三峽工程運用后石首彎道段整治工程累積影響和演變趨勢研究

劉心愿 渠庚 姚仕明 朱勇輝 劉亞

摘要：石首彎道段位于長江中游下荊江首端，河道形態復雜多變，河床演變較為劇烈。在大量河道治理及航道整治工程的控制下，岸坡穩定性及航道條件得到了增強和改善。三峽水庫蓄水以來，壩下荊江河段的來水來沙條件發生了顯著變化，石首彎道段也出現了大幅沖刷，但在一系列河道治理及航道整治工程的作用下，除了局部河段深>A擺動和沖淤變化較為明顯外，總體河勢基本穩定。隨著三峽水庫及上游干支流水庫群不斷建成和運用，該河段河勢仍將持續調整。近岸河床的不斷沖刷下切，已有工程難以適應新形勢下的河床變形，不斷出現崩塌沖失，對現有堤防、河勢控制工程、護岸工程和航道整治工程等的安全運行以及涉水工程與航運等帶來新的問題。提出應抓緊深入研究三峽水庫及上游控制性水庫運用初期長江中下游重點河段河勢變化與綜合治理方案等重大技術問題。

關鍵詞：河道治理;航道整治;崩岸;演變趨勢;石首彎道段;長江中游;三峽工程

中圖法分類號：TV147 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.01.005

文章編號：1006-0081（2020）01-0022一06

1 研究背景

石首彎道段位于長江中游下荊江首端，上起新廠，下迄北碾子灣，由順直段、分漢段和急彎段組成，進口附近右岸有藕池口分流人洞庭湖，藕池口附近淤積形成天星洲，彎道放寬段有倒口窯、藕池口心灘，彎頂左岸側為向家洲邊灘。該河段河道形態較為復雜，多年來河床復雜多變，演變較為劇烈。1994年6月該河段向家洲切灘撇彎后，河勢出現較大調整。近年來，由于受上游來水來沙條件、藕池口分流分沙變化以及人類活動等因素的影響[1]，石首彎道段仍處于調整變化之中，給防洪、航運以及沿江涉水工程的正常運行帶來一定影響。目前，該河段實施了大量的河道治理及航道整治工程，使得岸線穩定性及航道條件得到了增強和改善，但該河段河勢仍處于不斷的調整變化中。隨著長江三峽水庫及上游干支流水庫群的不斷建成和運用，加上流域水沙條件的變化，將對長江河道演變與整治工程的運行及效果產生深遠的影響。鑒于石首彎道段的復雜性，本文選擇該河段為研究對象，開展三峽工程運用后該河段整治工程累積影響和演變趨勢研究，為該河段綜合治理、保護與開發利用提供技術支撐。

2 河道治理與航道整治工程基本情況

自然條件下，下荊江彎道河道演變的主要特征為凹沖凸淤，為了控制河勢、提高荊江地區的防洪能力，通過長期的堤防及護岸工程建設，特別是1998年大水后堤防、護岸、水閘等的大規模整險加固工程的實施，對穩定岸線與控制河勢起到了重要作用[2-3]，河道防洪標準也有了較大提高。近年來，隨著長江航道治理進程的加快，陸續在周天、藕池口、碾子灣等礙航問題較為突出的水道實施了關鍵部位的控制性工程，使得以堤防、護岸為主體的河控工程體系相對更加完備。

2.1 河道治理工程

從20世紀70～80年代以來，該河段開始逐步實施了一些護岸工程，主要位于防洪險要與對河勢起控制作用的重點岸線。至三峽水庫蓄水前，實施的護岸工程有茅林口至古長堤（37+280-28+000）、向家洲（26+000-22+000）、送江碼頭（0+000-3+600）、北門口（S6+000-S9+000）、魚尾洲（10+380-3+780）等，護岸總長度約24.85km，累積完成石方約254.57萬m³;特別是1998年大水后至三峽水庫蓄水前，國家投人大量資金對長江中游干流河道的崩岸進行了較為系統的整治。三峽水庫蓄水運用后，改變了長江中游的來沙條件，壩下游出現了沿程較為劇烈的沖刷。在此期間，該河段實施了部分河勢控制應急工程與長江重要堤防隱蔽工程中的剩余河勢控制工程，以及航道整治工程包含的護岸工程項目。在長江荊江河段河勢控制應急工程2006年度實施的項目中，該河段北碾子下段（6+000～6+730）、茅林口（36+300～35+000）等先后于2007～2010年度實施，施工總長度2.6km。此外，三峽水庫蓄水前后的2001～2008年，北碾子灣（0+000-7+300）段完成護岸長度7.3km，完成石方約71.76萬m³。

