佛耳巖作業區二期工程港池開挖對航道通航條件的影響分析

胡鵬 謝玲

摘 要：根據佛耳巖作業區二期工程港池開挖方案，采用二維水流數學模型對開挖后的航道水流條件變化進行預測分析，研究了港池開挖施工對航道布置、航標布設和船舶通航的影響，并考慮本河段航道條件及通航環境的復雜性，提出港池開挖的優化施工方案，可為類似工程設計和通航管理提供參考。

關鍵詞：港池開挖;航道通航條件;數值模擬

中圖分類號：U612? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）06-0084-04

擬建佛耳巖作業區二期工程位于長江上游魚洞水道中堆河段，碼頭工程正對中堆江心洲尾部，現狀條件下低水位期工程局部河段河道彎曲狹窄，航道條件較差。根據設計方案，為滿足船舶吃水深度要求，碼頭前沿需進行港池開挖，鑒于港池開挖工程量較大，改變了天然河床，使河道水流條件發生變化，對航道條件及船舶通航可能帶來不利影響，因此，需開展港池開挖工程對航道通航條件的影響研究。

1河道及工程概況

工程上游為大中壩分汊河段，河床寬淺，水流分汊、洲灘發育[1]。大中壩尾部主河槽偏左，其下進入中堆寬淺分汊河段，該段左岸邊灘發育，河心有中堆磧壩，其右岸突咀挑流明顯，枯水航槽彎窄，水面僅200 m寬，水流湍急，掃彎水強勁，為枯水險灘。隨著來流量增大，中堆被淹沒，水面增寬，流速減小，灘情逐漸得到改善。中堆以下河道右轉進入下彎道，主槽緊貼右岸，彎頂附近處左右兩岸石盤對峙，尤其是左岸蘭家石盤凸入江心，河寬縮窄近一半，與右岸娃娃灘石盤對峙，枯水河寬約300～500 m，水深10 m以上，蘭家石盤以下河道較規順。工程河段河勢如圖1所示。

佛耳巖作業區二期工程位于右岸佛耳巖處，緊鄰下游一期工程，建設3000和5000噸級件雜貨泊位各1個，結構采用斜坡碼頭型式，由2艘鋼質躉船和4條架空纜車斜坡道組成，上游設置為3000噸級泊位，躉船平面尺度為75×21 m，下游設置為5000噸級泊位，躉船平面尺度為85×23 m。

港池開挖區域分為躉船停泊區和進港船舶停泊區兩部分。由于碼頭前沿水域位于轉盤石石盤處，擬采用水下清礁施工方式，清礁基線順應河勢，與碼頭前沿線平行布置，均采用直線線型，依照上述兩區域共布置兩條開挖基線。工程設計低水位為169.6 m，按照停靠5000噸級船舶吃水深度要求以及富裕深度確定船舶停泊水域開挖底高程為164.6 m;第二基線內為躉船停泊區域，據躉船吃水確定躉船停泊區域開挖底高程為167.5 m。港池開挖將清礁基線向河心側礁石全部清至設計底高程，施工超深0.4 m，超寬1 m，設計邊坡1：0.5，清礁工程量為77307 m3。工程港池開挖平面布置見圖2。

2 工程對航道布置和航標布設的影響

根據施工單位提供的施工組織設計，工程施工期處于中低水位期。擬港池開挖區域緊鄰主航道水域，開挖布置區下段部分外邊界占據了部分主航道水域，最大占據航寬約8 m。同時，港池開挖施工時，需考慮1艘挖泥船與1艘運渣泥駁并排在施工區域最外側作業時展布寬度約為50×26 m，鉆爆船施工的展布寬度也有約45×10 m，并考慮航道側定位沉鏈的入水寬度影響，因此，擬港池開挖施工需占用部分航道水域，對現行航道布置有一定影響。此外，港池開挖區位于右岸轉盤石紅浮作用范圍內，開挖區靠河心一側占據了該紅浮的設標水域，工程施工將對該航標的設置、維護及功能發揮造成一定影響。

3 工程對航道水流條件的影響

本次采用二維數學模型方法[2]分析工程實施前后相關水力要素的變化趨勢。結合工程河段不同水位期水流及通航條件的變化情況，研究選擇了如表1所示的四組水文工況。

3.1 工程對河道水位的影響

開挖工程實施后，河道水位變化主要表現在開挖區域上游附近斷面平均水位均有不同程度下降，距工程區域愈近，水位降幅愈大，降幅基本在1～7 cm;而開挖區域中下部及下游河段斷面平均水位有不同程度增加，工程區域中下部水位增幅較明顯，增幅基本在1～6 cm;枯水流量時水位變幅最大。此外，統計表明港池開挖引起的河道水位及水面比降變化區域基本在工程區域上游1000 m至下游500 m之間。可見，港池開挖實施后，工程引起的河道水位變幅較小，且影響范圍有限。

