東江(河源至石龍段)航道整治研究技術難點分析

李 艷，劉亞輝，周 勤，張緒進

(重慶西南水運工程科學研究所，重慶 400016 )

東江是珠江水系三大河流之一，發源于江西省尋鄔縣椏髻缽，上游稱尋鄔水，南流入廣東境內，至龍川合河壩定南水匯入后，稱東江。干流自源地至東江口全長562 km，流域面積35 340 km2，占珠江流域面積的5.96%。東江干流自發源地由東北向西南流經廣東省龍川、河源、紫金、博羅、惠陽等縣(市)，至東莞市石龍鎮分南(東莞水道)、北(東江北干流)兩支注入獅子洋。石龍以上至發源地長520 km，主要支流自上而下有貝嶺水、浰江、新豐江、秋香江、公莊水、西枝江、石馬河等。石龍以下稱東江三角洲，屬珠江三角洲的一部分。

東江是廣東省中東部水運通道之一，為滿足腹地經濟對水運發展的需要，充分發揮東江航道的潛能，廣東省航道局已組織完成了東江河源至石龍航道擴能升級工程預可行性研究工作。目前在預可行性研究的基礎上，廣東航道局正組織有關單位開展該工程的可行性研究工作。東江河源至石龍航道擴能升級工程起點為河源市獨石大橋，途經惠州市，終點為東莞市石龍鐵路橋，總長約223 km，自上而下已建有木京、風光、瀝口和劍潭4座樞紐(圖1)。東江航道擴能升級工程擬開展上述223 km河道的航道整治，并配合木京、風光、瀝口和劍潭四座樞紐新建1 000 t級二線船閘，將東江河源至石龍段航道等級提高至Ⅲ級，其設計航道尺度為2.5 m×60 m×330 m，航道通航保證率95%[1-3]。

按照目前已建梯級情況，東江(河源至石龍段)可分為木京庫區、木京樞紐至風光樞紐、風光樞紐至瀝口樞紐、瀝口樞紐至劍潭樞紐、劍潭樞紐至石龍大橋共5個河段。該航道的主要特點是受梯級建設影響大，要求的航道等級提升幅度大，部分航段將由Ⅵ級直接提高至Ⅲ級，需要疏浚開挖的航段長、工程量大，這就決定了東江河源至石龍航道擴能升級工程難度較大，特別是在劍潭樞紐庫尾(橫瀝)以上至瀝口樞紐段(長約50 km)現仍為天然的未渠化河道，按照Ⅲ級航道2.5 m航深整治要求，需要開挖的淺段長、工程量大，航道穩定難度大。因此，從現狀航道條件綜合分析， 東江(河源至石龍段)航道提級整治仍存在較大的技術難度，本文就其中可能存在的研究難點作初步分析。

圖1 工程所在地理位置

1 研究河段概況

目前，東江(河源至石龍段)航道現狀是：河源獨石大橋至河源東江大橋為VI級航道，設計航道尺度為0.8 m×20 m×120 m，可通航100 t級船舶；河源東江大橋至惠州市惠州大橋為V級航道，設計航道尺度為1.5 m×40 m×260 m，可通航300 t級船舶；惠州市惠州大橋至東莞石龍鐵路橋為IV級航道，可通航500 t級船舶，設計航道尺度為2.0 m×50 m×330 m。研究河段自上而下已建有木京、風光、瀝口和劍潭4座樞紐，其中，風光樞紐雖已建成，但未按設計水位運行，庫尾至木京壩址仍有長約8 km的河段處于變動回水區，部分航段與擬升級的Ⅲ級航道要求仍有差距；瀝口水電站在2008年施工后，因工程一直處于未完工狀態，阻斷了河源—惠州段航道，若瀝口電站按設計正常運行，則其庫尾至風光樞紐壩下水位基本銜接，但風光樞紐壩下航段不能滿足Ⅲ級航道尺度要求；瀝口與劍潭樞紐之間規劃的下磯角樞紐尚未實施，劍潭庫尾橫瀝以上—瀝口長約50余公里的河段仍處于自然狀態，按照Ⅲ級航道標準尺度要求，除少數挖沙河段外，該航段水深嚴重不足，涉及灘險數量多、分布密集、持續距離長，河段淺灘總計長達近40 km。此外，多年來東江人為采砂活動頻繁，采砂河段多、采砂量大、范圍長，引起河床沖淤和河段水文變化大，河床顯著下切，沿程水位逐年顯著降低。

