長江中游牧鵝洲關聯演變河段航道整治方案

曾 濤，郭 琦

(長江重慶航運工程勘察設計院，重慶 401147)

1 灘險概況

牧鵝洲水道位于長江干線武漢—安慶段6 m水深航道整治工程的最上游，根據已有研究成果[1-3]和大量觀測資料，牧鵝洲水道河勢及航道條件總體較好，近年受上游樞紐蓄水、清水下泄作用，牧鵝洲邊灘呈中高灘沖刷、低灘淤積現象[4]，擠壓凹岸側航槽，造成主槽水流分散減少，邊灘過流量增加，牧鵝洲水道出口水流取直，湖廣水道的上段水流右偏，汪家鋪淺區多次淤積出淺，趙家磯整治建筑物受水流沖擊出現損毀，河段航道條件明顯向不利方向發展，亟需治理。

牧鵝洲水道上起周陽港、下止白滸鎮，全長約10 km。該水道為下段右岸由猴子磯控制的彎曲河段。河道進口周陽港河寬1 500 m左右，往下河道逐漸展寬，至牧鵝港稍上游河寬約2 300 m，出口猴子磯附近河寬約950 m。河道內左岸側是牧鵝洲邊灘，灘頂高程在航行基準面以上5 m左右，最大灘寬約1 500 m，占該處河寬的2/3；右岸側深槽為主航槽，猴子磯上游最深處在航行基準面以下20 m左右、猴子磯下游最深處可達航行基準面以下49 m。主流在周陽港以上由左岸向右岸過渡，周陽港以下至猴子磯偏靠右岸下行，猴子磯以下居中進入下游湖廣水道(圖1)。2013—2014年實施湖廣—羅湖洲航道整治工程，在趙家磯邊灘建設4道護灘帶工程，以守護邊灘，保證主槽航道尺度[5]。

圖1 牧鵝洲河段河勢

2 河床演變關聯特性分析

牧鵝洲河段河道右側為凹岸，沿線天然節點分布密集，自上而下有白滸山、猴子磯、趙家磯、中觀磯等石質節點，河段河勢走向、灘槽格局的形成及穩定與這些節點的分布及其挑流作用變化密切相關，牧鵝洲水道彎曲發展受到白滸山、猴子磯限制；湖廣水道受進口猴子磯挑流影響，進口主流在魏家坦附近即向左岸過渡，加上下游束窄河道而產生的壅水作用，中觀磯以上右岸側形成大面積的趙家磯邊灘。

根據歷史記載，1842—1880年間牧鵝洲左汊高水期可以通航，但主流始終走右汊。1930年12月測圖顯示，水位16.0 m時，牧鵝洲長4.0 km、寬1.80 km，左汊河寬約200 m，右汊河寬1 100 m，主汊在右汊。從1953年測圖上可以看到牧鵝洲已與左岸相連，成為邊灘式的江心洲，河道由分汊河形轉化為單一的彎曲河形。此后本水道長期維持單一彎曲河形。湖廣水道經歷了“主流右擺貼岸、河道向右展寬”以及“主流左擺、右岸側邊灘發育”2個階段變化，其變化過程與牧鵝洲水道形態息息相關，1858年牧鵝洲兩汊下泄，湖廣進口水流平順，形態順直；1930年牧鵝洲淤長，出口水流左偏沖刷汪家鋪淺區，湖廣水道內水流分散淤積形成趙家磯邊灘；1959年以來，牧鵝洲進一步淤長，趙家磯邊灘持續發展壯大，灘槽格局進入相對穩定時期(圖2)。

圖2 牧鵝洲河段歷史演變

20世紀中期以前，牧鵝洲水道由分汊河道演變為單一彎曲，湖廣水道由順直形河道演變為微彎河形，兩水道之間猴子磯、汪家鋪兩控制節點近年變化不大，牧鵝洲水道出流條件決定湖廣水道進流特征，二者演變過程中形態變化密切相關。從近年地形變化分析看，牧鵝洲邊灘低灘淤積、高灘沖刷，邊灘下游出現明顯倒套向上發展約300 m，若不加以控制，持續發展可再次形成分汊河形，下游湖廣水道目前水面較開闊，牧鵝洲邊灘水流取直后，下泄主流勢必右偏，造成下游左側航槽淤積，引起趙家磯邊灘的沖刷和已建整治工程的破壞。

