蘆家河水道枯水跌坎形成原因及航道治理效果分析*

索 文，劉林雙，于海波，張美德

(長江航道局，湖北 武漢 430010)

河道礙航因素一般包括水深、航寬、彎曲半徑、比降、流速、流態等[1-3]，不同類型河道礙航影響因素差異較大。蘆家河水道位于長江中游山區—平原河流過渡地帶，河道兼有山區河流坡陡、流急等問題[4-6]，也有平原河道水淺、航寬不足等問題[7-8]，導致其礙航原因較為復雜，是中游重點沙卵石淺灘礙航河段。三峽水庫蓄水前，主航道在汛期退水時，一旦汛末退水速度過快，石泓水深已不足，而沙泓汛期大量淤積的泥沙又未沖開，航道就會出現緊張局面；另外，毛家花屋—姚港一帶枯水比降大、流速急，給上行船舶航行帶來很大困難[9]。蓄水后航道問題主要表現為沙泓進口的沙質淺區礙航問題、葛洲壩三江下引航道水深不足對下游水道的水位控制需求問題[10]、推移質落淤形成淺包礙航的問題以及持續存在的毛家花屋—姚港一帶枯水跌坎問題。

對此，2014年開展的宜昌—昌門溪河段一期航道整治工程[11]，在蘆家河進口實施了魚嘴工程以及石泓護底工程，緩解了沙泓進口的淤沙問題，也對上游的枝城站水位控制起到了明顯的作用。但由于三峽蓄水作用，下游水道的不均勻沖刷，導致枯水跌坎現象進一步加重。筆者探究枯水跌坎形成原因及礙航影響，并提出探索性的航道治理方案，取得較好的治理效果。

1 蘆家河水道枯水跌坎特性

蘆家河水道位于長江中游山區—平原河流過渡地帶，水道上起陳二口、下至昌門溪，全長12 km，屬微彎放寬型水道(圖1)。河段河心有礫卵石磧壩，將蘆家河水道分為沙、石兩泓，沙泓為目前主航道所在。本水道岸坡結構主要是基巖質、土礫質和硬土質3種類型，岸線多年來總體穩定，河道格局未發生改變。年內主流洪、枯水期流向在沙、石泓之間左右擺動。沙泓中段毛家花屋—姚港一帶枯水比降大、流速急，尤其是在枯水期，容易形成跌坎，是蘆家河水道枯水航道瓶頸。

圖1 蘆家河水道河勢

2 枯水跌坎形成原因

2.1 地貌成因

蘆家河水道地貌總體格局是，由三峽山地向宜昌東部丘陵，再過渡到松滋口以東的江漢平原。枝城以上河道兩岸為丘陵階地，河岸大部分由白堊第三系礫巖或砂巖、第四系全新統黏土礫石層、晚更新統黏性土及全新統黏性土組成，抗沖能力較強，岸坡均較穩定。枝城以下主要是侵蝕低山丘陵、河流階地和河漫灘，河段內洪枯水位之間的河床岸坡地質結構主要為硬土質、土石質和基巖質3種類型。其地質構造特征是，淞滋口以上河段處于江漢沉降區邊緣宜都隆起地帶，而淞滋口以下河段則地處江漢沉降區次一級凹陷的枝江凹陷區，淞滋河附近蘆家河水道一道處于平原與丘陵交界帶，是我國地質構造運動西部掀升，東部沉陷轉折帶上的中點部位，在地貌上由低山丘陵向平原的過渡區。復雜的地貌特性使得蘆家河水道不同區域河床地質特性、河道高程形態均有所不同，河床沿程連續性減弱，為河道坡陡流急提供了地貌條件。

2.2 河床組成原因

根據蘆家河水道鉆探取樣等資料分析，水道河岸地質構造抗沖性能較好，岸坡穩定，右岸松滋河口以上和左岸毛家花屋以下，分布有臨河丘陵山體，其地質構造為基巖質或抗沖性能較好的黏土和礫質土層；百里洲地質構造為二元結構，上層以河漫灘相粉質壤土為主，下層為卵石夾沙層；熊家棚子一帶雖為軟土質岸坡，但因地處彎道凸岸一側，岸坡亦穩定。水道河床組成在汛期表層多為淤沙覆蓋，左側沙泓床沙較細，河心及右側石泓較粗。一般至枯水季節，姚港以上床面除松滋口附近和石泓邊灘仍留有一定厚度沙質覆蓋層之外，其他區域均已沖刷至卵石層面。姚港以下，緊接卵石磧壩尾部，沉積的中細沙與磧壩連為一體，最大高程35.0 m，厚度6～10 m，構成心灘群，稱為磧壩灘尾。沙質心灘的左泓亦沖刷至卵石層面，右泓卵石層面以上尚覆蓋1～2 m厚的淤沙。總體而言，蘆家河水道河床絕大部分河床為砂卵石組成，河床表層較粗(圖2)、穩定性較好。但部分河段仍有粉細砂覆蓋，河床可沖刷，不同土質的可沖性差異造成河床的凹凸不平(圖3)，束流雍水，大幅抬高卡口上游水位，沖刷性較好的卡口下游，則降低了下游水位，構成了卡口型枯水跌坎，進而導致坡陡流急。

