長直窄深型急灘治理方法研究

趙鵬飛，王 瑋（.重慶交通大學，重慶400074；.軍事交通學院，天津3006）

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長直窄深型急灘治理方法研究

趙鵬飛1，王 瑋2
（1.重慶交通大學，重慶400074；2.軍事交通學院，天津300161）

長江干線兩壩間河段是典型的長直窄深急灘。對于此類特殊的急流灘，傳統的治理方法效果不佳。本文根據水深淺流速小的水力特性以喜灘為例提出了一種創新性的治理方法—潛順壩法，應用平面二維水流數學模型，采用實測資料，分析方案治理效果，可以大幅改善喜灘段的上灘水流條件，具有較好的治理效果，為長直窄深型急灘的治理提供了一個新的思路。

長直窄深急灘；數學模型；治理方法；潛順壩

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.01.029

1 前言

通航河流三大類礙航灘險（淺灘、急灘、險灘）之一的急灘，在山區河流普遍存在。長直窄深型急流灘，是指灘段不僅長、直、窄、深，且兩岸陡峭，具有水位變幅小、泄水面積增率與流量增率極不適應、流速急且橫向分布均勻等特點，常出現在庫區。與一般的卡口型、橫埂型、峽谷型等洪水急灘大為不同，上述急流灘采用常規的急灘整治方法已無法達到整治效果、實現整治目的，因此需研究新的整治方法。

喜灘位于宜昌上游27.8～28.8km（圖1），為典型的長直窄深型急灘。受三峽工程蓄水和葛洲壩反調節的影響，其水流湍急，流態紊亂，泡漩、回流等現象隨處可見。在流量40000m3/s時，灘上最大流速接近5 m/s，超過萬噸級船隊自航過灘能力，隨著流量的增大，灘情更加惡劣。本研究針對喜灘應用平面二維水流數值模擬的方法，通過對喜灘的灘性與礙航因素的分析，尋求長直窄深型急流灘的整治思路。

圖1 灘段位置圖

2 喜灘急流灘的特點

2.1 喜灘的礙航特點

根據水流條件分析（代表船型為：3000t單船），腳踏步～喜灘段航線在Q＞40000m3/s時出現急流礙航。在嚴須沱～喜灘段，Q＞35000m3/s時出現不良流態礙航。

2.2 喜灘成因分析

喜灘是典型的長直窄深型急灘，其主要成因如下。

（1）河道狹窄。

圖2可清楚看出，喜灘段河道狹窄，過水面積小，其中河段最窄處，流量從25000m3/s到55000m3/s，增率為120%，而過水面積僅從11380m2增加到12406m2，增率僅9%，二者極不適應，差值超過了13倍。因此形成了隨著流量的增大，水流流速也大幅度增加的變化規律。加之斷面形態復雜，表面流量占的比重較正常形態斷面要大，因此形成急流灘段。

圖2 斷面過水面積沿程變化圖

（2）河道平面沿程收縮，然后又逐漸擴散。

平面上，嚴須沱往下逐漸收縮，至喜灘后又逐漸擴散，這是形成局部陡比降的主要原因。從圖3的河面寬度沿程變化可見，Q=32500m3/s時嚴須沱至喜灘縮窄率約34%，然后又擴散到白馬沱下口的420m左右，其中擴散率稍大。由此在喜灘上游形成局部陡比降。

圖3 河面寬度沿程變化圖

（3）岸邊形態的突變及深泓突降。

喜灘段左岸腳踏步有一挑嘴，形成明顯挑流，將主流挑向右岸，在下游岸邊形成回流帶，束窄了有效過水斷面面積，形成卡口。上游嚴須沱處，岸線外凸，形成挑流，岸邊形成回流區且出現泡漩，斜流作用明顯。岸邊形態的突變及深泓突降30m使得水流連續性差，加之河床凸凹不平，突下突上，因此形成回流、泡漩等流態。

2.3 綜合上灘指標

將上灘指標的流速V、比降J通過數值分析的方法合并為一個綜合指標E，這樣更方便判別船舶上灘能力，通過計算求得代表船舶自航上灘的指標見表1。

表1 代表船型上灘指標

3 平面二維水流數學模型及其驗證概況

（1）水流連續方程

（2）x方向動量方程

（3）y方向動量方程

建立的數學模型，上起梳子溪，下至雞公灘，模擬范圍全長8.4km，計算河段共19601個單元，40158個節點。計算河段的網格間距為25m，對重點治理區域的網格如圖4，進行了加密處理，加密處網格間距為10m。

