五臺梁清礁工程整治效果分析

胡鵬飛，李梁喜

(1.長江重慶航運工程勘察設計院，重慶 401147；2.云南省港航投資建設有限責任公司，云南 昆明 650051)

我國山區河流航道中，江中孤礁礙航問題較為普遍。如長江上游大、小爐子梁位于航槽正中間及規劃航寬150 m的船舶航行航線上，成為影響船舶安全航行的江心暗礁，過往船舶均不敢靠近，需對其避讓[1]；長江上游磚灶子孤礁將中、枯水河槽分為左右兩槽，致使航寬不足且兩槽流態惡劣，左槽河槽彎曲難以通航，右槽通航但存在航道窄、坡降陡、橫流強、泡漩洶等礙航問題[2]；嘉陵江石門大橋[3]、瀾滄江那官、小白塔、大漩水、一溜子[4]等灘段內均存在江中孤礁礙航。該類灘險礙航特征主要表現為礁石處水淺、航寬不足，并伴有橫流、泡漩水等不良流態，船舶航經此處極易發生觸礁、擱淺及翻沉等水上交通事故，嚴重威脅船舶航行安全，同時航道維護和海事監管難度較大。許多學者對礙航孤礁整治問題進行了研究，許光祥等運用河工模型試驗開展了斷頭孤礁險灘整治方法的試驗研究，提出了炸礁結合潛魚嘴連接壩的整治措施；李文杰等[5]通過數學模型和概化試驗等手段對孤礁淺水效應進行了研究，合理確定了炸礁水深；張秀芳等[6]通過試驗和理論分析，找出了深沱孤礁地形泡漩水形成的原因和條件，分析了影響泡水強度的主要因素，并提出計算泡水高度的經驗公式。

五臺梁為一縱臥江心的礙航孤礁，本文根據工程河段航道、航運現狀及規劃，分析確定了清礁設計參數和方案，并通過建立工程河段二維水流數學模型，模擬計算了清礁前后水位、比降、流速、流場分布等水文要素變化情況，進而對整治方案效果及合理性進行預測和分析。

1 工程概況

擬建太洪長江大橋是重慶南川至兩江新區高速公路跨越長江的控制性節點工程，推薦橋位位于五臺梁處。大橋主橋采用主跨808 m懸索橋，跨徑布置為10 m+4×40 m+808 m+2×120 m+7×30 m+12 m=1 440 m(由右岸至左岸)，設置通航孔1個、跨度808 m。

大橋所在五臺梁河段位于長江上游重慶至涪陵段，屬三峽水庫變動回水區。近年來，隨著重慶長江上游航運中心的建設，工程河段水運量日益增加，船舶大型化趨勢明顯，5 000噸級干散貨船、325 TEU以上集裝箱船、800車位商品汽車滾裝船已發展成為主力船型。為滿足航運發展需求，改善現有航道尺度不足、消落期和汛期恢復至天然狀態時部分河段仍顯現出明顯礙航特性等不利局面；為確保航道安全暢通，工程所在朝天門至涪陵河段已批準實施航道整治工程，按航道等級為Ⅰ級、航道尺度為4.5 m×150 m×1 000 m(水深×航寬×彎曲半徑)、通航保證率98%的標準進行建設，實現5 000噸級內河船可全年直達重慶。根據航道條件核查，五臺梁處不滿足航道建設標準，擬列為整治對象。同時，由于五臺梁礁石位于擬建大橋正下方，橋位與灘險間距不滿足GB 50139—2014《內河通航標準》中關于水上過河建筑物選址的要求，且根據《公路安全保護條例》中型以上公路橋梁周圍200 m范圍內禁止爆破作業等危及公路橋梁安全的活動，大橋建成后將形成大橋保護區，保護區內再實施清礁工程將受到嚴格限制、實施難度加大。因此，根據內河和長江干線通航標準的相關規定，交通主管部門要求橋梁建設單位在建橋前按規劃航道標準先行清除該礁石，以改善本河段通航水流條件和通航環境、保障大橋施工期和建成運行后船舶通航安全。

