劍潭—橫瀝河段航道升級措施及模型試驗

卿 云，張緒進，劉亞輝，張春澤，謝春航

(1.重慶交通大學 河海學院，重慶 400074；2.重慶西科水運工程咨詢中心，重慶 400016；3.重慶西南水運工程科學研究所，重慶 400016)

1 工程概況

劍潭—橫瀝河段航道擴能工程是東江河源—石龍航道擴能升級工程的重要部分，原航道等級為VI 級，須升級改造為III級航道。按照標準要求，除少數挖沙河段外，該航段水深嚴重不足，涉及灘險數量多、分布密集、持續距離長，采取挖槽與筑壩的整治措施勢必對相鄰河段的水位、流速和流態等造成較大影響。此外，多年來東江人為采沙活動頻繁，采沙河段多、采沙量和范圍大，引起河床泥沙沖淤和河段水文變化大，河床沖淤變化大，沿程水位逐年顯著降低。同時，東江又是港深地區和沿江兩岸城鎮的重要水源地，并具有汛期防洪要求。因此，該項工程影響因素眾多，技術復雜。

本文通過分析河段特點與灘險礙航特征，總結河段的整治難點，結合淺灘整治的一般原則與河段整治整體優化的原則，提出該河段的整治原則與整治措施，并開展了定床模型試驗與水流泥沙動床模型試驗，分析整治后航道沿程水位、比降、流速的變化，明確航道泥沙的沖淤量，研究航槽穩定性，分析改造措施的合理性。

2 改造措施

2.1 礙航特征分析

該河段包含了蘆洲、秀嶺、沙梨園、鵝塘洲、瘦狗龍、嶺下、鐵冶派和墨園8個沙質淺灘段[1-2]，如圖1所示。蘆洲淺灘段河道較窄、水流緩慢、河底出淺、深淺交替，河段最淺處水深僅為0.7 m，丁壩壩頭附近的河床多有沖刷。秀嶺淺灘緊鄰蘆洲淺灘，河道微彎，河寬較大，右岸有長丁壩形成的邊灘。沙梨園淺段由兩個反向彎道組成，轉向近180°，彎曲半徑僅400 m，河槽較窄，局部有斷續深槽，江中有沙梗。鵝塘洲淺灘段走勢總體較順直，寬窄有一定變化，江心有鵝塘洲，江心洲周邊建有防洪堤壩。瘦狗龍淺灘段較順直，人工采沙活動頻繁，左岸壩田泥沙幾乎被開采殆盡，整個河槽床面顯著降低。嶺下淺灘段位于上下兩個反向彎道的過渡段上，上彎道向右轉向，主槽沿左岸分布，右岸邊灘發育，出彎后河面漸寬，河床相應變淺。鐵冶派淺灘段位于向左轉向的彎道上，邊灘發育。墨園淺灘段總體較順直，下段局部微彎，自上而下逐漸展寬，右岸邊灘寬闊，河槽、邊灘沖淤變化較大。8個淺灘的主要問題是水淺、航深不足，而沙梨園淺灘則存在航道過于彎曲、曲率半徑小，淺灘類別、河段河床累積沖刷量等見表1。

圖1 劍潭—橫瀝河段淺灘分布及河勢

表1 河段灘險情況

2.2 整治難點

該河道的特點可以概況為河勢彎曲、寬窄相間、槽窄水淺、淺灘數量多、淺段長、淺區首尾相接、灘性各異、輸沙能力有限、人為采沙活動嚴重，工程整體性高與河段的聯動效應強。該河段相對于單一淺灘的整治工程[3-5]而言，改造難度較大[6-7]。因各淺灘之間相互制約，整治存在相互聯動效應，形成淺灘群[8]，整治措施應上下兼顧、整體規劃、統籌考慮[9]。同時，沙梨園淺灘不僅河道水淺、河槽狹窄，并且河道彎曲、曲率半徑較小，形成了險灘，具有淺險的礙航特性，整治難度更大[10]。

2.3 整治原則

針對研究河段淺灘連片的現狀、灘險成因分析，結合航道建設目標，考慮特長淺灘整治的難點，提出在遵循一般沙質淺灘整治原則的基礎上，采取“疏浚為主，整疏結合、控制河勢，穩定航槽”整治原則。

1)疏浚為主：研究河段受人類活動影響，特別是大量無序采沙對河道生態環境的破壞，造成該河段水位大幅下降，水深明顯減小，原有分散的淺灘已上下連成一片，航道條件嚴重惡化，必須首先采取基建性措施進行疏浚，挖出符合設計要求的Ⅲ級航道。

