大藤峽壩下兩江匯流口段航道整治試驗研究

王 鑫，江 濤，楊燕華*，劉 潔，金 輝，張 明

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究所 工程泥沙交通行業重點實驗室，天津 300456；2.中交水運規劃設計院有限公司，北京 100007；3.重慶交通大學，重慶 400074)

大藤峽水利樞紐及長洲樞紐為支撐西江黃金水道兩個關鍵節點，由于長洲樞紐正常蓄水位僅回水至桂平三江口，大藤峽壩下存在約12 km的枯水期脫水段[1-2]，具有山區河道特性，自上而下分布灘險眾多且礙航特性復雜。其中位于來賓至桂平2 000 t級航道工程末端的銅鼓灘、羊欄灘灘段，處于黔、郁兩江匯流口，水流特性受兩江來水組合和復雜地形條件控制[3](圖1)，礙航特性最為復雜，整治難度大。前期羊欄灘曾于1995～2007年歷經3次整治，為支撐桂平至梧州段Ⅱ級航道建設，提出開挖寬淺型分流中槽、清除匯流口處礙航礁石的整治方法，使得該段航道通航水流條件初步得到改善，然而中洪水期在黔、郁兩江匯流及中槽分流口附近仍存在大流速區[4]。趙家強等[5]指出，造成該現象的原因在于羊欄灘灘前兩側石質邊灘未進行整治，仍發育約控水流，致使中洪水期主流集中、匯流段單寬流量分布不均，且分流量大，即由于銅鼓灘與羊欄灘于黔江沿程緊鄰分布且灘群聯動特性明顯，現階段匯流口段礙航控制灘段由羊欄灘上移至銅鼓灘灘段[6]。加之，現階段規劃將來賓至桂平段航道等級由Ⅴ級大幅提升至Ⅱ級，且與貴港至梧州Ⅰ級航道工程同步建設，并于匯流口段交匯，不同等級的航道工程建設相互影響，加劇了連續灘群的整治難度。

張明等針對西江梯級樞紐運行壩下水沙特點進行系列研究后，指出除自然沖刷外，人為無序采砂對西江干線河道河床形態影響不容忽視，會在短期內產生大范圍的劇烈河床變化[7-9]。因此，為有效解決該灘段復雜的礙航問題，本文以2018年實測地形圖為依據，通過建立幾何比尺1:100的正態銅鼓灘、羊欄灘航道整治物理模型(圖2)對匯合口段礙航特性進行分析，從而形成治理思路，并通過多方案試驗，尋求合理的技術方案。

圖1 大藤峽壩下至兩江匯流口河段河勢圖 圖2 銅鼓灘、羊欄灘航道整治物理模型示意圖Fig.1 River reach from Datengxia Dam to confluence of Qianjiang and Yujiang Fig.2 Physical model of Tonggutan and Yanglantan

1 礙航特性分析

1.1 上灘能力指標

根據來賓至桂平2 000 t級航道工程初步設計報告，2 000 t級設計船型整治后流速控制指標采用3.00 m/s，比降控制指標采用1.5‰。當局部流速達3.00～3.50 m/s時，比降值按表1中消灘指標K≥1相應欄比降值控制[6]。

表1 2 000 t級船舶消灘指標K值計算表(船舶功率692馬力)Tab.1 Rapids suppression hydraulic indexes of 2 000 t ship

1.2 礙航特性

已有資料表明，黔江水面比降主要與黔江匯流比(黔江流量/潯江流量，下同)有關，黔江入匯段水面比降隨黔江來流量的增加而增大[10]。因此，為支撐來桂2 000 t級航道工程建設，保證船舶順利通過兩江匯流口沿黔江上下行，選取正常水情下黔江來流明顯大于郁江的9級流量工況進行通航水流條件試驗。黔江匯流比在0.71～0.9，涵蓋黔江流量700～27 000 m3/s，其中Q黔=700 m3/s為來桂2 000 t級航道工程的設計最小通航流量，Q黔=27 000 m3/s為工程河段最大通航流量。

研究河段受地形控制明顯，結合工程前現狀條件下水流特性試驗，提出銅鼓灘中前段、銜接段及羊欄灘中后段分別存在三個礙航控制斷面(如圖2、圖3所示)，礙航特性各異，如表2所示。

3-a 銅鼓灘中前段典型斷面CS243-b 銜接段典型斷面CS363-c 羊欄灘中后段典型斷面CS48圖3 各灘段典型礙航控制斷面Fig.3 Controlled navigation-obstructing cross-section