在本世紀初，為實現東江河源至惠州、惠州至河口段航道提檔升級，曾對該段航道開展過研究和整治工作。目前，在東江上已建的大多數整治建筑物等均是該時期所修建。東江河段航道目前存在的主要問題是：在樞紐下游近壩區及庫尾回水變動區河段，由于壩下清水沖刷、庫尾回水變動區河床沖淤變化和頻繁的采砂活動，河床演變較為劇烈。特別是在橫瀝至瀝口段還存在較長的天然河段，水深淺，灘險流速較大，通航條件差，航道等級較低。

2 研究技術難點分析

2.1 長河段各特征水位的確定

航道整治的前提是根據整治標準分析確定設計流量和整治流量及對應的水位，其中設計水位、整治水位及其他特征水位的確定是研究河段航道整治的前提，是進行航道整治規劃、工程設計及施工的基本依據[4]。

以設計水位為例，確定整治河段沿程設計水位的通常做法是建立水流數學模型，入口采用設計流量作為上游控制邊界，出口采用給定的水位自下而上進行推求。東江(河源至石龍段)研究河段總長達223 km，受樞紐分割的影響，數學模型建模時也應分段進行。此外，東江沿線經過的城鎮較多，邊界條件大多變化較大，且該河段曾歷經整治，沿河兩岸已建數百座丁壩，歷史整治建筑物對工程河段影響也較大，一定程度上增加了數學模型建模的難度。因此，為了確保計算的準確性，使計算成果能較好地反映工程河段實際情況，一方面需要廣泛收集工程上游河段河源站、整治河段嶺下水文站及下游博羅站的水文泥沙、研究河段內木京、風光、瀝口和劍潭等四座已建樞紐的建設與調度、研究河段前期航道整治等基礎資料，使得建模前的準備工作大大增加；另一方面建模時需根據河勢特點，考慮典型灘段、彎道段、卡口控制河段、各特征建筑物尤其是研究河段歷史上修建的大量整治建筑物等對計算成果的影響。受木京、風光、瀝口、劍潭等樞紐分割的影響，數學模型需分成5段進行建模。同時還需考慮較大支溝入匯的影響，使數學模型能較好的反映整個河道的實際特點，這些都增加了模型建立的復雜性。

由于航道整治設計、相應的物理模型試驗、水資源論證、防洪評價等專題均需相關特征水位資料方能開展，因此能否正確確定長河段特征水位成為東江(河源至石龍段)航道整治研究的技術難題之一。

2.2 灘險特性及成因分析

灘險特性及成因分析是制定航道整治措施的基礎，需要掌握研究河段各灘險的特性和成因，以便制定整治原則、整治措施和整治方案。按照Ⅲ級航道設計尺度要求，對照2016年及2017年最新地形測圖，東江(河源至石龍段)航段灘險共有17個(表1)。總的來看，研究河段灘險以礙航淺灘為主，主要礙航情況為水淺、航深不足。

