山區(qū)河流彎曲分汊型淺灘整治技術(shù)

李家世 何熙 謝玉杰 四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司

1.灘險(xiǎn)概況及礙航特性

1.1 灘險(xiǎn)概況

干龍子灘位于樂山市犍為縣新民鎮(zhèn)，距離上游龍溪口樞紐約4km，灘長(zhǎng)2700m，灘段上游河勢(shì)順直微彎，枯水河寬約300m，灘段下游受兩岸山體控制，河勢(shì)穩(wěn)定，枯水河寬約200 m，灘段中部河道擴(kuò)寬，中水河寬約1000m，該灘落差約2.8 m，枯水水面平均比降約1.1‰，最大比降1.5‰。灘中有一江心洲將河道一分為二，江心洲洲面高程在301.0m～307.0m之間，長(zhǎng)約1307m；左汊為主汊（凹岸），已建有導(dǎo)流順壩及下部有格壩，該壩目前壩頂高程約為300.00m，壩田內(nèi)因采砂形成倒套，左汊枯水河寬約135m，汊內(nèi)枯水流速在1.7m/s～3.7m/s之間，最小航深1.1m，枯水期上行船舶靠右側(cè)走，下行船舶居中走；右汊為副汊，右汊上口上世紀(jì)70年代修筑的1 座鎖壩，壩頂高程約在300.7m～301.2m之間，枯水分流比接近1:1。

1.2 水文泥沙

岷江具有典型的山區(qū)河流特性，洪枯水位變幅大，流量年內(nèi)分配不均勻，最高與最低通航水位相差15.9m，實(shí)測(cè)最大流量34100m3/s，實(shí)測(cè)最小流量364m3/s。該河段流速大、比降陡，枯期灘險(xiǎn)河段流速2m/s～4m/s左右，汛期流速可達(dá)6m/s。岷江系沙卵石河床，沖淤變化較為頻繁，洲灘發(fā)育，汛期寬淺河段水流分散，泥沙沉積落淤。岷江上游瀑布溝、紫坪鋪等梯級(jí)建成后，枯期流量增加，汛期洪峰流量減小，中水歷時(shí)增加，懸移質(zhì)含沙量減小。根據(jù)工程河段控制站高場(chǎng)站資料表明，上游紫瀑布溝、坪鋪蓄水發(fā)電以后，枯期流量900m3/s，汛期平均流量為4000 m3/s，多年平均流量2400 m3/s，最大日均流量達(dá)17400m3/s；多年平均含沙量0.299kg/m3，多年汛期（6～9月）平均含沙量0.483kg/m3。

1.3 灘性分析及礙航特性

該灘中段一處心洲將河道分為左右兩汊，左汊走彎。左汊一直以來為主通航汊道，且凹岸處修建一座長(zhǎng)順壩，年久失修。右汊口有一座老堵壩，增加枯水期主航槽流量，由于該壩部分水毀、功能減弱，造成目前主航槽通航環(huán)境惡化。該灘下行船舶居中，上行船舶依托心灘緩流區(qū)上行，至灘口處轉(zhuǎn)向河心。

1.4 航道整治標(biāo)準(zhǔn)

研究河段，航道設(shè)計(jì)尺度為水深2.4m，航寬60m，彎曲半徑500m，通行1000t級(jí)船舶。按照茲萬科夫公式計(jì)算，得到研究河段自航上灘水力指標(biāo)如表1所示。

表1 1000t級(jí)船舶自航上灘水力指標(biāo)表

2.模型建立與驗(yàn)證工況

采用2017年4月實(shí)測(cè)地形，對(duì)研究河段水流條件采用平面二維水流數(shù)值模擬計(jì)算。根據(jù)干龍子灘水情特點(diǎn)和上游龍溪口電站運(yùn)行情況，采用枯水、中水、洪水三級(jí)流量的沿程水位開展模型驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如表2所示，驗(yàn)證結(jié)果表明精度符合《水運(yùn)工程模擬試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范》（JTJ/T231-2021）的要求。

表2 灘段各級(jí)流量下水位驗(yàn)證表

3.航道整治方案

3.1 方案介紹

研究河段灘險(xiǎn)整治設(shè)計(jì)方案見圖1所示，①在干龍子灘頭修復(fù)原有堵壩，修復(fù)后壩頂高程至設(shè)計(jì)水位，以封堵支汊，增加枯水期主汊流量，提高航槽水深，②在左凹岸修復(fù)原導(dǎo)流順壩，整治水位取設(shè)計(jì)水位以上1.5m，以導(dǎo)順彎道水流、維持凹岸邊灘穩(wěn)定，提高航槽內(nèi)水流沖刷能力，③沿規(guī)劃航線水深不足處布置了3處挖槽工程，以浚深航槽，挖槽設(shè)計(jì)底高程為設(shè)計(jì)水位下2.8m，④對(duì)河道內(nèi)左側(cè)原深入江心的舊壩進(jìn)行拆除，拆除至設(shè)計(jì)水位下2.8m，以改善該處流態(tài)、消除水下礙航隱患。

