湘江株洲與長(zhǎng)沙樞紐共同影響下的壩間航道整治數(shù)值分析

官志鑫，田紅偉，劉學(xué)著，劉博雅

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，長(zhǎng)沙 410200)

湘江是湖南“一江一湖四水”水運(yùn)網(wǎng)布局中的重要航道，已成為湖南對(duì)接長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶的“黃金水道”。株洲航電樞紐壩下至株洲一橋的湘江河道屬于長(zhǎng)沙綜合樞紐的庫(kù)區(qū)尾段，在長(zhǎng)沙綜合樞紐建成蓄水及湘江2 000 t級(jí)航道建設(shè)一期工程實(shí)施后，該河段航道條件有較大改善。但由于長(zhǎng)沙綜合樞紐尚未按正常蓄水位29.8 m蓄水，造成株洲航電樞紐壩下至今仍有淥口、辰洲、錯(cuò)石和蘿卜洲四個(gè)灘險(xiǎn)，由于存在航道水深不足的問(wèn)題，該段航道已成為湘江高等級(jí)航道的“卡口”，為此需開(kāi)展株洲航電樞紐與湘江長(zhǎng)沙綜合樞紐共同影響下的壩間航道整治工程研究工作。

針對(duì)整治工程效果分析，許多學(xué)者開(kāi)展了大量的研究工作[1-2]。賈華杰[3]等針對(duì)三峽—葛洲壩兩壩間水田角河段水文特性、礙航特性及灘險(xiǎn)成因，開(kāi)展航道整治措施研究；馮小香[4]等開(kāi)展三峽兩壩間水田角河段航道整治三維水流數(shù)學(xué)模型應(yīng)用研究；王建軍[5]等在河道演變分析基礎(chǔ)上運(yùn)用數(shù)學(xué)模型對(duì)韓江高陂樞紐至東山樞紐段河床演變及治理效果開(kāi)展研究；金輝[6]等開(kāi)展湘江營(yíng)田灘河段2 000 t級(jí)航道整治工程效果數(shù)值模擬研究工作；楊明遠(yuǎn)[7-8]等運(yùn)用二維數(shù)學(xué)模型開(kāi)展了整治河段通航水流條件分析。因此本文利用數(shù)學(xué)模型開(kāi)展株洲與長(zhǎng)沙樞紐共同影響下的壩間航道整治工程效果研究。

1 數(shù)學(xué)模型的建立

株洲樞紐下游引航道-株洲一橋航道整治工程以丁壩和挖槽為主，擬通過(guò)疏浚工程浚深拓寬航槽，筑壩束窄河床、調(diào)整局部河段比降，改善航道水深條件。為較好地描述丁壩、挖槽等整治工程，研究基于笛卡爾坐標(biāo)系，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格全河段建立二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型[5-6]。水流連續(xù)方程為

(1)

x方向運(yùn)動(dòng)方程為

(2)

y方向運(yùn)動(dòng)方程為

(3)

控制方程離散方法采用有限體積法，模型采用非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格，最大網(wǎng)格長(zhǎng)度約為100 m，對(duì)丁壩、挖槽附近網(wǎng)格進(jìn)行局部加密處理，最小網(wǎng)格長(zhǎng)度約為1.0 m，計(jì)算域內(nèi)共布置35 416個(gè)網(wǎng)格。數(shù)學(xué)模型進(jìn)口位于株洲航電樞紐，將株洲航電樞紐的下泄流量作為入口邊界條件，出口位于湘江長(zhǎng)沙綜合樞紐，以湘江長(zhǎng)沙綜合樞紐的壩前水位作為出口邊界條件，模擬河段長(zhǎng)度約135 km。