表2 現狀條件下各灘段礙航特性Tab.2 Current navigation-obstructing characteristics

銅鼓灘中前段灘段地處彎道，彎頂有擔干石橫亙阻隔于河道中右側，在枯中水期(700 m3/s≤Q黔≤4 280 m3/s)，受其挑流作用，主流蜿蜒曲折，且在其后形成大片深入設計航槽的回流，為該段礙航控制斷面(CS24)，呈枯、中水險灘礙航，Q黔=4 280 m3/s為最洶流量級，當Q黔>4 280 m3/s時，水位漫過擔干石，不再受其挑流控制。

銅鼓灘灘尾向羊欄灘過渡的銜接段，水流受兩岸邊灘限制明顯，水流被束窄至設計最小流量下僅約100 m寬的深槽中，形成礙航控制斷面(CS36)，其下游形成剪刀水，同時卡口左側邊灘灘頭高程較低，形成滑梁水，呈中、洪水急險灘礙航，最洶流量級為Q黔=4 280 m3/s，灘段平均比降達最大值0.75‰，局部斷面達6.18‰，對應流速3.60 m/s，當Q黔>4 280 m3/s時，水流逐漸漫過兩側邊灘，河面放寬，對水流收縮的作用減弱。

羊欄灘中后段，灘段左岸依附較大邊灘壓縮河床，右有散亂分布的礁石(CS48)，水流湍急紊亂，當8 600 m3/s≤Q黔≤11 358 m3/s時主槽集中且分流量大，灘段進入3 m/s以上大流速區，呈洪水期流急礙航。

2 整治方案研究

2.1 設計方案整治效果

由于羊欄灘灘段同時涉及來桂2 000 t級航道工程及貴梧3 000 t級航道工程，設計方案水流特性試驗研究應對兩段航道工程綜合考慮。來桂2 000 t級航道工程設計航道尺度為3.5 m×80 m×550 m(水深×寬×彎曲半徑，下同)，為避免現有航線彎道較多且轉彎半徑較小，設計方案將銅鼓灘中前段設計航道中心線向河道左側偏移，首個彎道(銅鼓灘轉彎段)頂點上提且增大彎曲半徑至910 m，出彎后順接1 425 m順直航道，酌情作局部石角的切除或炸除航道邊線附近的礁石。貴梧3 000 t級航道工程設計航道尺度為4.1 m×90 m×670 m，設計方案航道線路布置是在滿足航道最小彎曲半徑的前提下，河段航道平面布置在現狀航道寬度基礎上進行拓寬，并針對主要灘段航道線路進行礁石清除。

研究表明，設計方案實施后，設計航道布置有所調順，銅鼓灘中前段航道偏離擔干石，使得深入航道內回流范圍有所減小，枯、中水險灘礙航特性有所改善。但設計方案僅對局部石角進行切除或炸除航道邊線附近的礁石[11]，無法改善由于邊灘擠壓限制產生的不利礙航水流條件[12-14]，銜接段及羊欄灘中后段礙航特性依然存在。

2.2 優化思路

針對設計方案實施后，研究河段內仍存在中洪水期航道流速大、局部灘段水流紊亂的礙航問題。考慮各灘段礙航水流形成的條件并根據前期羊欄灘整治經驗，在設計方案實施的基礎上，各灘段整治思路見表3。

表3 設計方案下各灘段礙航特性Tab.3 Navigation-obstructing characteristics of design scheme

2.3 優化方案布置

針對設計方案實施后，研究河段中洪水期仍存在的礙航問題，針對銜接段為減小銜接段坡陡流急的礙航現象，考慮到銜接段礙航控制斷面為CS36斷面，最不利流量級為Q黔=4 280 m3/s，保證在該流量級下有效增大過水斷面面積，對航邊線左側邊灘進行挖深，并與上下游地形順接，布置1#清炸區，整治工程典型斷面見圖4-a。針對羊欄灘中后段為有效減小羊欄灘匯流段流速，對位于灘頭的棋盤石進行局部切灘，有效增大過水斷面面積，分散主流，并與上下游地形順接，布置2#清炸區，如圖4-b。

4-a 銜接段CS364-b 羊欄灘中后段CS424-c 銅鼓灘中前段CS24圖4 優化方案典型斷面示意圖Fig.4 Optimization scheme of navigation-obstructing cross-section

與此同時，由于試驗研究河段中銅鼓灘、羊欄灘緊密相鄰，灘群聯動特性明顯，銜接段及其下游灘段的開挖(1#清炸區與2#清炸區)，使得銅鼓灘中前段比降、流速較設計方案有所加大，對擔干石礙航點中枯水險灘礙航特性有所加重。因此，為了保證船舶下行安全，一方面該段彎曲半徑再次進行增大，彎頂段航道中心線彎曲半徑調整至1 000 m，減少設計航道內轉彎段，同時對擔干石進行進一步清除，布置3#清炸區，清炸底高程與航道底標高一致，使得當Q黔≥4 280 m3/s時設計船隊行至擔干石斷面保持船隊相對灘邊線足夠富裕寬度，可以提前調整舵角以減小漂角，如圖4-c所示。整治工程平面布置見圖5。