3 礙航

3.1 礙航特性

牧鵝洲河段近年總體航道條件較好，個別年份不滿足航道建設尺度為6.0 m×200 m×1 050 m(深×寬×長)的要求。從近年地形變化情況看，一般汛期流量大、退水過程緩的年份，牧鵝洲水流從灘上取直下泄，汪家鋪淺區易出淺，如2003年枯水期甚至出現了6 m等深線斷開的情況，斷開長度達120 m，2007年和2012年汛后均出現了不滿足200 m航寬的情況，其余年份多在300 m左右，一般情況下能夠滿足建設航道尺度的要求。

牧鵝洲河段目前礙航問題主要體現在3個方面：1)近幾年牧鵝洲邊灘中高灘沖刷、低灘淤積，擠壓凹岸側航槽；2)洲灘沖刷萎縮，造成主槽水流分散減少，邊灘過流量增加，不利于該水道維持較好的航道條件；3)牧鵝洲邊灘束水能力降低，出口水流取直，進入湖廣水道沖刷趙家磯邊灘，威脅已建建筑物的穩定和安全，同時造成汪家鋪淺區沖刷力度減弱，枯水期易出淺礙航，不利于航道尺度的提高。

3.2 礙航原因

牧鵝洲邊灘及河槽的沖淤幅度受沙量的影響較大，大水大沙年對河道的影響顯著。隨著三峽水庫蓄水、清水下泄，來沙量大幅度減小，特別是主要參與邊灘形態塑造的中細顆粒泥沙減幅達70%以上，使得牧鵝洲邊灘洪水期中高沖刷幅度增加、枯水期低灘淤積，在邊灘過流時間較長的年份，極易發生大幅度沖刷，甚至類似于荊江彎曲河段的切灘現象。同時低灘淤積進一步擠壓右岸側航槽，將造成航道條件惡化的趨勢。

下游湖廣水道河床演變受上游牧鵝洲來水來沙影響較大，當水流沿牧鵝洲水道深槽貼凹岸側，經猴子磯一帶山磯的引導進入湖廣水道左側深槽，可沖刷汪家鋪淺區；一旦牧鵝洲凸岸邊灘沖刷萎縮引起主流調整，則會引發下游灘槽形態的相應變化：猴子磯一帶山磯挑流作用減弱，趙家磯邊灘受到的頂沖效應增強，灘上已建建筑物的安全和穩定受到威脅，同時水流分散，對汪家鋪附近淺區沖刷能力不足，淺灘附近泥沙更易淤積，遇高水持續時間長、退水時間短的不利年份，河段極易出淺礙航。

4 整治方案

4.1 整治思路

本河段航道整治思路為：充分考慮河段關聯性特征，穩定灘槽形態，抑制不利變化發展，依托已有工程，形成穩定、單一的枯水期主流流路。

4.2 整治方案

牧鵝洲邊灘方案布置如下：縱向守護范圍從牧鵝洲邊灘頭部至尾部，平面守護范圍以高灘岸線及整治線控制，穩定較好的灘槽格局，避免牧鵝洲邊灘進一步被沖刷破壞。

具體設計方案為：牧鵝洲邊灘護灘帶工程主要由3道護灘帶及對應的根部護岸組成。1#護灘帶為勾頭型護灘帶，長622 m，其中勾頭段長268 m，寬180 m；2#護灘帶同樣為勾頭型護灘帶，長970 m，其中勾頭段長336 m，寬160 m；3#護灘帶為直線型護灘帶，長729 m，寬180 m。3道護灘帶根部護岸長度分別為347.0、344.0、866.5 m。枯水平臺以上為生態護坡磚結構，枯水平臺以下為排體護灘結構。通過牧鵝洲邊灘守護工程，穩定湖廣水道進流條件，依托已建趙家磯邊灘整治建筑物，保障湖廣水道通航條件(圖3)。

圖3 牧鵝洲整治方案

5 效果分析與驗證

為驗證方案效果，在方案研究階段開展了數模和物模研究。兩模型均開展了枯水流量、整治流量、多年平均流量和洪水流量工況研究，數模單獨增加了大洪水工況下模型研究。

5.1 數學模型研究結論

根據牧鵝洲河段平面二維數學模型研究成果，工程實施后，河段水流平順，計算得到系列年各年末河床平面沖淤分布(圖4)。從圖4可知，方案實施后，工程部位呈現淤積，牧鵝洲高灘灘體沖刷得到抑制，航槽有所沖刷，通過控制灘槽形態和完善對航槽邊界的守護防止航道條件的持續惡化發展。