3.2 工程對河道流速的影響

（1）港池開挖區左側河道流速變化。從工程前后河道流速變化等值線圖（圖3）可以看出，港池開挖區域頭部及上游河道內流速略有增加，但增幅不大，均小于0.1 m/s;港池開挖左側主河槽內流速均有不同程度降低，河道流速增減變化基本以中堆尾部至開挖區頭部連線為分界線，流速降幅隨流量的增加而遞減，最大流速降幅發生在最低通航流量2300 m3/s時，流速降幅為-0.5～-0.1 m/s，最小流速降幅為-0.2～-0.1 m/s（流量20000 m3/s）;港池開挖區域下游主河道內流速降幅較小，均小于0.1 m/s。由此可見，開挖區左側河道內流速變化趨勢為：以中堆尾部至開挖區頭部為界限，上游河道流速略有增加，開挖區及下游河道流速呈下降趨勢，且隨著流量的增加流速變幅逐漸減小。

（2）港池開挖區流速變化。中枯水流量時，由于受開挖局部區域過流能力增加影響，開挖區流速呈現增加趨勢，流速增幅約為0.1～1.2 m/s，最大流速增幅達1.3～1.4 m/s;隨著流量的增加，開挖區中部以上水域流速增幅減緩，平均增幅在0.1～0.2 m/s，且局部流速呈現下降態勢，而開挖區尾部水域流速變化仍表現為增加，流速增幅在0.1～0.7 m/s，最大流速增幅達0.9 m/s。因此，港池開挖區域流速變化以增加趨勢為主，且隨流量增加流速增幅逐漸下降。

總的來看，港池開挖區流速整體呈增加趨勢，其左側河道內流速整體呈減小趨勢，中枯水位期表現明顯，隨著來流量增大流速變幅逐漸減小。

3.3 工程對中堆分流比的影響

表2統計了枯水流量下工程實施后中堆磧壩分流比變化結果。可以看出，枯水流量時右汊為主汊，流量2300 m3/s時，左汊不分流，工程前后分流比無變化;流量4330 m3/s時，中堆左右汊均過水，港池開挖后右汊分流比略有增加，分流比變幅為0.2%。中洪水期，中堆已淹沒過水。總的來看，工程實施后對枯水期中堆分流比的影響較小，分流比變幅不大。

4 工程對船舶通航的影響

根據施工進度計劃，施工期在水銀口水位9 m以下，此時船舶上行航路位于主航道偏左岸一側，下行航路沿航道中心[3]，港池施工水域位于主航道右岸一側。由工程河段通航條件可知，低水位期工程局部河段航道彎曲狹窄，轉盤石以上在低水時有斜流等不良流態，下行船舶駛經此段時，需以轉盤石紅浮轉點吊向，因此，本河段通航環境較為復雜。

然而，擬港池開挖區域恰好位于轉盤石處，且開挖布置區伸入河心較開，下行船舶距施工水域較近，因此，港池開挖施工對下行船舶通航有一定影響，尤其是在進行轉盤石紅浮以上區域施工時，由于中堆掃彎水流較急，頂沖轉盤石，港池開挖作業船舶逼近下水航路并遮擋駕駛視線，且水上施工作業易對駕引人員心理造成壓力，若下行船舶來不及避讓，容易發生碰撞事故。此外，工程船拋錨定位、水下清礁、進出主航道運渣作業等過程也會對過往船舶通航造成一定影響。

5 優化調整意見

鑒于工程河段航道及通航環境的復雜性，且港池開挖施工對航道布置和船舶通航有一定影響，為確保船舶通航和施工作業安全，需對港池開挖施工方案進行優化調整。

建議港池開挖施工期安排在非汛期，并根據河道水位變化情況分兩階段進行。非汛期水銀口水位5 m以上時，中堆過流，河面展寬，水流流速降低，同時水位抬升后航道左側邊界有拓展余地，在對現有航道布置進行適當調整，滿足航道維護要求并確保通航安全的前提下，可采用施工船舶進行水下鉆爆和清渣作業;水銀口水位5 m以下時，本河段航道條件及通航環境較差，不能采用施工船舶進行水下鉆爆和清渣作業，只能對近岸區域采用陸上鉆爆和清渣作業，同時，不可對河段現狀航道布置進行調整，港池開挖施工不得占據現有航道;汛期時，工程河段流量大，水勢急，故仍應避免在汛期實施水下港池開挖作業。

6 結論

（1）佛耳巖作業區二期工程港池開挖施工需占用部分航道水域，占據轉盤石紅浮設標水域，對現行航道布置和航標布設有一定影響。工程實施對河道水位和分流比影響較小，但對局部流速有一定影響。

（2）港池開挖工程位于轉盤石處，開挖布置區伸入河心較開，下行船舶距施工水域較近，對下行船舶通航有一定影響。

（3）鑒于工程河段航道條件及通航環境較為復雜，為確保船舶通航和施工作業安全，需對港池開挖方案進行優化調整：將施工期安排在非汛期，并根據河道水位變化分兩階段實施，水銀口水位5 m以上可進行水上施工作業，水銀口水位5 m以下只能對近岸區域實施陸上清礁作業，且在施工過程中應采取必要的通航安全保障措施，以減小港池開挖對航道及通航安全的影響。

參考文獻：

[1] 金中武，吳華莉，黃建成.長江佛耳巖河段河床演變特點分析[J].人民長江，2013（11）：19-24.

[2] 陳勇康，胡江，宋丹丹，等.長江銅鑼峽河段炸礁整治數學模型計算及驗證[J].水運工程，2015（6）：131-136.

[3] 長江上游李渡至界石盤船舶分道航行規則（2019）[EB/OL].長江海事局，2019.