2.2 航道整治工程

研究河段包含天星洲水道、藕池口水道及碾子灣水道上段，上游為周公堤水道。天星洲水道為順直放寬并有藕池口分流的喇叭形河道，藕池口水道上段為順直分漢河道段、下段為急彎段。為緩解1998，1999年特大洪水淤積造成的淺灘礙航局面，以及針對三峽水庫蓄水后出現的新情況，維持枯水期航道暢通，在以堤防和護岸為主體的已建河勢控制工程體系的基礎上，近年來實施了大量航道整治工程（見圖1）。

該河段上游的周公堤水道于2001年12月至2002年5月、2006年12月至2008年4月分別實施了清淤應急工程、航道整治控導工程等。近年來，由于天星洲水道的新廠邊灘及天星洲洲體左緣崩岸持續發展，航道形勢較嚴峻，在2013年9月至2015年底實施的長江中游荊江河段航道整治工程昌門溪至熊家洲段工程（以下簡稱“荊江3.5m工程”）中對新廠邊灘進行了守護。

針對藕池口水道的礙航問題，于2010年10月至2012年4月實施了藕池口水道航道整治一期工程，包括左岸陀陽樹邊灘護灘帶、沙埠磯護岸，天星洲洲尾左緣的護岸、護灘，以及藕池口心灘左緣中段的護岸。由于一期工程對進口段左邊界控制尚不充分，在荊江3.5m工程中繼續對藕池口水道實施了陀陽樹邊灘守護、焦家碼頭護岸加固、天星洲左緣下段守護、倒口窯心灘守護工程等。

2000～2003年，在碾子灣水道先后實施了清淤應急工程及碾子灣水道航道整治工程，包括左右兩岸的丁壩、護灘帶及護岸等;在荊江3.5m工程中繼續對該水道實施了南碾子灣上段守護工程和左右兩岸的護岸加固工程等，由于工程位于該研究河段出口附近及下游，因此本文不考慮該水道的相關工程。

3 來水來沙變化

石首彎道段的水沙主要來自宜昌以上長江干支流，同時受藕池口分流的影響，該河段上下游的控制水文站分別為沙市站、監利站。本文分析藕池口分流分沙比變化時，為剔除松滋口、太平口及引江濟漢等分流分沙的影響，選取沙市站為基礎進行分析。

3.1 沙市站來水來沙變化

3.1.1 年際變化

經統計分析，三峽水庫蓄水前后沙市站水沙特征值如表1所示，1981～2018年的歷年徑流量及輸沙量如圖2所示。可以看出，三峽水庫蓄水運用以來，年徑流量較蓄水前多年平均值偏枯，減少約2.8%，但變化趨勢不明顯;年輸沙量大幅度減少，減少約89.9%，年均含沙量也明顯小于蓄水以前的多年平均值;多年均值中數粒徑有所粗化。

3.1.2 年內變化

三峽水庫蓄水前后年內月均徑流量、輸沙量如圖3所示。從圖3可以看出，三峽水庫蓄水后，干流各控制站的主要徑流量仍集中在5～10月，水位年內變化規律未有大的改變。但是受三峽水庫調度方式影響，特別是上游一些大中型水庫的陸續建成和運用的累積影響，6～10月徑流量較水庫蓄水前減小，枯水期1月至汛前5月月均徑流量有所增加。水庫蓄水后，年內各月月均輸沙量均明顯減小，5～11月減少較多，減幅達82%～92%，其中10月份減少幅度最大，主要由水庫蓄水及上游來水來沙減少所致。

3.2 藕池口分流分沙變化

近幾十年來，由于下荊江裁彎、葛洲壩和三峽工程興建等自然和人為因素的影響，導致藕池口分流洪道日益萎縮，分流分沙比減小[4]。以沙市站為參照，藕池口歷年分流分沙比變化如圖4所示。從圖4可以看出，近年來，藕池口年分流比呈緩慢減少趨勢，三峽水庫蓄水前后并未出現明顯變化;三峽水庫蓄水后，分沙比發生了變化，分沙比的年際間變幅有所增大;分流比較蓄水前有所減小，但蓄水以來的分流比變化趨勢不明顯。

