段有古眼磧、橫梁子、瓦廠壩、冉家沱和獅子口(稱為獅子口灘群)6個灘組成。

2 河床演變、灘險成因及礙航特點

2.1 天然情形下的本段河床演變及彎道淺灘演變的一般特性

獅子口灘群位于涪陵白濤鎮，下距烏江河口25～27 km，自上而下由古眼磧、橫梁子、瓦廠壩、冉家沱和獅子口等5灘組成。灘段總長2 km。河段兩岸地勢平緩，為兩峽間開闊臺地。灘段枯水期平均縱坡 1.4‰，平均流速 2.8 m/s，最大局部比降3.96‰，最大流速 4.1 m/s，江面寬 80 ～330 m，河床為沙卵石覆蓋，沙卵石粒徑d50=60 mm。本灘為枯水彎、窄、急險灘，為烏江下游重點礙航險灘。本灘段右岸為原涪陵區白濤鎮所在地，三峽成庫后，已在左岸陳家嘴復建新鎮。816化肥廠化肥專用碼頭及大件碼頭位于獅子口灘下段右岸，下段凸岸為卵石灘，與冉家沱封彎順壩對峙，枯水期河寬僅80 m。正在修建的白濤公路大橋位于古眼磧附近。烏江主流通過白濤公路大橋后，自左向右岸過渡，主流沿右岸掃灣而下，進入816化肥碼頭江段。獅子口河段為單行控制河段。

灘險演變具體情形為:該灘1968年以前，除冉家沱、獅子口兩灘水急、困彎、航道彎曲(彎曲半徑150 m)和古眼磧灘水深不足(枯水水深僅0.8～1 m)外，其余江段航道條件尚好，能滿足船舶航行要求。自1968年起由于多種原因，河道逐漸變彎、窄、淺、水流急湍，航行條件惡化，據實測在前20年期間，本灘段航道發生了縱橫演變。橫向變形主要表現在邊灘的變化。右岸:1967年前，古眼磧至冉家沱沙卵石邊灘長1 470 m，平均寬120 m，靠岸邊的中洪水漏浩長800 m，平均寬40 m，枯季浩底干涸，1989年時該邊灘長650 m，平均寬90 m，灘頂高度下降約1 m左右，古眼磧至白濤溝口右岸邊灘大部消失，僅剩下零星心灘或暗磧。左岸:橫梁子沙卵石淤積并向江心展寬，航道更趨彎曲，獅子口下邊灘向河心推移40 m，河寬由130 m縮窄為90 m?？v向變形表現為航道變深、變彎、變窄。在航道整治時，厘清本河段河道演變的共性與個性是尋找其有效治理的前提。

航道整治需要深入了解阻力、河流水沙輸移規律及河床演變特性。由于獅子口灘群在平面上呈現近直角形的彎道，根據“大水趨中，小水坐彎”的河流特性，小水時易沖刷冉家沱右岸，而大水時沖刷部位向獅子口右岸轉移，淤積部位在河道左岸。水位超高造成的螺旋運動的水流容易把泥沙挾帶至更遠的地方，在河流縱向上分布范圍更廣?？菟畷r，環流的作用主要是塑造臨近斷面的河床形態，對于局部的沖淤的影響相對更大。從灘險演變反演水沙的相互關系以及水流的運動特性可知，由于水位超高等因素造成的環流對獅子口灘群河道演化的影響不能忽視。從河流動力學方面來看，彎道的形態不僅在豐枯水時對挾沙能力、流路變幅和環流強弱的影響程度不同，由于和流速聯系密切的糙率是流量和河道形態的函數，因而彎道河道的河床演變表現非均勻和非恒定的特性［6－7］。目前以物理模型試驗結果并結合理論的定性預測以此反推的水沙運行特性比較可靠。