2)整疏結合：特長淺灘整治效果的穩定更需要系統地與整治建筑物配合，通過筑壩工程調節水流，束水攻沙，從而維持航槽的穩定。該航段曾歷經整治，基本形成了較合理的中枯水航槽走向及平順、微彎的平面輪廓，以此為基礎，對已有整治建筑物布置進行適當調整、補充和完善。

3)控制河勢：河勢穩定是航槽穩定的基礎。研究河段為平原性河流，沙質河床，沖淤變化較明顯。經過社會各方的多年治理，沿河兩岸堤防已較完善，河道節點受到保護，該河段河勢總體基本穩定，在此基礎上還應加強對薄弱環節的保護。

4)穩定航槽：減小泥沙回淤，維持航槽穩定是航道整治工程的基本要求。受多種因素的影響，特長淺區疏浚航槽的沖淤變化相對復雜，整治難度大，可借鑒的經驗不多。

2.4 整治措施

2.4.1整體措施

整治線走向應充分利用主導河岸和控制節點，順應河勢。航槽軸線沿深泓布置，并盡可能與原航槽保持基本一致，在急彎段適當裁彎以滿足最小彎曲半徑要求，或按規范要求適當拓寬急彎段航寬；在分汊河段選擇穩定的主汊作為航槽。整治工程布置盡可能利用已有整治建筑物，對整治線寬度不滿足要求的，將原有丁壩適當調整，其高度按整治水位確定，在須建丁壩的寬淺段或航槽調整的局部河段，應根據河道特征適當新增丁壩，以利航槽的穩定。

針對淺段連續挖槽引起的沿程水位降落和水流歸槽造成的航槽水陡流急現象以及河床沖淤造成的航槽穩定性問題，采取以下應對措施：

1)為確保整治后航槽水深滿足設計要求，應根據沿程水位降落情況，從下游向上游逐漸增大挖槽深度。

2)在水流歸槽、流速較大的河段，挖槽應采用復式斷面形式(圖2)開挖，即在挖深航槽的同時適當降低邊灘高程，擴大過水斷面，減小航槽流速，調整流速分布，改善通航水流條件；擬在鵝塘洲及其以上淺段采取復式斷面形式進行挖槽，可增大過流寬度和過流斷面面積，調整橫向流速分布，減小航槽流速，從而達到改善通航條件的目的。

3)充分利用原有丁壩，采用兩級整治(原有丁壩多在設計水位上3 m左右，可視為一級，丁壩待加長部分壩高按設計水位以上1.2 m考慮)，以增強對中枯水河勢的控制能力，在穩定航槽的同時，減小筑壩工程量。

圖2 整治方案典型斷面(單位：m)

2.4.2各灘段具體措施

部分典型河段試驗整治措施如圖3所示。

各淺灘河段具體的整治措施如下：

1)蘆洲淺灘河段采用復式斷面挖槽形式，疏浚淺段長約4.9 km，疏浚航槽寬60 m，邊灘寬0～30 m；左右岸已建有39座丁壩(不含右岸護岸短丁壩)，適當加長25座丁壩，另再新建10座丁壩。

2)秀嶺淺灘河段采用復式斷面挖槽形式，須疏浚淺段長度約3.0 km疏浚航槽寬60 m，邊灘寬10～30 m；利用左岸原有11座丁壩；右岸下段原有4座丁壩(不含護岸短丁壩)，擬在上段新建9座丁壩，在中、下段加長2座原有丁壩，另拆除2座。

3)沙梨園淺灘河段采用復式斷面挖槽形式，須疏浚淺段長度約3.0 km，疏浚航槽寬60～66 m，其中上彎頂段航槽寬度逐漸增大至66 m，疏浚邊灘寬10～44 m。利用上彎段左岸原有14座丁壩，在其下游的凸岸邊灘新建8座丁壩；右岸原有7座丁壩，延長上游的3座丁壩，再新建1座長順壩，以調順水流；在下彎段，左岸原有8座丁壩，壩長均較短，因此加長其中1座，再新建6座，右岸原未布置有丁壩，擬增建12座丁壩。

4)鵝塘洲淺灘河段采用復式斷面挖槽形式，須疏浚淺段長度約4.7 km，疏浚航槽寬60 m，邊灘寬10～40 m；在原有丁壩基礎上，新增4座丁壩(主槽左岸)，上游右岸新增2座丁壩；在中下部主槽左岸新增10座丁壩，右岸新建1座、加長2座丁壩；在下游左岸新增5座丁壩、加長7座丁壩，右岸加長3座丁壩。