2 數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證

由于研究的重點(diǎn)主要是枯水期，因而采用枯水流量500 m3/s下的同步瞬時(shí)水位實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證。表1給出500 m3/s流量下的瞬時(shí)水位驗(yàn)證情況。通過(guò)比較模擬水位和實(shí)測(cè)水位數(shù)據(jù)，可以看出模型與原型實(shí)測(cè)水位吻合良好，誤差均小于±0.1 m，表明數(shù)學(xué)模型計(jì)算水面線與原型水面線吻合較好，符合相關(guān)規(guī)范要求。

表1 水位計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Tab.1 Comparison of water level numerical results and measured results

3 水文分析

長(zhǎng)沙、湘潭、株洲、株洲樞紐壩下等水文測(cè)站與長(zhǎng)沙樞紐壩上的距離分別是26 km、72 km、108 km和132 km。圖1分別給出2016年、2014～2016年株洲航電樞紐每日下泄流量平均值統(tǒng)計(jì)情況。可以看出2014～2016年，株洲航電樞紐每日下泄流量小于330 m3/s的天數(shù)為5 d，占比0.46%；下泄流量小于470 m3/s的天數(shù)為66 d，占比6%。2016年，無(wú)下泄流量小于470 m3/s的天數(shù)。可見(jiàn)下泄流量470 m3/s趨于平穩(wěn)。

1-a 2016年 1-b 2014～2016年圖1 株洲樞紐每日下泄流量平均值統(tǒng)計(jì)情況Fig.1 The average daily discharge statistics of Zhuzhou navigation junction

2013～2016年初由于湘江長(zhǎng)沙綜合樞紐蔡家洲砂石翻壩工程上游碼頭施工，樞紐水位因施工需要降低，造成2013～2015年長(zhǎng)沙樞紐壩前水位偏低，因此按照2016年以后的長(zhǎng)沙樞紐壩前水位進(jìn)行分析更為合理。圖2為2016年全年、2017年1～7月長(zhǎng)沙樞紐壩前水位每日8時(shí)的實(shí)測(cè)值統(tǒng)計(jì)情況。可以看出2016 年，長(zhǎng)沙樞紐壩前水位為27.70 m的天數(shù)為2 d，占比0.55%；長(zhǎng)沙樞紐壩前水位小于28.0 m的天數(shù)為40 d，占比10.96%；壩前水位小于28.20 m的天數(shù)為47 d，占比12.88%。2017年1～7月(212 d)長(zhǎng)沙樞紐壩前水位小于28.0 m的天數(shù)為1 d，占比0.47%；壩前水位小于28.20 m的天數(shù)為12 d，占比5.66%。8月以后水位資料暫未收集，但根據(jù)往年水位情況可知8～10月水位相對(duì)較高，枯水期11～12月情況還需根據(jù)進(jìn)一步實(shí)測(cè)后進(jìn)行分析。根據(jù)目前資料分析，長(zhǎng)沙樞紐壩前水位有抬升趨勢(shì)，2017年未出現(xiàn)27.7 m低水位，且低于28.2 m水位天數(shù)逐漸減少。

2-a 2016年全年 2-b 2017年1～7月圖2 長(zhǎng)沙樞紐壩前水位每日8時(shí)的實(shí)測(cè)值統(tǒng)計(jì)情況Fig.2 Water level in front of the dam at 8 o′clock daily in Changsha navigation junction

根據(jù)河道實(shí)際情況，整治河段下游端臨近株洲水文站，而最低通航水位受下游135 km處長(zhǎng)沙綜合樞紐壩前水位控制。為合理確定最低通航水位，從株洲水文站、長(zhǎng)沙樞紐壩前低水位兩個(gè)角度進(jìn)行分析。通過(guò)分析2013年以來(lái)株洲站水位資料，分別按2013～2016、2014～2016、2015～2016、2016年4個(gè)系列計(jì)算歷時(shí)保證率水位(表2)。可以看出，株洲站水位有抬升趨勢(shì)，2016年最低為28.2 m。

表2 株洲水文站2013～2016年水位保證率分析Tab.2 Analysis on water level assurance rate of Zhuzhou hydrological station from 2013 to 2016 m