當河床形態和水沙條件達到一種動態平衡時，淺灘及其他各種類型的泥沙淤積體演變規律從微觀層面上反映了河床形態與水流輸沙狀況之間的關系。國內外觀測表明，過去存在淺灘的河段，在相當長時期內淺灘很少自行消失。河段的河床形態影響淺灘的產生位置與消亡。淺灘演變的影響因素主要是來水來沙和邊界條件。獅子口灘群河床形態并不穩定，航道流態復雜，水流呈現螺旋形前進，來沙和河道邊界耦合后，泥沙輸移更趨復雜。彎道附近縱、橫向泥沙運動同時存在，加上窄、淺的河道灘險，使得水沙和河道條件不匹配，引起河床變形。航道整治的最終目的是使礙航部位的泥沙輸往不影響航運的部位(最好是輸往深?；虺练e在三角洲)。由于螺旋水流是漩渦運動造成的，而漩渦有很強的保持結構穩定的特性，這為人們抓住主要矛盾，創造條件以水輸沙提供了可能，這首先需要分析由于沖淤引起的淺灘形態變化的特性。相對于洪沖枯淤型淺灘，洪淤枯沖型淺灘只是近來才引起更大的重視。本灘以洪淤枯沖為主，但兩種特性兼具，主要與上游銀盤水庫調節和三峽運行方式以及來水條件有關。由于彎道發育并未停止，天然的邊灘束水呈現雜亂特性，整治時宜采用水工建筑物，借鑒深槽河段特性，消除灘脊位置帶來的不利影響。分析獅子口復雜灘群整治的影響因素時，筆者認為河道的水流動力軸線對整治有特別的意義，雖然不同時期的動力軸線位置不同，處于變化之中，采用水工建筑物使之接近于流線并使它們接近于互相平行，便于保持河床形態的穩定。

2.2 本河段灘險成因及山區彎曲航道礙航灘群整治的一般分析

本灘段灘險成因主要是4點:①獅子口灘群位于桐麻灣峽與小溪峽之間開闊河段，洪期江水攜帶泥沙出峽進入寬敞河段，流速變小，泥沙落淤沉積;②汛期長江高水位時，本灘受回水頂托影響，流速減緩;③獅子口彎曲河段右岸受掃灣水沖刷，彎曲段凸岸(左岸)邊灘向河心位移，形成彎、窄、淺灘;④人為因素。20世紀60年代后期，816廠建設期間，于右岸邊灘大量采掘沙卵石，挖至設計低水位以下0.2～0.5 m，大面積邊灘蕩然無存，造成水流散漫，水面降低，流速減緩，泥沙沉積，航槽水深不足，日趨窄、彎，這是本灘惡化的重要原因之一。當時由于航道維護資金缺乏，為維持通航，采取兩岸筑順壩束水攻沙、增加水深的權宜之計，雖然逐灘解決了水深不足的矛盾，但由于沙卵石逐灘下移和左岸原來的一些順壩布局不合理，過分束窄河床，并在左岸某些原順壩壩頭產生淤積，獅子口下邊灘擴大、增高，使獅子口航槽更趨彎窄，成為烏江下段嚴重礙航的灘段。厘清獅子口河段和天然山區河流灘險演變的關系，對尋找消除獅子口河段礙航措施有重要意義。

山區河流常因地質、地貌原因出現許多險灘，或因航道尺度不足表現為淺灘礙航，或因水流湍急表現為急灘礙航，或因流態惡劣而表現為險灘礙航等。其中，泡漩水的產生與水流的動力因素有關，水深是必要條件，地形是基本條件。掃灣水主要與河道彎曲半徑有關?；核漠a生和河道底邊界關系密切。河灣淺灘的水流特征是形成螺旋狀向前推進的環流;在環流作用下彎道容易發生橫向變形。本灘段雖無明顯的泡漩水等流態態性，但復雜的地形是產生各種礙航水流的內因。對比國內以往山區河流，特別是川江航道整治的經驗教訓，發現本河段惡劣流態的產生和泡漩水與滑梁水的產生在機制和原理上沒有區別，整治措施應從改善流態入手，利用水流結構加強輸沙效果的同時，防止惡劣流態的出現，配合邊界條件的作用，維持盡可能長時段的航槽穩定。

