岷江下游霸王灘灘險整治技術

何 熙，張有林，李順超，謝玉杰

(四川省交通勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610017)

1 灘險概況及礙航特性

1.1 灘險概況

岷江下游霸王灘位于真溪鎮上游約3 km處，河道呈“S”形，上游為斑竹林灘，下游接崗子坪灘，霸王灘與斑竹林灘右岸為一處大邊灘，邊灘中部存在串溝，枯水期串溝不過流，中水期有一定分流能力，洪水期水流漫過部分邊灘，整個河道流線走直，霸王灘左岸為另一邊灘，但近年來受挖砂采石影響，邊灘左岸形成兩處串溝，通過近幾年地形觀測及地方航道部門反映，該處串溝有繼續發育的趨勢。該灘洪中枯河面寬度變化較大，現有航線依托上游斑竹林灘左岸主槽，至黃天壩尾部水流向右發生偏轉沖向右岸，航道彎曲半徑小，航槽內長達1.3 km范圍內水深不滿足最小航深2.4 m的要求，該灘灘口位置流速大、比降陡且伴有漏浩水，航行條件較為惡劣。同時該段航道彎曲半徑小，上下游通視條件較差，在黃天壩處一直存在信號臺控制上下游船舶航行。霸王灘河勢見圖1。

圖1 霸王灘河勢

1.2 水文泥沙

岷江下游河段受兩岸地形的約束，河床寬窄相間。洪枯水水位變幅大，最高與最低通航水位相差14.19 m，流量年內分配不均勻。河道比降陡、流速大，平均比降約0.55‰。枯水期灘險平均流速2 m/s左右，急流灘險流速可達4 m/s，中洪水期隨著水位上漲，流速逐漸增大，最大流速可達6 m/s。汊道及邊灘發育，洪水期來沙易在寬闊段落淤沉積，形成邊灘或心洲，形成兩汊或多汊，水流分散，導致通航汊道內水深不足。該段河道受人類活動影響大，人為挖砂采石造成航道內水流散、亂、淺，部分河道形成深沱造成局部跌水。龍溪口等樞紐建設前，大渡河、青衣江水電站調峰、調頻，下泄流量不均勻，變幅較大，改變了水動力條件和泥沙運動規律，進而影響航道穩定。岷江高場水文站位于霸王灘下游約14.6 km，上游紫坪鋪蓄水發電以后，汛期平均流量為0.4萬m3/s，最大日均流量達1.74萬m3/s；懸移質多年平均輸沙量為2 330萬t，多年平均含沙量0.319 kg/m3,霸王灘推移質中值粒徑為55 mm，河床質以卵石夾細砂為主，霸王灘泥沙粒徑累計頻率分布曲線見圖2。

圖2 霸王灘泥沙粒徑累計頻率分布曲線

1.3 灘性分析及礙航特性

在灘險整治之前，應對霸王灘灘性進行分析，了解該灘成灘、兇灘以及消灘的各項指標以及成灘緣由和礙航特性，在此基礎上給出較為合理的整治措施[1]。霸王灘灘上、下水位差隨流量的變化關系見圖3。設計最小通航流量至整治流量時灘段水位落差逐漸增大，當大于整治流量時，灘段水面落差隨流量增大逐漸減小，其主要原因在于枯水期水流集中于枯水航槽內，水位抬高后，水流漫過部分邊灘，河面展寬，水面比降逐漸減緩。設計最小通航流量下，該灘規劃航槽內長約1.3 km段存在水深不滿足最小航深2.4 m要求，最小水深僅0.9 m，該灘比降在0～3.47‰，平均比降為1.09‰，航槽內流速在1.03～3.26 m/s；整治流量下，該灘比降在0～3.01‰，平均比降為1.19‰，航槽內流速在2.07～4.09 m/s；汛期平均流量下，該灘比降在0～3.16‰，平均比降為1.00‰，航槽內流速在2.96～4.48 m/s；中洪水流量下，該灘比降在0～2.84‰，平均比降為0.73‰，航槽內流速在1.22～4.58 m/s；年最大流量平均值工況下，該灘比降在0～1.71‰，平均比降為0.46‰，航槽內流速在0.80～3.64 m/s；最大日均流量下，該灘比降在0～0.94‰，平均比降為0.23‰，航槽內流速在0.20～3.24 m/s；最大通航流量下，該灘比降在0～0.74‰之間，平均比降為0.19‰，航槽內流速在0.34～2.96 m/s。該灘礙航特性主要表現為：灘口段比降陡、流速大，串溝發育后漏浩水旺盛，整個灘段航線曲折，彎曲半徑小，通視條件差。除此之外由于該灘洪、中、枯3級流量下水動力軸線擺幅較大，易在洪水期發生周期性淤積，退水期若沖刷能力不足，航槽極易落淤出淺。