圖2 蘆家河水道典型河床卵礫石巖芯

圖3 蘆家河水道地貌

2.3 三峽蓄水影響

三峽蓄水后，壩下河段來沙減少，河床沿程沖刷，河道水位下降。蘆家河水道在2008—2014年間單位河長總沖刷量即達172 m3km，隨著河床持續沖刷，壩下河段枯水位均出現顯著下降(圖4)。蘆家河水道內陳二口、毛家花屋、姚港和昌門溪4處水尺，5 600 m3s枯水流量下，2017年比蓄水前的2002年水位分別下降0.31、0.46、0.59、0.59 m。

圖4 5 600 m3s流量下蘆家河水道水位變化

一方面，水位的趨勢性下降加劇了蘆家河沙泓中段淺區的水深不足，航道條件趨于惡化。另一方面，由于蘆家河以上河道為基巖、卵石河床，沖刷較小；而以下河道為沙質河床，沖刷較大。蓄水后壩下水位持續的不均勻下降，也導致蘆家河水道水面比降不斷增大。這些情況的存在和發展，必然導致蘆家河枯水跌坎加劇。

蓄水前，蘆家河水道是長江中游長期以來固有的枯水礙航河段，在三峽175 m試驗性蓄水前，6 000 m3s左右流量時，天發碼頭附近400 m范圍內比降可達近0.07%，最大流速可達2.8 ms；三峽蓄水后，枯水下泄流量增大，枯水航道礙航進一步嚴重。經觀測統計，2014年后8 000 m3s流量下，局部比降增大至0.08%以上，最大流速達到3.26 ms，2017年來最大流速達3.5 ms，2018年2月15—19日年度最小流量(6 200 m3s)期間，實測水面比降仍為0.04%以上。蘆家河毛家花屋枯水卡口，是多種地質、地貌因素急劇轉折變化集中發生的部位(河段)，也是構成枯水跌坎的基礎條件。

3 礙航特性

由于枯水跌坎的存在，蘆家河河段內坡陡流急現象嚴重，船舶上行壓力依然較大。從航跡觀測結果看，動力較弱的船舶，上行較為困難。毛家花屋坡陡流急段附近水域的最小航速僅約3.0 kmh。從現場通航情況看，以2017年枯水季節為例，蘆家河水道枯水跌坎(圖5)和太平口水道三八灘北汊瓶頸，加上三峽大壩船閘檢修單閘過船(圖6)，共3處瓶頸均單向通航，且時而斷航，導致3處區域待航船舶數量較多，通常情況下有200多艘，高峰期達400多艘，綿延數十公里，船舶等待時間最長多達17 d，且由于瓶頸水道窄淺多彎，輪船只能在多個距離較短的紅白浮標之間隨折彎緩行，容易擱淺。

圖5 蘆家河水道積壓船舶

圖6 三峽大壩附近等待過閘船舶

4 治理方案

蘆家河水道的礙航問題較為復雜，除了沙泓中段坡陡流急等問題，還包括上游船閘通航對水位的需求、持續下降的枯水位影響、砂卵石推移質落淤出淺等問題，對此，在2017、2018年度開展了蘆家河水道探索性的疏浚。

2017年度疏浚思路為：針對急需解決的水淺問題，清除寧化碼頭前沿淺包，提高水深，平順航槽，并在保障航道尺度的同時，預留一定的淤積空間，為后續坡陡流急等問題的解決打好基礎。疏浚工程挖槽區域位于蘆家河水道沙泓航槽，對三寧化工碼頭前沿淺包進行維護性疏浚。工程挖槽區長約780 m、寬20～220 m，疏浚挖槽底高程為設計水位下4.0 m(航基面下4.5 m)，即29.2 m(1985國家高程基準)，疏浚工程挖槽邊坡取1:3。