從水文分析結(jié)果而言，壩前水位有抬升趨勢(shì)，2016年最低27.7 m。2017年抬升明顯，壩前水位小于28.20 m的天數(shù)為12 d，占比5.66%。根據(jù)目前資料分析，2017年未出現(xiàn)27.7 m低水位，且低于28.2 m水位天數(shù)逐漸減少(表3)。蔡家洲砂石翻壩工程竣工后，近2 a長(zhǎng)沙樞紐壩前水位趨于穩(wěn)定，且28.2 m水位為大壩浮式攔污排最低控制水位，較為可靠。

表3 長(zhǎng)沙樞紐壩前2016～2017年低水位天數(shù)分析Tab.3 Analysis of days of low water level in front of Changsha navigation junction from 2016 to 2017

由于本工程主要針對(duì)株洲樞紐至株洲一橋段航道因長(zhǎng)沙樞紐無(wú)法正常蓄水引起的礙航問(wèn)題進(jìn)行航道整治。因而設(shè)計(jì)水位取值應(yīng)符合上下游現(xiàn)狀條件。綜述以上分析，河段上下游設(shè)計(jì)邊界條件取值為：株洲樞紐下泄流量470 m3/s，長(zhǎng)沙綜合樞紐壩前控制水位取28.20 m。

圖3-a給出長(zhǎng)沙樞紐壩前水位控制在27.70 m，株洲航電樞紐以330～1 050 m3/s下泄時(shí)，整治工程實(shí)施前株洲航電樞紐壩下河道水位數(shù)值模擬結(jié)果。圖3-b給出株洲航電樞紐以330 m3/s的基礎(chǔ)流量下泄，長(zhǎng)沙樞紐壩前水位在27.70～29.20 m范圍內(nèi)變化時(shí)，整治工程實(shí)施前的株洲航電樞紐壩下河道水位數(shù)值模擬結(jié)果。可以看出，株洲樞紐下泄流量的增加，對(duì)提升淥口灘水位的效果最為明顯，辰州灘和錯(cuò)石灘次之，蘿卜洲灘效果較差；長(zhǎng)沙樞紐壩前水位的提升，對(duì)提升蘿卜洲灘水位的效果最為明顯，錯(cuò)石灘和辰州灘次之，淥口灘效果較差。

圖3 航道整治工程實(shí)施前河道水位模擬結(jié)果Fig.3 Numerical simulation of water level before the implementation of channel regulation

4 工程方案

利用數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到，整治河段在上述邊界條件下，株洲一橋處略有回水，水位為28.29 m，逐漸回水至株洲樞紐下游口門(mén)區(qū)處水位為29.29 m(表4、表5)。

表4 設(shè)計(jì)最低通航水位Tab.4 Designed lowest navigable water level

航道等級(jí)為內(nèi)河Ⅱ級(jí)航道，設(shè)計(jì)代表船型為2 000 t級(jí)貨船，船型尺度為90.0 m×14.8 m×2.6 m(總長(zhǎng)×寬×設(shè)計(jì)吃水)。原航道設(shè)計(jì)尺度為2.8 m×90 m×550 m(水深×雙向航寬×彎曲半徑)；考慮到株洲一橋右通航孔巖面較淺，大面積炸礁對(duì)橋梁安全不利，航道管理部門(mén)確定按“先通后暢”原則確保2 000 t級(jí)船舶通行，株洲一橋按單向通航標(biāo)準(zhǔn)，橋區(qū)河段約1 km航道尺度為2.8 m×45 m×550 m(水深×單向航寬×彎曲半徑)，同時(shí)在橋區(qū)下游附近設(shè)置避讓區(qū)，解決橋區(qū)會(huì)船問(wèn)題。按此方案，株洲一橋橋下可避免炸礁，確保了橋梁運(yùn)行安全，辰洲灘、錯(cuò)石灘、蘿卜洲灘需開(kāi)展航道整治。