圖1 干龍子灘整治工程平面布置圖

3.2 設(shè)計(jì)方案水流條件

工程實(shí)施后，設(shè)計(jì)最小通航流量下，工程前左汊分流比約為69.5%，整治后右汊不過水，灘中下段受右汊鎖壩修復(fù)后增加左汊分流比影響，水位壅高0.01～0.33 m，水深2.77～7.17m，滿足最小航深2.4m的要求。平均比降為0.87‰，較工程前減小約12%，航槽內(nèi)流速值0.61～1.89m/s。整治流量下，工程前左汊分流比約為48.1%，整治后左汊分流比約為60.5%，左汊分流比較工程前增加約26%，水位壅高0.01～0.60m，平均比降為0.63‰，較工程前減小約24%，航槽內(nèi)流速值1.26～2.41m/s，最大減小約15%。汛期平均流量下，整治后水位壅高0.06～0.62m，比降在0.16～2.17‰，平均比降為0.59‰，較工程前減小約24%。中洪水期隨著流量增加，受水位抬高影響，沿程水位以及航槽內(nèi)影響逐漸減弱。

評(píng)價(jià)整治后的效果要關(guān)注航道水深、通航水流條件，上灘能力，航槽穩(wěn)定性。其中航槽穩(wěn)定性以造床流量下疏浚區(qū)流速是推移質(zhì)起動(dòng)流速的1.1～1.3倍為判定，結(jié)合川江山區(qū)河流特點(diǎn)，選取沙莫夫公式計(jì)算起動(dòng)流速。

工程后，干龍子灘左汊分流比增加，航槽歸順，水流平穩(wěn)，航槽內(nèi)流態(tài)改善明顯，斷面流速分布較均勻，無不良流態(tài)。但洪中枯水流動(dòng)力軸線擺幅較大，左汊彎道處屬于回流區(qū)，流速較緩，整治流量下，左汊挖槽區(qū)流速不滿足推移質(zhì)臨界起動(dòng)流速，未能起到枯水期沖刷的目的。

3.3 修改方案水流條件

針對(duì)鎖壩高程對(duì)汊道水流影響較大的問題，在原方案基礎(chǔ)上，對(duì)鎖壩高程增加了設(shè)計(jì)水位上0.5m、1.0m兩組比選方案計(jì)算。

①壩頂高程為設(shè)計(jì)水位上0.5m：最小通航流量下，左汊（主汊）分流比為100%，水位較工程前壅高0.27～1.18m，水深滿足最小航深2.4m的要求，平均比降為1.24‰，較工程前增加了25.2%，流速在0.51～2.51m/s之間；整治流量下，水位較工程前壅高0.51～1.07m，平均比降為0.97‰，較工程前增加了16.8%，流速在1.10～3.23m/s之間。汛期平均流量下，水位壅高0.52～0.73m，平均比降為0.79‰，較工程前增加約1.3%。中洪水流量工況，水位、流態(tài)影響逐漸減弱。從航槽穩(wěn)定性來看，整治流量下，1號(hào)挖槽區(qū)流速為2.10m/s，2號(hào)挖槽區(qū)流速為2.85m/s，3號(hào)挖槽區(qū)流速為2.72m/s，均達(dá)到航槽內(nèi)推移質(zhì)臨界起動(dòng)流速的1.1～1.3倍范圍，航槽基本穩(wěn)定。各級(jí)流量下船舶均能自航上灘。

②鎖壩頂高程為設(shè)計(jì)水位上1.0m：整治流量下，水位較工程前壅高0.44～1.46m，平均比降為1.13‰，較工程前增加了36.1%，航槽內(nèi)流速在1.03～3.54m/s之間。從航槽穩(wěn)定性來看，整治流量下1號(hào)挖槽區(qū)流速2.20m/s，2號(hào)挖槽區(qū)流速3.07m/s，3號(hào)挖槽區(qū)流速3.18m/s，航槽能夠保持穩(wěn)定。整治流量下，船舶不能自航上灘。

3.4 方案比選

設(shè)計(jì)方案航道尺度以及水流條件基本滿足要求，考慮到該段航道為彎道分汊航道，汛期容易形成回淤，且整治流量工況下主汊流速小于推移質(zhì)臨界起動(dòng)流速，因此挖槽穩(wěn)定性較差；壩頂高程為設(shè)計(jì)水位上0.5m方案實(shí)施后，主槽水流攜沙能力明顯增強(qiáng)，造床流量下航槽沖刷能力增大，同時(shí)船舶能夠自航上灘，無安全隱患。

4.結(jié)論

（1）干龍子灘系典型山區(qū)性河流彎曲型汊道淺灘，各級(jí)流量下水動(dòng)力軸線并不一致，枯水期水流走彎歸槽，動(dòng)力軸線趨于左汊，隨著流量增加水流動(dòng)力軸線逐漸向右岸擺動(dòng)，洪水期主流趨直，彎曲汊道處于較緩的回流中，右汊歷史上已修建一座鎖壩，易將推移質(zhì)導(dǎo)入左汊，左汊水流沖刷能力不足，通航汊道內(nèi)易落淤出淺。

（2）彎曲分汊型淺灘治理方法一般采用塞支強(qiáng)干，穩(wěn)定、改善通航汊道，調(diào)整分流比，增強(qiáng)造床流量下航槽沖刷能力。同時(shí)應(yīng)充分考慮各級(jí)流量下船舶自航上灘的能力，因此，封汊鎖壩高程確定是關(guān)鍵。試驗(yàn)表明本灘右汊鎖壩設(shè)計(jì)頂高程為設(shè)計(jì)水位以上0.5m時(shí)，主汊流速達(dá)到推移質(zhì)臨界起動(dòng)流速的1.1～1.3倍，中枯水期滿足船舶自航上灘。