5)瘦狗龍淺灘河段采用梯形挖槽斷面形式，須疏浚淺段長度約3.0 km，疏浚寬度60 m；該河段右岸原有15座丁壩，左岸原有10座丁壩，全部利用，并在左、右岸分別新增1、2處丁壩，原有丁壩長度不足的適當加長(共14座)。

6)嶺下淺灘河段采用單一航槽斷面形式，須疏浚淺段長度約1.8 km，疏浚航槽寬60 m；在右岸新增9座丁壩。

7)鐵冶派淺灘河段采用單一航槽斷面形式，須疏浚淺段長度約2.2 km，疏浚航槽寬60 m；利用河段右岸原有3座丁壩；左岸原有5座丁壩，加長其中的4座，并在上段新增1座，下段新增2座丁壩。

8)墨園淺灘段用單一航槽斷面形式，須疏浚淺段長度約2.7 km，疏浚航槽寬60 m；在右岸邊灘新建9座丁壩，并在左岸彎段處新布置5座丁壩。

圖3 部分典型河段整治措施

3 模型概況

選定模型的平面比尺λL=100、垂直比尺λH=60，模型變率η=1.67。模型按照重力相似和阻力相似準則進行設計，確定流速比尺λv=7.75、比降比尺λJ=0.60、糙率比尺λn=1.53、水流運動時間比尺λt1=12.91、流量比尺λQ=46 475.8。試驗段模型雷諾數Re> 1 000，表明模型水流處于阻力平方區，屬紊流狀態，與天然水流結構相似。模型最小水深大于2 cm，滿足模型水流不受表面張力影響的要求。

本文涉及的定床與動床模型試驗，動床模型試驗重點考慮模擬沙質推移質泥沙運動，并兼顧懸移質造床部分泥沙，須滿足推移泥沙起動相似、輸沙率相似和沖淤時間比尺相似，確定起動流速比尺λvc=7.75。

模型平面誤差在±0.5 cm以內，高程誤差在±1.0 mm以內，符合幾何相似要求。根據原型實測資料對模型水面線、表面流速、流向、分流比等進行了驗證試驗，精度符合JTJT 232—1998《內河航道與港口水流泥沙模擬技術規程》的要求，可在此基礎上進行工程前后水流條件及整治方案的試驗研究。

4 試驗分析

4.1 現狀條件下的水流特性

現狀條件下的水流特性試驗表明：河段具有顯著的平原河流特性，全河段水流平緩，流速、比降較小，流態良好。設計流量時航槽流速多在1.0 ms左右，比降在0.2‰左右，除急彎段(沙梨園淺段)存在掃彎斜流外，其余河段水流平順，無明顯礙航流態，水流條件總體較好。該河段的主要問題是受人類活動影響顯著(尤其是過量、無序采沙對航道條件的嚴重破壞)，造成水位大幅下降，航深明顯減小，淺灘上下相連，航道尺度遠不能滿足Ⅲ級航道要求。

4.2 定床試驗

整治后，設計流量時，全河段水位降幅范圍為0～1.3 m，最大降幅發生在沙梨園河段下彎道下段，上游的檳榔潭河段水位降低了0.8 m。整治流量時，全河段水位降幅范圍為0～0.87 m，最大降幅均發生在鵝塘洲河段，上游的檳榔潭河段水位分別降低了0.49 m。中洪水流量時，沿程水位變化范圍為-0.44～0.34 m，最大降幅發生在沙梨園下彎道，最大漲幅發生在嶺下—鐵冶派河段，上游的檳榔潭河段水位降低了0.03 m，如圖4所示(含動床試驗結果)。

圖4 沿程水位

各淺灘大部分河段中、枯水期水流動力軸線與挖槽走向基本一致，順直段主流方向與挖槽軸線夾角較小，整治流量時，航槽流速均大于泥沙止動流速，絕大多數河段的航槽流速較整治前有所增大，有利于減少泥沙回淤，維持航槽的基本穩定。但在蘆洲淺灘下段、秀嶺淺灘上段，沙梨園淺灘上彎道至下彎道段及鐵冶派淺灘段因河勢導致挖槽軸線與主流夾角較大，存在泥沙回淤的可能。

4.3 動床試驗

按照豐水—中水—枯水年(2008—2014—2009年)組合順序循環施放，一個循環后暫停放水，觀測挖槽的沖淤情況、沖淤分布等，并在此基礎上施放了設計流量(238 m3s)、整治流量(700 m3s)和中水流量(1 360 m3s)3級流量。