圖3 霸王灘上下游水位差-流量關系

1.4 航道整治標準

本段航道等級為內河Ⅲ級，航道尺度為500 m×60 m×2.4 m(彎曲半徑×寬度×水深)，設計代表船型為1 000噸級機動駁以及2×1 000噸級分節駁船隊。根據岷江現有船舶資料，按照茲萬科夫公式計算[2-3]，并結合岷江自身特點和船型進行適當修正得到上水通航標準：水面比降為0.5‰、1‰、2‰、3‰、4‰時對應的流速分別為3.9、3.8、3.5、3.2、3.0 m/s。

2 模型建立與驗證

2.1 模型建立

采用2017年4月實測地形資料建立平面二維水流數學模型。利用貼體正交曲線網格可通過坐標變換將研究區域不規則的邊緣部分修正為規則的邊界[4]。將不規則區域坐標轉換為正交曲面坐標ε=ε(x,y)，η=η(x,y)。垂向上引入σ坐標系，其定義如下：

(1)

式中：z為物理空間上的垂直坐標；d為參考面z=σ以下的水深；ε為參考平面z=σ以上的水位；H為水深，H=d+ε。

主要控制方程如下：

(2)

(3)

(4)

模型范圍選取上考慮下游崗子坪灘方案實施后可能對上游造成一定影響，因此將崗子坪灘方案納入研究范圍內同時結合研究河段河勢，最終模型上起蕨溪鎮，下至屏山鎮岷江大橋15#臨時水尺，全長15 km，網格節點數目為22.5萬個，其中水流方向網格間距3～35 m，垂直水流方向網格間距2～10 m，其中工程區河道內網格加密處理。

2.2 模型驗證

模型采用實測枯水流量Q=1 020 m3/s、中水流量Q=3 764 m3/s與洪水流量Q=10 800 m3/s時的沿程7個水位測點開展水位驗證。采用實測枯水流量下4個測流斷面，中水流量下4個測流斷面以及洪水流量下2個測流斷面開展斷面流速分布驗證。驗證結果表明，水位、斷面流速分布以及分流比精度均符合JTS/T 231-4—2018《內河航道與港口水流泥沙模擬技術規程》的要求。

3 航道整治方案

3.1 設計方案

霸王灘設計方案1為河心方案，依托現有深槽布置航線，從斑竹林灘開始以右岸黃天壩和左岸江心洲為節點規劃整治線，經斑竹林左側江心洲后以左岸為主導河岸，蠻洞溪山地岸坡為節點往下規劃整治線，到霸王灘上口以霸王灘左岸邊灘外側為節點，整治線在此偏轉，之后整治線依托黃天壩邊灘外側規劃，到喳口石灘下口以右岸基巖岸坡為節點，并順應河勢整治線沿右岸岸坡繼續向下規劃。設計方案1在黃天壩左岸布置1座丁壩，一方面封堵漏浩，另一方面起到促淤固灘的作用。霸王灘心灘灘頭布置1座順壩，調整水流進入主槽，同時抑制串溝繼續發展。灘中段布置1座長導流順壩，穩定右岸邊灘，調整水流，改善彎曲半徑。上述壩體整治高度均采用設計水位上1.5 m。同時對規劃航槽內不滿足最小航深2.4 m的區域浚深，疏浚底高程為設計水位以下2.8 m。對灘尾左岸實施切嘴，平順水流，消除由突嘴引起的挑流現象。設計方案1平面布置見圖4a)。