從東江歷史演變情況來看，大體上河型河勢總體保持穩定狀態，但近年來受樞紐建設、城市發展、整治建筑物以及河道采砂的影響[5]，研究河段已經發生較大的演變，原來的河型河勢演變規律與現今的演變特點已有一定的變化，各灘險特性和成因較歷史的研究成果已有較大的變化。由于本次東江整治河段河床演變影響因素較多，增加了各灘段灘險特性及成因分析的難度與復雜性。受樞紐建設的影響，研究河段灘險一部分位于樞紐壩下近壩河段(下一級樞紐庫尾河段)，這類河段受樞紐運行影響較大：如木京壩下、風光庫尾的木京、東源和黃沙等3處淺灘，總長8.5 km；風光壩下、瀝口庫尾的黃牛淺灘，總長3.5 km；一部分灘險位于橫瀝至瀝口天然河道，如猛虎跳墻、觀音閣、嵐派、橫嶺、蘆洲、秀嶺、沙梨園、鵝塘洲、瘦狗龍、嶺下、鐵冶派、墨園等12處淺灘，總長度約39 km(圖2)。設計流量238 m3/s(綜合歷時保證率95%流量)下，航槽內水深多在1.0～1.5 m，局部最小水深僅0.5 m，其中急彎段(沙梨園淺段)還存在掃灣斜流的問題。研究河段航深明顯減小，淺灘上、下相連，形成長達40余公里的特長淺區。同時，研究河段為主要采砂河段，蘆洲上游的檳榔潭河段、瘦狗龍下游的新榮村、墨園石仔山以下至橫瀝河段均為大規模采砂區，河床失沙嚴重，河段其它局部也有采砂活動。據現場調查及收集近15年河床地形資料分析，受過量采砂影響，被采河段河床整體大幅下切，普遍下切深度達6～9m；一些非采砂河段因采砂引起的水位降低、流速增大，也呈現出普遍的沖刷、下切態勢，近15年來河床普遍降低了2～3 m左右。工程河段采砂對河床演變的影響較大。另外，研究河段本世紀初曾進行過航道整治，沿河兩岸修建了大量的丁壩，起到了“固灘束水”的作用，大部分航段航槽趨于基本穩定。但受無序且過量的采砂活動的影響，河道平衡被打破，航道穩定亦受到嚴重影響。

因此，分析研究整治河段多因素影響下的河床演變規律，正確找出其中的灘險特性變化及成因演變規律，需在廣泛收集相關基礎資料的基礎上，結合各階段原型觀測資料，并借鑒類似江河已有的研究成果，為制定整治原則、措施及整治方案打下可靠基礎，也是本項目的研究重點及技術難點。

2.3 整治原則的確定

研究河段總長達223 km，灘險眾多、灘性各異，而有針對性的提出不同區段、不同類別及各具體灘險的整治原則，是制定整治方案的關鍵所在。

按照分類，東江(河源至石龍段)整治河段可分為兩類，一類是樞紐壩下減水河段或水庫回水變動區段的整治，另一類是橫瀝至瀝口天然長河段的整治。根據以往類似工程經驗，整治措施宜根據淺灘、急灘、險灘的不同礙航性質而分別制定，如巖石河床整治以炸礁為主，沙卵石河床以疏浚為主、輔以筑壩相結合[6-9]。東江大多屬于砂質河床，顆粒級配分析成果為中值粒徑在0.5～3.55 mm之間。受人類活動影響，特別是大量無序采砂對河道生態環境的破壞，研究河段水位大幅下降(據嶺下站水文資料，枯季水位降落可達2 m以上)，水深明顯減小(最小水深僅0.5 m)，原有分散的淺灘已上下連接成一片，航道條件嚴重惡化，必須采取基建性疏浚才能挖出符合設計要求的Ⅲ級航道。由于研究河段現狀情況是淺灘連片、水深淺且淺區長，距設計要求的航道尺度相差甚大，欲達到Ⅲ級航道2.5 m設計水深的建設目標，需進行特長淺灘整治。

圖2 橫瀝至瀝口段天然河段淺灘分布

除遵循一般沙質淺灘整治研究方法外，對現有河勢的控制、整治后穩定航槽的維持(如與采砂的相互影響關系)等都是特長淺灘整治面臨的難點與關鍵問題，不僅僅是簡單的疏浚就能解決的。