試驗表明，全河段挖槽3年累計淤積總量約12萬m3，年均泥沙回淤量約4.0萬m3，年均最大淤積厚度0.1～0.2 m。各淺灘的3年累計淤積量、最大淤積厚度、最大淤積寬度、主要淤積部位、年均淤積量見表2。可以看出，各淺灘段航槽基本穩定，尤其嶺下淺灘段航槽穩定性較好。工程河段各灘段航槽整體呈微沖刷狀態，但在一些過渡段、急彎段等局部航槽仍存在一定的泥沙淤積問題，應及時清淤，以保航道暢通。

表2 典型年系列動床試驗航槽淤積分布

試驗河段各級流量沿程水位見圖4，水面比降和沿程水面流速的變化情況見圖5、6。當設計流量時，動床試驗水位變化規律與定床試驗基本一致，只是由于沖淤試驗后河床以沖刷為主、航槽底高程進一步降低，導致沙梨園淺灘以上河段的水位比定床方案降低了0.11～0.27 m，尤其是蘆洲淺灘上段水位降幅多在0.2 m以上，此時檳榔潭河段水位15.67 m，較整治前降低了1.06 m；沙梨園下彎段—瘦狗龍河段水位較動床方案抬高0.01～0.10 m；嶺下淺灘及以下河段，除鐵冶派和墨園淺灘段水位較定床方案降低0.10～0.14 m外，其余河段水位較定床方案變化不大，變幅多在0.04 m以內。當流量增大至整治流量和中水流量時，模型進口河段水位較定床方案的降幅逐漸減小，此時蘆洲淺灘段水位較定床方案的降幅分別為0.15～0.21 m和0.07～0.11 m，其余河段的變幅多在0.08 m以內。

圖5 沿程比降

圖6 沿程流速

在3級試驗流量下，工程河段水位隨流量的增大逐漸升高，水面線較光滑，呈往下游沿程遞減趨勢，水面較平緩，無不良流態，其中除蘆洲淺灘上段水面比降超過0.4‰外(最大值0.46‰)，其余河段多在0.3‰內。工程河段總體呈沖刷趨勢，但在一些過渡段、急彎段等局部航槽尚存在一定量的泥沙淤積問題，可能導致在低水位時淤積河段航深不足2.5 m，應根據實際情況，對水深不足2.5 m的河段及時清淤，以保證工程河段的通航安全。試驗河段各級流量相應的主航道中心線流速分別為0.57～1.35、0.81～2.07和1.11～2.13 ms，最大的流速分別出現在沙梨園下彎道出口段、沙梨園上下彎道過渡段和墨園淺灘入口段。各級流量相應的水面比降為0.06‰～0.42‰、0.05‰～0.39‰和0.04‰～0.43‰，較大比降多出現在蘆洲淺灘上段、沙梨園及鐵冶派彎道附近。

各級流量下動床試驗主航道中心線流速定床試驗同位置減小0.2～0.3 ms，這是由于試驗后航槽及邊灘多被沖刷，底高程降低、過流面積增大的緣故，也存在局部河段少數斷面流速比定床方案同位置的流速變化較大的情況。在比降方面，動床試驗沿程比降與定床試驗相比變化較小，多在0.06‰以內，僅個別河段變化達0.1‰左右。總體來說，在試驗流量下，優化方案航槽內水流較平順，無不良流態，通航水流條件能滿足設計船舶的航行要求。

5 結論

1)本文提出了“疏浚為主、整疏結合、控制河勢、穩定航槽”的整治原則，航槽應沿河道深泓布置，挖槽縱向采用變底坡設計，橫向采用梯形斷面或復式斷面形式，應完善整治建筑物，充分利用已有丁壩、新建丁壩和加長舊壩。

2)開展定床模型試驗，整治后航槽水流平順，水深滿足設計要求，通航水流條件良好，設計水位時航槽流速多在0.8～1.3 ms，水面比降0.1‰～0.4‰。

3)開展水流泥沙動床模型試驗，研究改造后河床的沖淤變化規律，分析航道沿程水位、比降、流速的變化，整治后河段仍處于微沖狀態，挖槽總體保持穩定，整治方案基本可行。

4)由于河勢條件復雜、各淺段輸沙能力不一等多種因素影響，在一些過渡段、急彎段等局部航槽尚存在泥沙回淤問題，河段挖槽年均泥沙回淤量約4.0萬m3，年均最大淤積厚度0.1～0.2 m。