設計方案2為沿邊灘方案，該方案充分考慮該灘段彎曲半徑小，上下行船舶航行安全的角度。設計方案2將設計方案1左岸灘頭的順壩改為2座丁壩，以調整水流進入主槽，灘中段布置1座順壩同時順壩后側增加3座格壩以此增強順壩整體穩定性。上述壩體整治高度為設計水位上1.5 m。同時對規劃航槽內不滿足最小航深2.4 m的區域浚深，疏浚底高程為設計水位以下2.8 m。設計方案2平面布置見圖4b)。

圖4 霸王灘設計方案平面布置

3.2 設計方案水流條件

對于山區河流航道整治方案實施后，需要關注航道水深以及通航水流條件的改善情況，對于急流灘還需要關注整治實施后是否消灘；另一方面需要關注挖槽區汛后推移質回淤問題，為使挖槽穩定，一般要求方案實施后整治流量時挖槽區流速為1.1～1.3倍推移質臨界起動流速[5]，目前對川江推移質臨界起動流速的研究表明，沙莫夫公式計算結果較為合理，考慮到岷江下段泥沙輸移與川江較為相似，因此選取沙莫夫公式計算推移質臨界起動流速[6]。綜上所述，將從以上整治原則出發對各方案進行分析論述。

設計方案1實施后航槽內通航水流條件改善明顯，斷面流速分布較為均勻，不良流態得到改善，同時左岸丁壩以及右岸洲頭壩修建后，漏浩水基本消除。設計流量下，受左岸丁壩封堵漏浩的影響，灘頭水位有所壅高。灘中下段受長挖槽影響水位有所降落，最大降落值為0.43 m，航槽內滿足設計最小航深2.4 m的要求，灘段比降在0～3.76‰，流速在1.12～3.49 m/s。整治流量下，設計方案1實施后主汊分流比較天然情況下的71.3%增加了15.6%，總體來說，水流進入主槽后沖刷能力加強，航槽能保持相對穩定。該工況下左岸丁壩上游最大水位壅高值為0.18 m，中下段水位最大降落值為0.49 m，灘段比降在0～4.72‰，流速在2.11～4.08 m/s，挖槽區平均流速在3.39 m/s。中洪水流量下，左岸丁壩上游最大水位壅高值為0.06 m，中下段水位最大降落值為0.09 m，灘段比降在0～1.79‰，流速在1.72～4.19 m/s。中洪水流量至最大通航流量下，灘段水位及流速變化逐漸減小，基本可忽略。但設計方案1實施后，在整治流量下，挖槽入口段出現約400 m范圍流速、比降超出限制，流速、比降最不利組合為3.70 m/s、4.72‰，不滿足船舶自航上灘要求。

設計方案2實施后航槽內通航水流條件得到一定改善。與設計方案1相似，左岸丁壩以及右岸洲頭壩修建后，漏浩水基本消除，但設計方案1中洲頭壩方案灘頭流態更加平順。設計流量下，受左岸丁壩封堵漏浩的影響，灘頭水位有所壅高。右岸兩根丁壩將枯水期流量完全調整至主槽內，灘中段受長挖槽影響水位有所降落，最大降落值為0.16 m，灘下段順壩束窄較劇烈，水位有所抬升，水位最大壅高值為0.30 m，航槽內水深滿足設計最小航深2.4 m的要求，灘段比降在0～3.90‰，流速在0.72～3.34 m/s。整治流量下，整個航槽內水位均有所抬升最大壅高值為0.76 m，灘段比降在0～4.13‰，流速在1.44～4.60 m/s，挖槽區平均流速在3.69 m/s。中洪水流量下，整個航槽內水位均有所抬升，最大壅高值為0.16 m，流速在2.30～4.26 m/s。中洪水流量至最大通航流量下，灘段水位及流速變化逐漸減小，基本可忽略。但設計方案2實施后，在整治流量下，順壩束窄航槽較劇烈段導致挖槽出口段出現約540 m范圍流速比降超出限制，流速、比降最不利組合為4.60 m/s、3.75‰，不滿足船舶自航上灘要求。