圖5 研究河段優化方案平面布置圖Fig.5 Layout of optimization scheme

2.4 優化效果

2.4.1 銅鼓灘中前段

銅鼓灘中前段，一方面增大彎曲半徑，另一方面擔干石被進一步清除(3#清炸區)，現狀條件下受擔干石挑流而在航道內形成的礙航回流已被消除，Q黔=4 280 m3/s時CS27斷面航道內橫向流速分量最大值減小至0.30 m/s，流速與航道中心線夾角為9°，銅鼓灘中前段枯、中水險灘礙航特性得以消除(圖6)。

6-a 現狀條件6-b 優化方案圖6 銅鼓灘擔干石局部水流條件(Q黔=4 280 m3/s)Fig.6 Local flow conditions of Danganshi cross-section(Q黔=4 280 m3/s)

2.4.2 銜接段

銜接段左岸挑流灘頭、右岸限制邊灘均進行了切除，起到了平順水邊線、減弱兩側邊灘對水流的限制作用，Q黔=4 280 m3/s時航道內局部最大比降由現狀條件6.18‰(CS36)減小至1.50‰(CS41)，對應航道中心線流速最大值由3.65 m/s下降至2.75 m/s(圖7)，同時由于兩側邊灘的清除，現狀條件下的剪刀水與滑梁水礙航水流被消除，航道內水流被調順(圖8)，滿足來桂2 000 t級航道設計船型上灘能力指標。

圖7 銜接段局部比降及航中線流速沿程分布Fig.7 Local gradient and velocity distribution along the midline

8-a 現狀條件8-b 優化方案圖8 銜接段局部水流條件(Q黔=4 280 m3/s)Fig.8 Local flow conditions of transitional reach(Q黔=4 280 m3/s)

2.4.3 羊欄灘中后段

羊欄灘中后段對棋盤石局部及子沙進行了清炸，使得來桂2 000 t級航道范圍內流速減小明顯，Q黔=8 600 m3/s及Q黔=11 358 m3/s時來桂2 000 t級航道范圍內航道中心線均已基本降至3.00 m/s以下，滿足2 000 t級代表船型上灘能力指標，如圖9所示。

圖9 各灘段航中線流速沿程對比關系圖Fig.9 Velocity distribution along stream centerline

3 結論

文章以實測地形圖為依據，采用水流定床物理模型研究手段，開展了來桂2 000 t級航道整治工程銅鼓灘、羊欄灘灘段物理模型試驗研究，得到主要結論為：

(1)現狀條件下，研究河段灘險礙航特性受地形及來流控制明顯，自上而下存在銅鼓灘中前段、銜接段及羊欄灘中后段三個礙航控制斷面，礙航特性各異。銅鼓灘中前段，受深入設計航槽內擔干石的挑流影響而形成的中枯水險灘；銜接段，受兩岸石質高灘限制而形成的中洪水急險灘，局部比降最大值達6.15‰，航道內最大流速達3.60 m/s，且同時具有礙航的剪刀水與滑梁水。羊欄灘中后段礙航特點總體表現為中洪水急流灘，匯流段航道內局部表面最大流速達3.30 m/s。

(2)物理模型試驗河段同時涉及來桂2 000 t級航道工程與貴梧3 000 t級航道工程建設，兩段航道工程于羊欄灘中后段交匯后匯入貴梧3 000 t級航道；設計方案實施后，通過設計航道調順及航道開挖，研究河段枯水期淺灘礙航得到明顯改善。然而僅對局部礁石進行清除，無法改善由于邊灘擠壓限制產生的不利礙航水流條件，中洪水期銜接段及羊欄灘中后段礙航特性依然存在。

(3)結合各灘段礙航特性，銅鼓灘銜接段應以消除左岸挑流點、平順水流邊線，有效增大過水斷面面積為整治思路，布置1#清炸區；羊欄灘灘段應在保證中槽分流量的前提下，以擴大匯流口過水斷面面積為整治思路，布置2#清炸區；為消除銅鼓灘中前段枯、中水險灘礙航特性及船舶下行安全，對擔干石航邊線右側部分進行進一步清炸，形成3#清炸區。優化方案布置下，研究灘段水流條件滿足代表船型上灘能力，礙航特性得到有效改善。