如圖4所示，辰州灘位于淥水河口下游約5 km，樁號(hào)K124～K130，共有兩處水深不足礙航點(diǎn)，工程主要布置挖槽，上段位于淥水河口下游約1 km右岸，挖槽長(zhǎng)度約400 m，下段位于已有丁壩段，挖槽長(zhǎng)度約1 km。

表5 各灘設(shè)計(jì)水位Tab.5 Design water level of each shoal

圖4 辰州灘航道整治工程平面布置 圖5 錯(cuò)石灘航道整治工程平面布置Fig.4 Layout of waterway regulation in Chenzhou Shoal Fig.5 Layout of waterway regulation in Cuoshi Shoal

如圖5所示，錯(cuò)石灘位于辰州灘下游約3 km，樁號(hào)K114～K124，為了束窄該灘枯水河槽，按整治線寬度360 m在兩側(cè)布置整治建筑物，其中左岸2座，右岸3座，上游采用2組對(duì)口丁壩以抬高水位，調(diào)整河段水面比降，與水流正交；下游右岸多布置1座丁壩以適應(yīng)寬淺微彎河道，調(diào)順?biāo)鳌?/p>

如圖6所示，蘿卜洲灘位于株洲一橋上游，樁號(hào)K111～K114，礁石分布右岸多于左岸。方案利用左側(cè)通航孔單向通航，布置挖槽將航道疏通，總長(zhǎng)度約600 m。

圖6 蘿卜洲灘航道整治工程平面布置Fig.6 Layout of waterway regulation in Luobuzhou Shoal

5 結(jié)果分析與討論

5.1 工程效果分析

圖7和圖8分別給出株洲樞紐按照470 m3/s流量下泄，長(zhǎng)沙樞紐壩前水位控制在28.20 m，整治方案實(shí)施前后株洲航電樞紐壩下河段沿程水位變化和河道水深情況。可以看出淥口灘、辰州灘、錯(cuò)石灘、蘿卜洲河段內(nèi)航槽水深均滿足相應(yīng)的設(shè)計(jì)航深要求。其中，蘿卜洲灘河段整治工程實(shí)施后水位基本無(wú)變化，水深達(dá)2.8 m。錯(cuò)石灘河段水位稍有抬升，水位平均壅高0.73 cm，航槽最小水深達(dá)2.9 m，辰州灘河段實(shí)施后水位有所降落，水位平均降落1.6 cm，航槽最小水深達(dá)3 m，流速明顯下降。淥口灘河段實(shí)施后水位有所降落，水位平均降落5.9 cm，航槽最小水深達(dá)2.9 m。株洲航電樞紐下游口門(mén)區(qū)實(shí)施后水位在29.29 m以上。因此雖然航道整治工程的實(shí)施造成了水位的略微下降，同時(shí)使得河道比降變緩，但變化幅度均非常小，影響有限。

注：株洲樞紐下泄流量470 m3/s，長(zhǎng)沙樞紐壩上水位28.2 m。 注：株洲樞紐流量470 m3/s，長(zhǎng)沙樞紐壩上水位28.2 m。圖7 工程前后沿程水位變化情況 圖8 整治工程實(shí)施后河道水深Fig.7 Water level changes along the front and back of the project Fig.8 Water depth of river after the project

同時(shí)，計(jì)算結(jié)果表明當(dāng)株洲樞紐按照470 m3/s流量下泄，長(zhǎng)沙樞紐壩前水位控制在28.20 m時(shí)，株洲壩下河段航槽平均流速為0.27 m/s。航道整治工程實(shí)施后，除錯(cuò)石灘外，沿程流速變化均不大。由于錯(cuò)石灘按整治線寬度360 m在兩側(cè)增設(shè)了丁壩，造成局部流速的略微增大，航槽內(nèi)流速平均增加0.01 m/s，影響也較小。