在通常的情況下，彎道凹岸是一系列的弧線組成，當這些弧線是流線的時候，水流會貼著凹岸流動，由于汛、枯期流量和含沙量的不同，水流會以螺旋流前進。由于水流有洪水取直的特性，因此，洪枯水時的中泓線并不重合，加上枯水有坐彎變橫的趨勢，會出現主流偏離深槽的狀況，導致泥沙在槽內落淤。對山區河流，由于河道的抗沖性，當河彎發展受到限制，雖然不會發生“一彎變，彎彎變”的現象特征，但會引起含沙量以及水流旋渦在橫斷面的變化，實質是能量調整的一種方式。加上不同的來水來沙條件，發生沖淤現象。河道的平面形態與來水來沙條件和地質條件相適應，形成穩定的河型，能夠滿足航行方面的要求，主流線彎曲段往往是深槽所在位置。借鑒山區河流的整治經驗，本灘段采用丁壩和疏浚等相結合的工程手段改變流場結構，效果等同于斷面的開挖和回填。合理設計整治水工建筑物的布置，有利于加強形成的螺旋水流和維持局部的漩渦結果，提高整治效果的穩定時效，是本灘段有復雜邊界和彎、淺、窄灘險整治的可行性方法。

2.3 三峽和銀盤溪水庫運行后對本河段灘勢和礙航的影響分析

三峽工程的興建將改變該河段在天然情況下的水沙條件，當三峽水庫按175－145－155 m運行時，烏江回水里程分別為80 km，22 km和46 km，此時烏江河口至網背沱22 km河段為水庫常年回水區，網背沱至中咀64 km河段為回水變動區，中咀以上為天然河道。三峽水庫運行后，整治工程河段位于烏江回水變動區的下段，枯、中水期河道水位大幅度提高，流速迅速減小，對船舶航行條件有較大改善。在汛期該河段泥沙將淤落，由于汛末蓄水，走沙期縮短，淤積的泥沙不能完全被水流帶走，河道將呈現累積性泥沙淤積，直到泥沙淤積平衡。根據變動回水區河道的淤積特點，泥沙淤灘落槽，河床將普遍抬高。根據已有研究成果知，三峽成庫正常運行30年后，工程河段上游江段江心洲普遍淤高2～3 m，洲尾將向下游延伸，郭母子灘左汊逐漸淤塞，河道右汊深槽部位淤積較少。

銀盤溪水庫運行后，河段泥沙沖淤受上游徑流與水庫運行的雙重影響，泥沙沖淤變化極為復雜。已有的經驗表明，泥沙輸移在橫向分布上，總的情況是邊灘淤得多、主槽淤得少，但在發生倒槽時原主槽將發生嚴重淤積?？v向上淤沙粒徑的分布是上游粗、下游細，細顆粒主要淤在高灘上。水位變幅越大，沖刷量越大;變幅時間越長，沖刷量越大。航道整治以增強航道中低水位時的水流輸沙能力為原則，延長束水攻沙的時間。

三峽和銀盤溪水庫的影響，使得本灘段的河道演變具有明顯的非恒定、非均勻流的性質，泥沙輸移相對于水流變化有滯后性。由于問題的復雜性，目前沒有理論解，需要靠實驗最終確定具體影響程度。

3 物理模型設計

3.1 物理模型設計思路與整治原則

由于研究河段具有天然河道和水庫的雙重特性，但庫區水流特性歷時較長，僅汛期河道基本為天然狀態。根據河道目前現狀，需要結合郭母子灘整治情況對下游獅子口灘群水沙運動、通航條件的影響，把郭母子、獅子口灘群的整治綜合在一起考慮，并注意彎道水流的特性，進行獅子口灘群不同整治方案間的試驗比較，優化整治措施。從航道整治角度分析彎道礙航灘群的演變規律，歸納山區河流此類灘群整治的特點。在平衡多方面的矛盾現實前提下，針對整治河段的灘險特性，整治原則如下:

1)因勢利導，充分利用河道有利條件，綜合考慮河勢、河床特征及水沙運動規律，確定投資省、效果好的航道整治方案;

2)筑壩和炸礁相結合，合理布置疏浚挖槽和整治建筑物，充分發揮整治建筑物在三峽水庫蓄水前和消落期束水導流和攻沙的作用;

3)綜合考慮整治工程對上下游河段的影響，避免灘險整治后，其上、下游河段又出現新的礙航灘險。

因此，模型試驗的目標主要是:

1)研究白濤河段獅子口等灘群整治前的成灘原因，根據初步整治方案進行全面試驗并作出評價;