五臺梁河段河道順直、河面寬闊，左岸上游約510 m有支流太洪江匯入，其下岸線規則順直，五臺梁礁石縱臥江中偏左，其左側深槽為主航槽，右岸肖家店一側為砂卵石邊灘、寬闊低平。工程河段河勢見圖1。五臺梁為一道縱臥江中偏左的長條形孤礁，縱向長約175 m，橫向最寬處約40 m，其頂部最高點高程為164.55 m，低水位時出露部分高達10 m。三峽水庫175 m試驗性蓄水后，蓄水期五臺梁河段受水庫蓄水影響，水位抬升，水深富余，流速平緩，航道條件較好，五臺梁淹沒于水下，對船舶通航影響較小；消落期水位開始下降，礁石逐漸顯露，尤其在消落末期或汛初，水位降至最低，礁石完全出露阻挑水流；汛期，三峽水庫按145 m汛限水位控制運行，此時河道基本不受壩前水位影響，表現為天然河道特征，礁石隨上游來流變化時隱時現，受其阻流影響，附近水流條件較差、流態紊亂，對順航道行駛的下行船舶安全航行構成一定威脅。

圖1 五臺梁河段河勢(單位：m)

2 礙航特性

1)從航道尺度來看。五臺梁河段現狀航道技術等級為Ⅱ級，最小航道維護尺度為3.5 m×100 m×800 m，五臺梁左側為主航道水域，床面高程在137 m以上，槽內水深富余。受三峽蓄水影響，蓄水期水流平緩，航道條件較好，主航道最小航寬約200 m；消落期河道水位下降，航寬逐漸減小；汛期河道已基本不受蓄水影響、恢復至天然河流狀態，此時主航道最小航寬僅約149 m，位于五臺梁附近。然而，長江上游朝天門至涪陵河段在“十四五”期間計劃實施航道整治工程，航道建設標準為4.5 m×150 m×1 000 m，同時，考慮遠期航道進一步擴能提升需求，按《內河通航標準》中Ⅰ-(2)航道標準考慮，選用9×3 000噸級3排3列船隊、5 000噸級貨船作為代表船隊、船型，采用規定的航道寬度計算方法得到單線航寬為104 m、雙線航寬為208 m。可見，工程河段雖滿足現狀航道維護尺度要求，但受制于江中五臺梁礁石，航道拓寬受限，現狀航寬已不能滿足航道建設和發展的需求。

2)從通航水流條件來看。五臺梁河段屬于三峽水庫變動回水區，水庫狀態與天然河流狀態交替出現，當水庫消落末期和汛期河道恢復到天然狀態時，五臺梁受上游來流量增減變化，或潛藏水下或露出水面，此時河道水流流速較大，水流被縱立江中的礁石所阻，迫使改向分由其兩側繞過，礁石上方水域產生較大橫流。數模計算顯示，礁石上方航道側最大橫向流速達0.28～0.53 m/s，可見，礁石頭部斜向挑流作用較明顯。礁石尾后兩股水流交匯處局部形成回流、夾堰、漩水等，水流流態紊亂。

3)從船舶通航來看。由于五臺梁縱臥于江心偏左側，緊鄰主航道，在消落末期和汛期，礁石的阻流作用影響局部通航水流條件，本河段下行船舶靠五臺梁一側循主流下行，至礁石水域橫流會推壓船舶產生回轉力矩，使船舶偏離正常航向，若對水勢流態估計不足、操作不當，易發生偏向觸礁等事故，對船舶航行安全構成一定威脅。此外，在擬建大橋施工階段，該水域船舶交通流增加，施工船、運梁(料)船和交通船將在工程水域內往來頻繁穿梭，而江中五臺梁礁石的突出阻礙勢必增加船舶操作難度、增大施工水域船舶安全通航風險、惡化通航環境。

3 清礁方案

為充分發揮長江黃金水道優勢，適應三峽庫區航運快速發展的需求，五臺梁清礁工程采用航道等級為Ⅰ級，5 000噸級貨船作為代表船舶，滿足朝天門至涪陵段航道整治4.5 m×150 m×1 000 m的航道尺度建設要求，并考慮遠期航道進一步擴能提升、航道尺度增加、大橋建成后形成保護區難以再實施整治的影響，擬對五臺梁礁石實施一次性整體切除的治理方案。