3.3 修改方案的水流條件

1)針對霸王灘設計方案1存在的問題，在設計方案1基礎上提出修改方案1-1及1-2。修改方案1-1對存在大流速、比降組合區域內航槽進行拓寬，考慮主流貼左岸，故對挖槽入口段左岸進行斷面拓寬40 m，同時考慮到整治流量下，受左岸丁壩封堵，導致水流完全從挖槽入口位置進入航槽，因此調整該丁壩整治高度至設計水位上1.0 m。修改方案1-2在1-1基礎上進一步探討了右岸順壩長度影響。

①修改方案1-1實施后，挖槽入口段流速減小，水面比降得到調整，流速、比降最不利組合為3.02 m/s、3.22‰，滿足船舶自航上灘要求。整治流量下，挖槽區域內流速基本在推移質臨界起動流速的1.1～1.3倍范圍內，航槽基本保持穩定。

②修改方案1-2在1-1基礎上對現有順壩長度縮短120 m以及增加240 m兩種情況加以研究。壩體縮短方案實施后，設計流量下，上游水位有所降落，最大降落值為0.02 m，最大流速增加值為0.02 m/s，下游流速最大減小值為0.07 m/s；整治流量下，上游水位最大降落值為0.03 m，流速最大增加值為0.04 m/s，下游流速最大減小值為0.13 m/s。壩體加長方案實施后，設計流量下，上游水位有所降落，最大壅高值為0.02 m，最大流速減小值為0.02 m/s，下游流速最大增加值為0.12 m/s；整治流量下，上游水位最大壅高值為0.03 m，流速最大減小值為0.04 m/s，下游流速最大增加值為0.18 m/s。總體來說，順壩長度調整方案對調整該灘水位、比降以及流速作用較為有限，但考慮該灘整治后航槽內流速有所增加，設計方案1的順壩對黃天壩岸坡穩定起到一定保護作用，因此維持設計方案1的壩體長度。

2)修改方案2-1在設計方案2基礎上對邊灘側航槽拓寬，加寬段挖槽底高程為設計水位下2.0 m，同時對左岸丁壩整治高度調整至設計水位上1.0 m。

修改方案2-1實施后，挖槽中下段流速有所減小，水面比降得到調整，流速、比降最不利組合為3.29 m/s、2.79‰，但該方案實施后，上游水面有明顯降落，挖槽上段出現300 m范圍內水深不滿足最小航深2.4 m的要求。

3.4 方案比選

各方案實施后水流條件均有明顯改善，但修改方案2-1實施后，挖槽上段存在不滿足最小航深的區域，設計方案1和2均存在不滿足船舶自航上灘的急流段，對于修改方案1-2，順壩加長方案對調整該灘比降以及減小流速的作用并不顯著，修改方案1-1依托現有深槽，雖然較設計方案2航道彎曲半徑小，但左岸順壩受黃天壩灘體掩護，整體穩定性較好，其次修改方案1-1工程量較其他方案小，同時該方案實施后挖槽穩定性較好。因此綜合各方案的論述分析，選擇修改方案1-1為推薦方案。整治流量下修改方案1-1及2-1工程前后流速矢量圖見圖5。

圖5 整治流量工況下工程前后流場對比

4 結語

1)對于山區強彎河流，由于洪中枯3級流量下水動力軸線擺動較大，洪水期易發生周期性落淤，若退水期航槽內沖刷能力較弱，極易出淺。通過筑壩束窄枯水期河床的方法增強航槽沖刷能力的同時，應考慮其對船舶自航上灘的影響。

2)對于山區河流枯水淺、急灘且存在長挖槽的灘險，往往挖槽實施后，枯水期水流集中在枯水航槽內，易在挖槽進、出口段出現流速、比降超過船舶自航上灘限值的區域。針對上述情況一般可采取拓寬挖槽范圍、筑壩壅水、調整分流比等方法減緩急流區流速。但對于挖槽出口段出現急流區，通過拓寬主流區一側的挖槽區域的方法可能會導致上游水位降落過多而引起出淺或者引起上游水位降落后流速、比降超過船舶自航上灘限值而形成新的急流區，因此對于上述情況，宜采用復式斷面的開挖方式，充分考慮上下游聯動效應，避免上游出現新的淺灘或急流灘。