2018年度疏浚思路為：通過維護疏浚，清除寧化碼頭前沿淺包，保障蘆家河河段枯水期航道水深，以緩解坡陡流急段通航安全隱患為目標，對毛家花屋航槽右緣一定范圍內的亂石堆進行清除，適當拓寬緩流航槽寬度，改善通航條件。相應的疏浚方案主要包括2部分：淺包清除和亂石堆清除。淺包清除區：對三寧化工碼頭前沿淺包進行整體清除，工程挖槽區長約500 m、寬30～150 m；亂石堆清除區：對沙泓中段毛家花屋航槽右緣亂石堆進行清除，最大清除寬約50 m，長約1 000 m，清除區上段航槽與枯水位控制卡口以斜線銜接，下段以喇叭口形式逐漸拓寬與寧化碼頭前沿航槽銜接。

5 治理效果及后續治理建議

5.1 治理效果

疏浚工程實施后，增加了淺區航槽深度，保證了2017和2018年度蘆家河水道4.5 m航深，工程實施后枯水水面比降變化見表1。從表1可知，蘆家河枯水跌坎段(2#～3#)之間的枯水大比降顯著減小，當三峽水庫枯季最小下泄流量為6 000 m3s左右時，最大比降由疏浚前的4.60銳減至2.22。跌坎段的大比降分散轉移到上下游相鄰河段：上段陳二口—2#由1.6增至2.02，增幅23.2%；下段3#—枝江(馬家店)由0.806增大至1.73，增幅高達115%。其他河段變化較小。

表1 蘆家河枯水跌坎擴卡前后比降變化

5.2 建議

蘆家河水道是我國地質構造運動西部掀升、東部沉陷轉折帶上的中點部位，又是地質組成轉換的連接區，在地貌上由低山丘陵向平原的過渡區，使得在蘆家河沙泓中段形成了跌坎，且在蘆家河沙泓中段尤其顯著，致使蘆家河水道枯水礙航。特別是三峽樞紐運行后，蘆家河以上河道為基巖、卵石河床，沖刷較小；而以下河道為沙質河床，沖刷較大，且隨樞紐運行時間遞增，造成水位持續降低，比降不斷增大。這些情況的存在和發展，導致蘆家河跌坎進一步加劇。

短期內河道地形地貌以及河道地質特點難以改變，造成沙泓中段枯水跌坎短期內難以自然改變，三峽蓄水逐步深入的趨勢也將進一步持續，跌坎現象有可能進一步加劇，但同時，蘆家河水道兼具上游水位控制的功能，因此，不可能大規模開展疏浚等調整工程，因此，目前較好的措施仍然是依據河道逐年變化情況，開展試探性治理。

2017、2018年度在控制上游水位的基礎上，對沙泓中段開展了探索性治理，取得了較好的效果，若繼續適當疏浚，跌坎段的大比降將進一步減小，并繼續向上、下游河段轉移，使鄰近河段比降略微增大后再向上、下游較遠河段轉移。屆時，蘆家河枯水跌坎段大比降將進一步減小，但不會從根本上消失。因此，建議結合上游水位以及本河段航深變化情況，進一步開展淺區疏浚，在不影響上游水位的情況下，改善本水道枯水跌坎狀況，為水道長遠航道條件改善奠定基礎。

6 結論

1)蘆家河水道是我國地質構造運動西部掀升、東部沉陷轉折帶上的中點部位，又是地質組成轉換的連接區，在地貌上由低山丘陵向平原的過渡區，導致沙泓中段枯水跌坎的存在。三峽樞紐運行后，蘆家河以上河道為基巖、卵石河床，沖刷較小;而以下則為沙質河床，沖刷較大，水位持續降低，比降不斷增大，加劇了枯水跌坎問題。

2)由于枯水跌坎的存在，蘆家河河段內坡陡流急現象嚴重，此外，蘆家河水道還包括上游船閘通航對水位的需求、持續下降的枯水位影響、砂卵石推移質落淤出淺等航道問題，對此，2017和2018年度均開展了疏浚維護，在綜合考慮各因素影響下，開展蘆家河水道疏浚。

3)疏浚工程實施后，增加了淺區航槽深度，保證了2017和2018年度蘆家河水道4.5 m航深，工程實施后，枯水跌坎段水位大比降顯著減小，且分散轉移到上、下游相鄰河段。建議進一步結合上游水位以及本河段航深變化情況，在不影響上游水位的情況下，開展疏浚治理，改善水道枯水跌坎狀況，為長遠航道條件改善奠定基礎。