2)在全面分析初步方案優缺點的基礎上，結合灘險特性及設計要求，擬定若干修改方案進行試驗，優選出最佳整治方案;

3)在定床模型試驗的基礎上，進行推移質泥沙輸移試驗，進一步研究整治方案的可行性，然后提出優化方案。

3.2 整治研究試驗方案

根據研究河段的河床特點、灘險情況、整治要求及整治河段特性等條件，模型采用正態水流定床模型和推移質定床輸沙相結合的方式，結合模型沙選配、場地、供水條件，采用λL=λH=100的正態模型。模型各項比尺為10;λt==10;λn==2.15;λQ==100 000，根據實測資料計算，模型滿足紊流和阻力平方區條件和張力限制等規范要求的條件。制模完成后，對模型幾何相似、水面線和斷面流速分布進行了驗證，結果滿足相關規范的相應要求。在完成模型水流條件相似驗證和天然狀態下各級流量水力要素試驗觀測后，即進行航道整治方案試驗。由于本河段缺乏沖淤地形驗證資料，無法進行嚴格的定量的泥沙試驗，為定性觀察試驗河段整治后推移質泥沙運動狀況和對航道的影響分析提供參考，在模型推薦整治方案的布置上進行了推移質定床輸移試驗。經過5組實驗方案比較后發現，最終推薦方案實施后，具體布置見圖1。郭母子灘右汊進口斜流強度減弱，航槽流速分布均勻;獅子口灘群水流歸槽，航槽內流速增加，有利于保持航槽穩定;整個灘段比降減小，通航條件有明顯改善。達到預定整治目標，滿足通航要求。

圖1 烏江郭母子—獅子口灘最終整治方案示意Fig.1 Accepted regulating scheme of Guomuzi－Shizikou Beachs，Wujiang River

3.3 實驗結果及分析

最終推薦方案實施后，瓦廠壩—冉家沱一帶彎道水流特征明顯，由于彎道環流的作用，推移質泥沙在瓦廠壩尾斷面明顯偏離主航道，大量推移質泥沙向冉家沱左岸邊灘運動。而冉家沱—獅子口一帶新開航槽除槽左側有少量泥沙落淤外，未見成片淤積泥沙。郭母子—獅子口灘群彎、淺、急、險兼具，本次整治在考慮上下游水庫影響的條件下，將目前Ⅴ級航道等級提高至Ⅲ級，充分利用已有建筑物來布置航槽疏浚軸線和丁壩、順壩等整治建筑物。推移質定床輸移試驗表明，工程后航槽能夠維持穩定。根據該河段航道演變歷史和灘險成因過程，試驗表明，主航槽在未來相當長時段內能夠維持整治目標的要求。

分析實驗結果［8］可知:①獅子口灘航道整治模型經過幾何相似性驗證、水面線驗證及流速分布驗證，模型設計合理;②灘群的整治采用疏浚與筑壩相結合的治理方法是合理的。本次整治充分利用已有建筑物來布置航槽疏浚軸線和丁壩、順壩等整治建筑物。推移質定床輸移試驗表明，除郭母子航道左側灘唇開挖部分有少量泥沙落淤外，大部分泥沙都輸移至下游，航槽內未見成片泥沙淤積，工程后航槽能夠維持穩定。采用整治方案工程實施后，能夠達到預定的要求;③根據我們分析的山區河流航道，尤其是彎道水流整治的一般原理，對于該河段的整治措施是適宜的，達到了預期效果。

3.4 實驗結果的討論

山區河流的整治，要針對不同河道具體分析，但實踐表明，同一條河流，處于相同的外界影響條件下，在自身條件，如河床組成等，相似的情形下，河道演化形態也表現出統計意義上的自相似性。Chang［9］認為河流的動力平衡必須滿足如下的3個條件:

1)輸沙率沿程相等。

2)在滿足約束的條件下單位河長內的水流功率最小。由于Q是已知，所以最小的γQJ意味著最小的河道比降J。

3)在滿足約束的條件下水流功率損失或能耗沿程均勻分布。在滿足給定的約束條件下，流量沿程不變的某一河段將按最小水流功率損失的方向調整其水力幾何形態，以便達到平衡狀態。

