廣陽壩河段4.5米水深航道整治工程動床物理模型試驗研究

1.河道概況及背景

廣陽壩水道位于長江上游航道里程806.0～816.0km，該水道目前航道等級為Ⅲ級，航道維護尺度為3.5m×150m×1000m（航道水深×航寬×彎曲半徑，下同）。國家十三五期間規(guī)劃長江上游朝天門至涪陵河段達到4.5m×150m×1000m（局部困難河段航寬120m、彎曲半徑800m）的航道標準，但廣陽壩水道受上游廣陽壩急灘、中游飛蛾磧和下游長葉磧淺險灘3個連續(xù)灘險的影響，航行條件較差，天然情況下不能滿足4.5m水深航道的標準，上述幾處灘險亟需進行整治。

2018年1月至2018年7月，重慶交通大學開展了“長江上游廣陽壩水道航道整治工可階段物理模型試驗（定床部分）的研究工作。通過定床水流和定床輸沙試驗，最終確定了“飛蛾磧航槽偏左+長葉磧航槽偏左”的整治方案。而整治后航槽的穩(wěn)定性主要取決于卵石的沖淤，因此在定床模型試驗結束后需要開展動床物理模型試驗，對定床推薦方案進行研究。

2.動床試驗主要研究內(nèi)容

動床物理模型試驗主要針對定床階段確定的廣陽壩水道開展卵石輸移與航槽穩(wěn)定性研究，主要分為兩部分：

（1）廣陽壩水道卵石推移質輸移與灘險演變研究

以2012年水沙過程作為典型代表年，通過動床物理模型試驗，研究典型洪水過程下廣陽壩水道推移質輸移特性及其對航槽灘險的演變影響。

（2）廣陽壩水道航道整治方案研究

重點研究廣陽壩水道航道整治推薦方案實施以后，廣陽壩左槽進口處開挖、蜘蛛磧疏浚以及飛蛾磧開挖后對廣陽壩卵礫石輸移的影響及左槽航槽的穩(wěn)定性。長葉磧開挖以及烏獨磧疏浚后對長葉磧卵礫石輸移的影響以及航槽的穩(wěn)定性；

3.動床模型設計與驗證

3.1 模擬范圍

（1）模型范圍。根據(jù)廣陽壩、長葉磧水道的河勢條件和整治工程所在位置及整治對象特性，選擇的模型實驗范圍為上游銅鑼峽中段大磨石（上游航道里程643.5km）至下游魚嘴大橋（上游航道里程629.5km），全長約14km。模型進口銅鑼峽順直均勻且水流較急，距廣陽壩整治區(qū)上端2km，能夠保證進入模型流量的合理分配與穩(wěn)定，且進入試驗段的水流已經(jīng)得到充分調整。出口距長葉磧整治工程尾部約2.5km，尾水魚嘴沱水尺作為控制，經(jīng)過彎曲段實際地形調整，則模型尾水在水位相符的情況下流態(tài)的相似性也能得到保證。

（2）動床鋪沙范圍。由于定床模型試驗范圍較長，模型全部改造成動床較為困難。所以根據(jù)廣陽壩水道的河床地質條件及定床輸沙試驗結果，對于沒有卵石覆蓋及輸移的石質河床或者高大的邊灘仍然采用原定床條件。廣陽壩水道鋪沙范圍從上游的蜘蛛磧至飛蛾磧尾，長葉磧水道鋪沙范圍自上游門閂子至魚嘴下游。鋪沙充分考慮河床組成和輸沙路徑，且在最上游進口銅鑼峽處采用全斷面鋪沙（符合實際河床條件），保證了各輸沙時期河床輸沙線路上均有泥沙補給。

表1 廣陽壩水道航道治理物理模型比尺統(tǒng)計表

為了更加直觀的觀察廣陽壩和長葉磧整治后的泥沙輸移與航槽穩(wěn)定性，采用分層鋪設不同顏色模型沙。廣陽壩整治區(qū)和長葉磧整治區(qū)上層采用染成紅色的模型沙，底部采用天然沙的本色。

3.2 模型比尺確定

根據(jù)水流和泥沙運動相似條件，結合航道整治要求、研究范圍以及試驗場地，對廣陽壩、長葉磧水道河工模型進行設計，采用比尺見表1。

4.動床試驗布置

水沙條件仍以2012年作為典型代表年份。動床模型布置時，認為方案前后河床組成情況不發(fā)生變化，即方案前后河床組成粒徑不發(fā)生變化。

4.1 動床模型布置

為順應河勢，將規(guī)劃航槽盡量布置在原有航槽位置，減少開挖。采用飛蛾磧航槽偏左+長葉磧航槽偏左的治理思路。

（1）航槽布置。順應河勢，飛蛾磧處的規(guī)劃航槽偏左、微彎。枯水期主流循河心向下流，受餓狗堆阻擋，偏左側直沖野騾子掃彎而下，在野土地以下左岸各水位期流急掃彎，經(jīng)左岸飛蛾磧遇阻，折向右岸虎扒子經(jīng)麻二梁偏右岸而下。設計規(guī)劃航槽寬度為150m，最小彎曲半徑1000m。