應用建立的二維水流數學模型，進行了數值模擬計算。結果表明，流速大小及分布與實測資料較為一致。對比數模計算的流場與實測的浮標跡線，數模計算結果與實測浮標跡線走向均達到了基本一致。二維水流數學模型的建立和數值計算方法合理，能正確模擬河道的水流，可進行下一步研究。

圖4 重點整治區域網格布置圖

4 傳統治理方法研究

一般的急灘整治的基本方法，包括擴大泄水斷面法和水工分流法等。對兩種傳統整治方法在喜灘的應用，從政治效果、工程投資、施工難度等方面進行了對比分析，從表2得知兩種方法都不具備可行性。

表2 傳統整治方法比較分析

5 潛順壩治理方法研究

5.1 治理思路

從水力學中的謝才公式表明水深越小流速越小，導出修筑水下平臺后深槽流速、平臺流速分別與修筑前流速的關系：

圖5 矩形斷面示意圖

5.2 治理方案Q與布置

方案前的綜合上灘指標分布圖6顯示，喜灘段礙航點最為集中分布于航道里程4.3～4.6km的流域內，因此方案Q布置的潛順壩上游端自航道里程4.9km處，下游至航道里程4.0km處，全長900m，迎水坡、背水坡及壩體左側坡度均為1∶0.5。在此基礎上對潛順壩的壩高進行調試，以期在某一合適的壩頂高程可解決大流量下喜灘的礙航情況。工況組合見表3，平面布置如圖7。

圖6 方案前各級流量綜合上灘指標

5.3 治理效果分析

當壩頂高程增加至56m即方案Q3時，從圖8可看出，喜灘段的綜合上灘指標在55000m3/s流量下已全部降至臨界指標3.14以下，流速全部小于3.5 m/s，大流量情況下喜灘的礙航特性得到治理。計算數據顯示喜灘下游綜合上灘指標較工程前有所增加，但最大值為3.32，僅超標0.18，因此方案Q3基本達到了對喜灘這一長直窄深急灘的治理目的，保證了大流量情況下的順利通航。

表3 喜灘潛順壩壩高調試試驗工況

圖7 潛順壩方案Q3平面布置圖

圖8 潛順壩方案Q3綜合上灘指標

5.4 潛順壩可行性分析

潛順壩主體的施工可采用拋石填筑，現拋石填方單位為50元/m3，得潛順壩拋石填方造價為1.11億元。C20混凝土單價為443元/m3，混凝土澆筑造價為0.57億元，考慮到深水下澆筑混凝土，按費用增加一倍考慮，為1.14億元。因此，要修筑方案Q3的潛順壩其拋石填方與邊坡混凝土加固共需2.25億元，與水工分流法相比，大大節省了投資。

潛順壩法并非適用于所有急灘的治理，通過對方案Q3的分析，潛順壩壩上水流特性對于壩高的變化十分敏感。對于洪枯水位變幅較大的急灘，洪水期水位較高潛順壩能較好的發揮治理效果，當枯水期時水位過低，潛順壩有可能導致通航水位不足。因此，潛順壩法適用于以急流礙航為主，洪枯水位變幅不大的庫區長直窄深型急灘。

6 結語

（1）兩壩間的通航能力已經成為了制約長江干線航運發展的瓶頸，也直接關系到萬噸級船隊通航保證率和三峽航運效益的發揮。其中喜灘為兩壩間船舶航行最為困難的航段之一，是典型的長直窄深型急灘。

（2）建立了兩壩間喜灘段的二維水流數學模型，應用喜灘段的實測水文資料對建立的二維水流數學模型進行了細致認真的模型驗證，經反復計算率定出了能較好模擬該河段流場的糙率、網格密度等參數。

（3）研究表明，僅通過開挖來擴大泄水面積的方法對長直窄深型急灘的治理效果并不明顯，要達到治理目標極其困難。在喜灘上游進行分流的治理方式，經過經濟分析水工隧洞的洞徑和抽水泵站的裝機容量極大，工程造價太高，不具備實際工程中的可行性。

（4）根據謝才公式，提出了一種創新性的治理方法—潛順壩法，試驗表明，潛順壩法適用于治理喜灘這類河道狹窄、流速大、兩岸為基巖陡壁供選擇的開挖區域較小、傳統擴大泄水斷面治理效果不佳的長直窄深型急灘。

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1672-2469（2016）01-0089-04

2015-06-30

趙鵬飛（1993年—），男，碩士研究生在讀。