因此，株洲航電樞紐-株洲一橋河段航道整治工程航道采取疏挖和筑壩工程整治后，整治方案對(duì)上游河段有一定的雍水作用，整體水面比降有所趨緩，對(duì)解決枯水期通航水深不足問(wèn)題有明顯作用，可以達(dá)到通航2 000 t級(jí)船舶預(yù)期。

5.2 株洲樞紐壩下淥口灘原丁壩拆除討論

在進(jìn)行航道整治方案設(shè)計(jì)時(shí)，考慮是否拆除淥口灘原丁壩，拆除后選址作為株洲航電樞紐的待閘錨地。圖9給出淥口灘拆除丁壩前后沿程水位變化數(shù)值模擬結(jié)果。考慮最不利情況，株洲航電樞紐以330 m3/s的基礎(chǔ)流量下泄，長(zhǎng)沙樞紐壩前水位控制在28.20 m時(shí)，由于淥口灘丁壩的拆除，造成淥口灘以上河道水位的下降，拆除后水位降約4.1 cm。研究發(fā)現(xiàn)現(xiàn)階段枯水期株洲航電樞紐壩下至淥口灘水面坡降較大，淥口灘丁壩的壅水效果較為明顯，考慮到淥口灘本身通航水深的不足，因此建議現(xiàn)階段保留淥口灘丁壩。淥口灘丁壩位置可作為備用錨地，等長(zhǎng)沙樞紐能正常蓄水至29.80 m時(shí)，再拆除淥口灘丁壩。

圖9 淥口灘拆除丁壩前后沿程水位變化數(shù)值模擬結(jié)果Fig.9 Water level changes before and after removing of Lukoutan dike

6 結(jié)論

本文采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，建立了株洲樞紐下游引航道-株洲一橋航道整治工程所在河段二維水流數(shù)學(xué)模型，開(kāi)展株洲與長(zhǎng)沙樞紐共同影響下的壩間航道整治工程分析工作，得到如下主要結(jié)論：

(1)株洲樞紐下游引航道-株洲一橋段航道的通航水深與株洲航電樞紐下泄流量、湘江長(zhǎng)沙綜合樞紐壩前蓄水位有直接關(guān)系。株洲樞紐下泄流量的增加，對(duì)提升淥口灘水位的效果最為明顯，蘿卜洲灘效果較差；長(zhǎng)沙樞紐壩前水位的提升，對(duì)提升蘿卜洲灘水位的效果最為明顯，淥口灘效果較差。

(2)航道整治工程實(shí)施后，淥口灘、辰州灘、錯(cuò)石灘、蘿卜洲河段內(nèi)航槽水深均能滿足相應(yīng)的設(shè)計(jì)航深要求。

(3)按“保通”的思路確定株洲一橋?yàn)閱蜗蛲ê綐?biāo)準(zhǔn)，通過(guò)在橋區(qū)下游設(shè)置避讓區(qū)，避免了株洲一橋橋下炸礁，不僅確保了橋梁運(yùn)行安全，同時(shí)滿足了通行2 000 t級(jí)船舶要求。

(4)淥口灘丁壩的拆除會(huì)造成淥口灘以上河道水位的下降，建議保留淥口灘丁壩。

(5)鑒于本段航道整治工程以炸礁為主、筑壩為輔，建議實(shí)施過(guò)程中與相關(guān)部門(mén)協(xié)商，可適當(dāng)增加株洲航電樞紐下泄流量或適當(dāng)提高湘江長(zhǎng)沙綜合樞紐壩前蓄水位，不僅有利于減少工程投資，還可以確保工程實(shí)施后河段達(dá)到預(yù)期通航要求。

(6)兩壩間航道整治工程方案布置時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮上游梯級(jí)泄流流量和下游梯級(jí)運(yùn)行水位，合理確定通航水位保證率，同時(shí)還應(yīng)統(tǒng)籌考慮沿線橋梁、整治建筑物等關(guān)鍵要素對(duì)通航的影響。