（2）總平面布置。對規(guī)劃航槽內(nèi)的不滿足設計水深要求的淺區(qū)部位進行開挖，對規(guī)劃航槽內(nèi)的不滿足設計水深要求的淺區(qū)部位進行開挖。

即開挖上段左岸蜘蛛磧磧翅、右岸野土地、腰膛磧和蘆席磧磧翅、左岸飛蛾磧磧翅，左岸飛蛾磧由于采砂使飛蛾磧磧翅從中“折斷”成兩部分，一部分為深入河心的磧翅，另一部分為江心孤立的磧壩，為了不使飛蛾磧磧翅成為江中礙航物，因此，擬將飛蛾磧江心孤立的磧壩全部開挖至設計底高程，另一部分磧翅需開挖規(guī)劃航槽內(nèi)的礙航淺區(qū)部位。開挖基線與規(guī)劃航槽邊線間距按照20m控制。

5.試驗結果分析

動床模型試驗主要對方案實施后的航槽沖淤演變情況進行研究分析。

（1）蜘蛛磧至礁石子段。蜘蛛磧至礁石子區(qū)域主航槽由于上游銅鑼峽峽谷河段的存在，在中水期以下流量時很少有泥沙進入，所以基本上不會有上游來沙補給，河槽中無明顯的卵石輸移帶或者淤積帶，主航槽穩(wěn)定。當流量增加至9350m3/s時，主航槽邊緣蜘蛛磧磧翅一側，有卵石推移質逐漸從蜘蛛磧疏浚區(qū)域輸移至航槽邊緣以及下游航槽，在各個時期都有較為明顯的沖刷，并少量淤積在疏浚區(qū)域，從蜘蛛磧磧翅開挖邊緣位置起算淤積寬度在100m左右。

航槽疏浚區(qū)域，隨著中水以上流量（9350m3/s--40.8h，13000m3/s--19.2h，10500m3/s--40.8h，13500m3/s--16.8h，）的長時間不斷沖刷，上游來沙大量輸入并淤積在蜘蛛磧和蘆席磧疏浚區(qū)上半段，在各級流量下均無法沖刷干凈。當流量增加至20000m3/s時，可以看出蜘蛛磧航槽內(nèi)輸移區(qū)域范圍明顯增大，輸移寬度為原來的兩倍左右，大約200m，并在航槽右側產(chǎn)生小范圍輸移區(qū)域。隨著流量的增加，當流量為Q=35400m3/s時，卵石輸移帶寬度仍在不斷增加，且覆蓋了半截梁、蜘蛛磧磧翅靠右的一大片礁石區(qū)域，輸移寬度達到300m；并且廣陽壩灘險左槽內(nèi)，卵石輸移帶寬度急劇增加且從左槽邊緣部分向河段中間位置偏移。同時在廣陽壩灘險左槽內(nèi)的卵石輸移帶相對流量Q=20000m3/s的輸移寬度顯著增加，能夠覆蓋到大部分礁石灘，一直延伸到廣陽島分叉河段的交界處。當流量進一步增加至35400m3/s和45300m3/s以上時，卵石輸移區(qū)域已無明顯變化。

（2）飛蛾磧段。飛蛾磧漲水階段枯水期基本無泥沙進入，隨著流量的增加，至中水流量約9350m3/s以上時，開始有卵石推移質從福平背左側航槽（航道里程638.4km）輸移，至航槽邊緣并淤積在廟角右側航槽（航道里程637.8km）處，輸移長度大約為500米，寬度為120米。并且在飛蛾磧航槽有大片疏浚區(qū)域被卵石輸移區(qū)覆蓋，中間航槽并無明顯的淤積現(xiàn)象。在漲水階段隨著流量的增加，至流量13500m3/s時，之前沒有淤積現(xiàn)象的中間航槽區(qū)域也出現(xiàn)了一條細細的卵石輸移帶，并在漲水結束階段可完全覆蓋大部分航槽寬度。當流量增至20000m3/s流量時，飛蛾磧上的卵石以群體形式向下集中輸移，大量進入航槽，并在飛蛾磧疏浚區(qū)右側100米處，有新的卵石輸移區(qū)域出現(xiàn)，輸移長度約180米，寬度80米。當流量進一步增大至35400m3/s及以上時，主航槽區(qū)域輸移范圍已經(jīng)變化不大，相比較與流量20000m3/s飛蛾磧右側新的輸移區(qū)域有進一步的擴大，輸移長度約為550m。

6.結語

廣陽壩河段長江上游朝天門至涪陵河段正開展4.5m水深航道整治工程的重點灘段，河道內(nèi)河床地形復雜，水流形態(tài)多變，礁石密布，多發(fā)泡漩回流等惡劣流態(tài)，影響船舶航行安全。本文針對廣陽壩河段開展4.5米水深航道整治工程動床模型試驗研究，為確定航道整治思路及形成整治方案提供依據(jù)，也為其他長江上游航道整治工程提供參考。