Yang［10］從能量觀點提出的適用于礫石的無量綱單位水流功率的輸沙公式為:

式中:Sg為沙的重量濃度;ω為泥沙的沉速;d為泥沙的粒徑;u*為摩阻流速;v為斷面平均流速;J為坡降;υ為運動黏性系數。

平均流速的泥沙起動準則是:

由此可見，泥沙起動與平均流速，切應力和水流功率密切相關，根據水力學理論可以知道，他們和阻力系數密切相關。根據Yang最新的研究結果表明，泥沙輸移和平均流速以及流量的關系并不密切，和切應力以及水面比降的關系一般，而和水流功率關系密切，其中和單位水流功率關系最為密切。結合本實驗結果，發現泥沙運動在水流現象上和渦運動關系密切。

在河流包括山區河流整治中常用的丁壩，對它的作用已經有較詳細的研究，有專著出版并對它的作用有了進一步的了解。一般而言，壩頭的沖刷造成下面河道地形的改變，反過來會影響水流的結構;另一方面，天然河道一般是彎曲型的，丁壩水流會和河道邊界耦合，并和其他整治建筑物作用，形成復雜的流場，泥沙的輸移往往有非恒定、非均勻的特性。在本實驗中，設計具體丁壩時，還注意到了丁壩頭附近水流的非恒定特性，從實驗過程可知，丁壩作用和地形的開挖與填充的作用類似，都是改變邊界對水流的影響。

理論和工程實踐均表明，橫向環流的流速雖然不是很大，但它引起的能量損失，不少時候和流向因為水流和泥沙的相互作用而造成的能量損失系一個數量級。在山區河流中，在滿足給定的約束條件下，流量沿程不變的某一河段將按最小水流功率損失的方向調整其水力幾何形態，以便達到平衡狀態。

本灘段的礙航從能量觀點來看，是河流水頭在空間上分配形式和人們預期的不一致;從流場觀點來看，是流速場的分布情形和優良航道要求的形式之間有偏離;從阻力觀點來看，是消耗于挾帶泥沙的比例和消耗于邊界的比例與優良航道要求的不一致。由水流能量的級串過程可以知道，總的能量是由重力勢能轉化而來的，除了一部分由于黏性作用而轉化為熱能最終耗散掉外，其余部分只是在總量不變的前提下分配過程的不同。航道整治的過程是對河道施加影響使得水流向人們預定的目標轉化，而預定的目標是根據已有的航道整治知識人為確定的。無論是國內廣泛使用的基于優良航道或是基于動力平衡河流建立的整治目標，事實上河流有其自身的演化規律，這種規律通過隨機性和確定性耦合的形式表現出來。基于水流功率的輸沙公式(1)表明，在滿足通航要求的前提下，河道可以發生淤積。泥沙淤積僅僅是水流能量在時空分配上帶來的一種結果，對于洪沖枯淤型或洪淤枯沖型淺灘，淺灘的存亡是水流流場結構，亦即能量分配形式發生變化時的一個指標，類似流場能量的儲存器和轉換器。從這個意義上而言，淺灘的存在可以認為是與任何航道相伴的一部分。由于漩渦是河流流場的基本結構，泥沙輸移和邊界沖淤都是通過渦完成的，航道整治工程與非工程措施的目的，是創造出滿足整治目標的渦結構并使其保持穩定的過程。另外，本灘段的水流僅僅在某一適當的時段可以用均勻流的結果經過修正近似代替，這要靠實驗來確定結果的合理性，這是在模型設計中需要特別注意的。

4 結論

從水沙運動與河道演變的關系研究烏江獅子口灘群彎曲航道演變與礙航機理，首先針對要整治河道的具體特點和整治目標，綜合采用工程和非工程的措施，在滿足給定的約束條件下，改變水流能量在時空上的分配，使得流量沿程不變的河段按最小水流功率損失的方向調整其水力幾何形態，以便達到平衡狀態，最終使得以水沖沙的目的滿足預定的設計目標，并能夠維持相對長久的時間。經過多次物理模型試驗，最終推薦的整治方案，能夠滿足預定的整治要求，理論上合理，工程效果較好，實際上可行，達到了預定的整治效果。

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