根據三峽庫區175 m蓄水期設計最低通航水位計算成果[7]，經復核分析五臺梁處設計最低通航水位取153.59 m。鑒于五臺梁為江中孤礁，且礁石水域為船舶通航水域，計算清礁水深時，富余水深應主要考慮船舶淺水航行的下沉量、礁石引起的水位跌落值、船舶觸底安全富余量以及石質河床富余水深增加值共4項因素。文獻[1]分析船舶航行下沉量4個半理論和經驗公式，得出：考慮到孤礁頂部水深較淺易導致船舶觸底、危害較大，建議計算5 000噸級船舶下沉量時按照孤礁上水深5.5 m考慮，取下沉量的平均值0.85 m；并通過概化水槽試驗分析，礁石頂部水深對于水面跌落的影響較大，水深較淺時跌落值較大，隨著頂部水深的增加水位跌落值逐漸減小，當水深超過5 m后，水位跌落值小于0.1 m，礁石引起的水位跌落值取0.1 m。根據長江干線船舶航行富余水深管理規定，李渡長江大橋以上船舶觸底安全富余水深不小于0.3 m，取0.3 m。石質河床富余水深增加值按規范取0.2 m。綜上，設計采用5 000噸級貨船，吃水按4.3 m計，清礁水深計算值為5.75 m，同時為適應船舶大型化發展需要、保障船舶航行安全，參照三峽水庫變動回水區類似江中孤礁整治經驗，綜合考慮五臺梁清礁水深取6.0 m，相應的清礁設計底高程為147.59 m。

由于五臺梁長度不大，設計底坡采用平坡，擬將整座礁石清除至設計底高，無邊坡。根據JTS 204—2008《水運工程爆破技術規范》，礁石水下鉆孔爆破超深可取0.4 m，經計算清礁工程量為4.35萬m3。

圖2 五臺梁清礁工程平面布置(單位：m)

圖3 五臺梁清礁工程典型斷面

4 工程實施后效果分析

為預測五臺梁礁石清除方案實施后的整治效果，建立平面二維水流數學模型[8-9]計算分析礁石清除方案實施前后通航水流條件變化，并對清礁方案合理性作出分析和評價。

三峽工程蓄水期，受水庫回水影響，工程河段河寬、水深、流速平緩，通航水流條件良好；而在消落期和汛期，河道逐漸恢復為天然狀態，本河段開始顯現礙航特征。因此，重點分析礙航時段內枯、中、洪3種水位條件下河道水流條件變化情況，計算工況見表1，其中枯水選用最低通航水位時的來流工況。

表1 五臺梁清礁工程數學模型計算工況

4.1 水位和比降變化

受清礁影響，礁石區水位增減變化明顯，枯中水期礁石區已完全淹于水下，洪水工況水位較工程前總體有所增加，平均增幅約7.5 cm，而礁石區上游水位呈下降趨勢，各工況下最大降幅約8.5 cm，尾部下游局部水位略有增加，各工況下最大增幅約3.7 cm。表2為計算工況下礁石區左側航槽內水位變化情況，清礁方案實施后，礁石區上游附近航槽內水位均有不同程度下降，水位降幅在0.7～3.7 cm；而礁石區域及下游附近航槽內水位有所增加，水位增幅在0.0～2.3 cm；距離工程區域越近水位變幅越明顯，且以中水流量時航槽內水位變幅最大，最大水位變幅為-3.7～1.1 cm。圖4為各工況臨礁石區左側下行航線上沿程水面比降變化情況，清礁實施后附近航槽內水面比降總體變化不大，以減緩趨勢為主，平均減幅為0.08‰。具體表現為清礁區及上游約250 m航槽內水面比降有不同程度下降，最大降幅為0.23‰；而清礁區下游約200 m航槽內水面比降略有增加，最大增幅為0.07‰。總的來看，工程實施后受清礁影響礁石區局部水位變化較為明顯，而左側航槽內水位變化相對較小，呈上減下增態勢；水位落差減小，水面比降總體呈減緩趨勢。