4 工程實施后累積影響分析

4.1 近期石首彎道段沖淤變化

三峽水庫蓄水運用前，該河段整體表現為淤積，基于地形法計算石首彎道段（公2～荊99）河床沖淤量，1998年10月至2002年10月，該河段總體淤積量133萬m³，河床平均淤積厚度0.03m;三峽水庫蓄水運用后的2002～2016年，受三峽水庫清水下泄影響，該河段來沙大為減少，整體表現為沖刷，河床整體沖刷量5614萬m³，平均沖刷深度達-1.37m。三峽水庫蓄水以來的河床沖淤分布如圖5所示。可以看出，藕池口口門、陀陽樹至古長堤一帶淤積較明顯;天星洲左緣、倒口窯心灘左緣、向家洲邊灘頭部沖刷較明顯。

4.2 工程實施后運行效果分析

石首彎道段的護岸工程集中在20世紀7080年代至三峽水庫蓄水前實施，尤其是1998年大水后，對中游干流河道的崩岸進行了較為系統的整治，對穩定岸線、控制河勢并提高防洪能力起到重要作用。三峽水庫蓄水運用后，該河段實施的工程以航道整治工程為主。河段上游周天航道整治工程實施以后，限制了石首彎道上游長順直段中枯水期主流擺動幅度，主流沿天星洲左緣近岸河床而下，引起天星洲左緣崩塌，彎道上段主流線的趨中下行，沖刷切割倒口窯心灘、頂沖北門口下段，北門口下段（未護岸段）岸線的大幅崩塌，加速了頂沖點下移的進程。近年來，在該河段實施了一系列工程，如藕池口水道航道整治工程、倒口窯心灘守護工程、陀陽樹邊灘護灘帶守護工程、天星洲左緣下段守護工程及焦家碼頭護岸加固工程等，較好地抑制了過渡段中枯水時的水流分散，約束了水流，維護了河勢穩定;進一步穩定了藕池口水道的進口邊界;改善了陀陽樹邊灘TH5號護灘帶附近水流分散、航槽彎曲的現象，使上、下深槽銜接更加平順，增加了航寬。

目前，石首彎道段有大量的已建和在建的河道治理及航道整治工程。隨著這些工程的不斷完成，河岸的抗沖能力將得到增強，較大程度地抑制了近岸河床的橫向發展，有助于形成并穩定良好的灘槽格局及邊界，穩定河段河勢并改善航道條件。

4.3 水沙變化對工程的累積性影響

三峽水庫蓄水運用以來，石首彎道段的來水來沙條件發生了較大變化，大洪水流量被削減調平，洪水漫灘的水情概率變小，進口含沙量也急劇減少，河段處于強沖刷狀態。近年來，通過大量工程的治理守護，河岸線得到了初步控制，但受年際來水來沙條件的影響，局部河段深泓擺動和沖淤變化較為明顯，使部分護岸工程段及緊鄰下游的未護岸段出現了一定的滑挫崩岸現象。該河段順直段主流向左岸擺動，貼岸沖刷茅林口至古丈堤沿線近岸河床，引起該堤段岸線出現崩塌現象;天星洲洲體淤長，藕池口口門河床淤積抬高、過流條件惡化;古丈堤至向家洲段主流位于左側下行，向家洲持續崩退，深泓左移;北門口彎道頂沖點下移，北門口彎道上深槽淤積消失、下深槽嚴重沖刷并向下游發展，北門口已護工程段（中下段）出現多處崩岸險情，已護工程段下游的未護岸段岸線大幅度崩塌;隨著北門口段彎道頂沖點大幅度下移，魚尾洲段的護岸工程段脫流、近岸河床淤積以及北碾子灣的頂沖點因北門口貼流段的延長而下移，導致北碾子灣岸線的不斷崩退（見圖6）。

該河道已實施的護岸工程，多采用基于沖淤交替河道的傳統護岸技術，且大部分建于三峽水庫蓄水前，設計中基本未考慮三峽工程運用后對壩下游河段沖刷的影響[2]，更未考慮上游控制性水庫運用后的影響。隨著三峽水庫蓄水運用和上游控制性水庫的陸續建設以及水土保持工程的陸續實施，該河段已經并將在相當長時間內繼續沖刷調整，局部護岸段近岸河床大幅沖深，已有護岸工程難以適應新形勢下的河床變形，不斷出現崩塌沖失。此外，近岸河床出現較大沖刷后，水深增加，傳統護岸工程的施工難度較之前更大，質量控制較之前更難，在這樣大幅度沖刷條件下，護岸工程的穩定性和有效性也都大大降低。