河勢穩定是航槽穩定的基礎，研究河段為平原性河流，沙質河床，沖淤變化較明顯。經過社會各方的多年治理，沿河兩岸堤防已較完善，河道節點受到保護，該河段河勢總體基本穩定，在此基礎上還需加強對薄弱環節的保護。此外，受多種因素的影響，特長淺區疏浚航槽的沖淤變化相對復雜，整治難度大，可借鑒的經驗不多。同時研究航段曾歷經整治，基本形成了較合理的中枯水航槽走向，如何系統地與既有整治建筑物相配合，共同達到調節水流、束水攻沙、維持航槽穩定的目的，這都成為本次東江(河源至石龍段)特長淺灘整治原則提出的制約性問題。

2.4 航槽穩定性

東江航道擴能升級工程大部分灘為淺灘，需按照航道整治標準進行疏浚或者開挖新航槽，如何維持疏浚后航槽的穩定是各灘整治面臨的共同問題。由于東江現狀航道等級相對較低，河源至石龍河段將提高至Ⅲ級，對不少河段而言，需要開挖航槽的里程長，開挖深度較深，例如橫瀝至瀝口段有接近40 km的河段需要連續開挖整治，最大疏浚深度達3.0 m，整治后挖槽局部回淤難以避免。由于研究河段淺灘多，淺段長，水沙條件復雜，在彎曲段、過渡段水流動力軸線擺動較大，各淺段輸沙能力大小不一，加上來水來沙的不均衡性和人類活動(如過量采砂)等多種因素的影響，局部挖槽存在一定量的泥沙回淤問題，嚴重時可能造成航深不足影響船舶通航。

東江水量不大，輸沙能力有限，整治難度大。特別是近十幾年來大規模采砂引起水位大幅下降，航槽普遍出淺(最小水深僅0.5～1.0 m)，與Ⅲ級航道標準相差甚遠。目前國內外采用整治方法大幅提升特長、特淺沙質河段的航道等級尚無先例，加之人為采砂活動的影響(河段受過量采砂影響較短時間內尚難達完全穩定狀態)，如何保持長河段開挖航槽的穩定是較為困難的，因此航槽穩定性本身就是項目實施的技術難點和重點。

2.5 梯級建設對航道條件的影響

水庫調度首先是確保工程本身防洪安全，發揮水庫的防洪作用，在保證防洪安全的前提下，兼顧發電、航運和排沙。通過在河流上建設多級綜合水利樞紐工程來滿足流域防洪、發電、航運、供水、生態等多方面的效益。但與此同時，梯級水庫調度改變了河流天然的水文過程，對其下游航道通航條件也產生了明顯的影響[10-11]。

目前東江上木京、風光、瀝口、劍潭等樞紐相繼投入使用，水庫的調水攔沙作用在一定程度上改變了東江的來水來沙條件，對各灘的泥沙運動規律、河床沖淤演變、航道尺度、水流條件的影響值得關注。另外電站下泄非恒定流亦對各灘的通航水流條件產生一定的影響。因此，電站運行導致的下游航道變化、電站下泄基流是否能夠滿足東江航運基流的要求，這些問題的研究，均需收集已建及規劃的電站梯級資料，分析其運行方式對樞紐上、下游河段水沙條件的影響，結合理論分析、數模計算或物理模型試驗研究，分析梯級建設對航道整治工程的影響，并提出對策。

3 結語

東江航道擴能升級工程擬通過航道整治，并配合工程河段內樞紐新建1 000 t級二線船閘，將東江河源至石龍段航道等級提高至Ⅲ級，航道設計水深滿足2.5 m。結合東江航道實際情況并就其中的航道整治研究難點進行了初步分析，認為其主要存在各特征水位確定、灘險特性及成因分析、整治原則、航槽穩定性、梯級建設對航道條件的影響等五個方面的技術難題。東江1 000 t級航道的整治是一個綜合性工程，本文的分析以期能為類似整治工程的研究提供積極的參考價值。