表2 工程實施后航槽內水位變化

圖4 工程實施后下行航線沿程水面比降變化分布

4.2 流速和流態變化

從圖5清礁工程實施前后局部流速變化分布可以看出，受五臺梁礁石清除影響，礁石區附近河道流速有一定變化，表現為礁石上下游沿河道縱向的帶狀區域內流速呈不同程度增加，而礁石左側主槽和右側邊灘水域流速基本呈微降態勢，河道流速增減變化以距礁石20～60 m為界，距礁石區越近流速變幅越明顯。從五臺梁處河道斷面流速分布的變化(圖6)也可以看出，清礁實施前后河道斷面流速分布總體較穩定，礁石附近流速普遍有所增加，左右河槽內斷面流速略有減小，最大降幅出現在中水工況，且隨著來流量增加，斷面流速變幅逐漸減小。表3為各工況河道分區流速變化值，清礁區流速變幅為-0.10～1.84 m/s，左側主槽流速變幅為-0.20～0.20 m/s，右側邊灘流速變幅為-0.26～0.20 m/s。綜上，清礁工程實施后，各工況下清礁區全面過流，局部水深和流速有所增大，過流能力增強，而左右兩側主槽和邊灘水域流速呈減緩態勢，流速總體變幅不大。

注：普通箭頭為清礁前流場，空心箭頭為清礁后流場。

圖6 工程實施前后斷面流速分布

表3 工程實施后流速變化

從清礁方案實施前后流場分布和流跡線比較來看(圖5、7)，方案實施前礁石區域繞流明顯，礁石頭部存在擠向兩側較大橫流，局部水流流態不好；清礁方案實施后，礁石區域水深和流速增加，水流流線趨于平順，流態明顯改善。

圖7 工程實施前后局部流跡線比較

5 整治方案合理性預測分析

在航道尺度方面，清礁工程實施后五臺梁處水深增加，滿足4.5 m水深的主槽寬度由現狀不足200 m拓寬至340～350 m，局部段4.5 m水深寬度基本在300 m以上，航道尺度達到且超過了近期朝涪段航道整治的目標要求，并能滿足遠期三峽庫區航道進一步擴能提升的需求。在通航水流條件方面，工程實施后，清礁區附近航槽內水位落差減小，水面比降有所減緩，對船舶航行有利；各工況下礁石區淹沒于水下全面過流，可滿足船舶航行要求，主槽內流速減幅不大，流速分布形態保持穩定；流向上，礁石區局部繞流消失，水流流跡趨于平順規則，礁石頭部航道內橫流明顯減小，統計顯示各工況航道側橫流均減至0.25 m/s以下，有效改善了五臺梁附近水流流態。在船舶通航方面，工程實施后，各水位期五臺梁水域水深和航寬均明顯增加，水流變得平順，原礁石區周圍的斜流、回流等不良流態消失，從而使工程河段有效航寬展寬、航路選擇余地增大、通航條件得以改善、船舶行駛更加安全。綜上，清礁方案整治效果較好，礙航問題得到有效解決，方案是合理的。

6 結語

1)五臺梁縱臥江心偏左約束航道，現狀航道尺度已不能滿足航道建設發展需求；在三峽水庫消落期和汛期河道恢復至天然狀態時，礁石出露或潛于水下，附近水流條件較差，影響船舶航行安全；且擬建太洪長江大橋橋位恰位于礁石處，建橋后實施航道提升將受到嚴格限制，故亟需開展五臺梁礁石清除工程。

2)根據航道規劃和航運發展需求，擬定了對五臺梁實施整體切除的治理方案，并建立二維數學模型對整治效果進行了預測分析。結果表明：清礁實施后，礁石區水深、流速增大，過流能力增加，附近橫流減小，航道側橫流減至0.25 m/s以下，水流趨向平順，流態明顯改善；工程段有效航道尺度提高，滿足4.5 m水深航道寬度基本在300 m以上，礁石附近航槽內水面比降有所減緩，平均減幅為0.08‰，流速分布形態穩定，流速變幅不大，在0.2 m/s以內。

3)總的來看，按擬定的清礁方案實施，不僅有效解決了現狀礁石突出礙航問題，改善通航水流條件和通航環境，并能適應未來航運和航道發展需求，可取得較好整治效果。