5 石首彎道段河道演變趨勢

5.1 沖淤變化預測

長江科學院采用1991～2000年系列年，綜合考慮上游干支流水庫建庫調蓄的影響[5]，進行了長江上游水庫泥沙淤積計算及宜昌至大通一維水沙數學模型計算，為石首彎道段實體模型試驗提供進出口邊界條件。實體模型采用2016年11月地形作為初始地形，預測第巧年末沖淤情況（三峽運用第30年末）。

根據模型試驗結果，第5年末，該河段25m高程以下沖刷-2340萬m³，平均沖深0.48m;模型運行至第10年末，該河段沖刷1693萬m³，平均沖深0.35m;模型運行至第15年末，該河段整體沖刷946萬m³，平均沖深0.19m。可以看出，該河段仍以沖刷為主，且整個試驗河段沖刷幅度較大。但隨著時間推移，模型各個河段沖刷量均呈現逐漸減少的趨勢，其中在第10年末至第巧年末整個試驗河段的沖刷量為946萬m³，僅為15a總沖刷量（4979萬m³）的19%，說明在以上水沙系列作用下，河床地形沖刷幅度逐漸減小。

5.2 河道演變趨勢預測

動床模型試驗結果表明，至第巧年末，試驗河段整體沖刷下切幅度較大，但隨著時間推移，試驗河段沖淤幅度趨于變緩。在該河段大量護岸及航道整治工程的作用下，灘槽位置相對穩定，主流線及深泓位置整體變動不大，總體河勢未發生大的變化，但在局部河段（過渡段等）河勢調整較為劇烈。天星洲左緣、向家洲首部至北門口及張城垸一帶、北碾子灣等位置深槽有變寬延長沖深的趨勢。通過模型試驗發現，該河段存在的問題包括：天星洲左緣有所崩退;向家洲上游焦家鋪一帶陀陽樹邊灘盡管建設了一系列護灘帶，但該處深泓貼岸，主流頂沖向家洲邊灘首部，仍存在著切灘撇彎趨勢;藕池口心灘尾端至北門口一帶深泓貼岸，藕池口心灘尾端高灘不斷崩退，不利于河勢穩定;彎道處主流曲率半徑過小，使北碾子灣一帶持續沖刷崩退;藕池口口門上游分流道不斷淤長，可能對藕池口分流造成影響。

6 結論和建議

石首彎道段河道形態較為復雜，多年來河床演變較為劇烈。目前實施了大量的河道治理及航道整治工程，岸線穩定性及航道條件得到了增強和改善。三峽水庫蓄水以來，壩下荊江河段來沙劇減，石首彎道段也出現了大幅沖刷下切，在一系列河道治理及航道整治工程的作用下，該河段河勢基本穩定，但局部河段深泓擺動和沖淤變化較為明顯。隨著三峽水庫及上游干支流水庫群不斷建成和運用的影響，該河段河勢仍將持續調整。動床模型試驗結果表明，至第巧年末，試驗河段整體沖刷下切幅度較大，但隨著時間推移，試驗河段沖淤演變幅度趨于變緩。然而，河道近岸河床的不斷沖刷下切，已有工程難以適應新形勢下的河床變形，不斷出現崩塌沖失，對現有堤防、河勢控制工程、護岸工程和航道整治工程等的防洪安全以及涉水工程與航運等帶來新的問題。因此，需要在以往研究的基礎上，針對三峽工程和上游控制性水庫的陸續建成運用后面臨的新形勢、新問題，抓緊深入研究三峽水庫及上游控制性水庫運用初期長江中下游重點河段河勢變化與綜合治理方案等重大技術問題。

參考文獻：

[1]盧金友，姚仕明，黎禮剛，等.石首彎道段整治研究[C]//長江中游藕池口水道綜合治理學術研討會交流材料.武漢：長江科學院，2007.

[2]姚仕明，何廣水，盧金友.三峽工程蓄水運用以來荊江河段河岸穩定性初步研究[J].泥沙研究，2009（6）：24-29

[3]長江科學院.荊江河段河勢變化分析及河勢控制措施研究[R].武漢：長江科學院，2013.

[4]渠庚，劉心愿，郭小虎，等.三峽工程運用前后藕池口分流分沙變化規律分析[J]，水利學報，2013，44（9）：1099-1106.

[5]長江科學院.三峽工程運用后重點河段河勢變化及治理對策研究[R].武漢：長江科學院，2019.

（編輯：李慧）

收稿日期：2019-10-31

基金項目：國家重點研發計劃項目（2016YFC0402300）

作者簡介：劉心愿，男，高級工程師，博士，主要從事水庫調度及江湖演變與治理研究工作。E-mail：wishesliu@126.com