注：正值為沖，負值為淤。

在牧鵝洲水道，左岸牧鵝洲邊灘在工程作用下，頭部穩定，3 a末中下段呈現微淤，后2道護灘帶淤積幅度大于第1道，普遍淤積大于1 m，工程前沿河床出現小幅沖刷，出口左淤右沖；至第5 a，工程區域繼續淤積，未出現無工程趨勢預測中竄溝發展的不利情況，河槽內基本表現為沖刷；至10 a末，沖淤變化規律基本一致，牧鵝洲灘面穩定，中下段灘緣淤積2～3 m。牧鵝洲水道出流條件穩定，湖廣水道趙家磯邊灘淤積，主槽通航條件良好。

5.2 物理模型研究結論

根據牧鵝洲河段定床及動床物理模型試驗，無工程10 a水沙作用后牧鵝洲邊灘中高灘遇大水年有所沖刷，低灘淤積，6 m等深線寬度縮窄，同時更加彎曲，至第10 a末，猴子磯附近6 m等深線寬度縮窄至173 m；湖廣水道趙家磯邊灘頭部沖刷，汪家鋪淺區在大水年年末易出現不足6 m淺包，至第10 a末，6 m等深線寬度不足200 m，河段航道條件不滿足建設尺度要求。

牧鵝洲邊灘護灘工程實施后，河段航道條件維持較好，表1為模型中觀測的方案系列年試驗各年末航道統計情況。大水年航道條件有所變壞，小水年有利于主航槽航道條件的維持。經過10 a水沙作用，6 m水深航槽主要表現為：1)牧鵝洲水道最小航寬區域仍位于猴子磯附近，至第5 a末航寬可達396 m，但局部區域航路彎曲且流態紊亂現象依舊存在，至第10 a末，最小航寬達402 m，基本滿足規劃尺度要求；2)湖廣水道汪家鋪淺區一帶6 m水深航寬如遇大水年有所縮窄，但在整治工程作用下，10 a內6 m水深航寬尺度基本滿足建設尺度要求。

表1 方案實施前后不同區域6 m最小航寬 m

從工程后地形變化看，河床經過10 a水沙作用，河勢總體維持穩定，各水道地形變化如下：1)牧鵝洲邊灘中高灘受護灘帶作用沖刷受限，遇大水年低灘略有沖刷，深槽淤積，6 m等深線寬度較試驗初期縮窄，而遇小水年，6 m線又呈展寬態勢，至10 a末，猴子磯附近6 m等深線寬度約402 m；2)湖廣水道汪家鋪淺區在丁壩作用下，汛期淤積體汛后沖刷，遇大水年6 m等深線變窄，但10 a內，其最小寬度均在200 m以上，工程效果明顯。

5.3 試運行初步效果評價

牧鵝洲河段航道整治工程于2019年8月開始實施，2020年1月完成護灘主體施工，2020年12月完成所有施工內容，期間經歷了2020年長江流域罕見大洪水，洪水持續時間長，通過流量大。從2020年下半年測圖看，牧鵝洲邊灘外形完整，中高灘守護效果較好，未出現明顯沖刷降低，現場水流條件較好，汪家鋪淺區略有淤積外延，河段航道尺度仍滿足建設尺度要求。由于該工程剛實施完成，工程系統的穩定性和整治效果觀測分析工作將逐步開展，后續將根據相應成果進一步開展維護和完善工作。從2020年大洪水汛后效果看，工程效果與數學模型和物理模型預測結果基本一致。

6 結語

1)近幾年牧鵝洲邊灘中高灘沖刷、低灘淤積，擠壓凹岸側航槽，牧鵝洲水道航道條件有向不利方向發展的趨勢。邊灘沖刷萎縮一方面將造成水流分散，凹岸深槽淤積，不利于航道條件的穩定，另一方面惡化猴子磯處船舶航行條件，進一步影響湖廣水道進流條件。

2)根據礙航成因確定整治思路為：充分考慮河段關聯性特征，穩定灘槽形態，抑制不利變化發展，形成穩定的、單一的枯水期主流流路，并滿足建設標準的要求。

3)牧鵝洲河段整治中采用3道護灘帶對牧鵝洲邊灘進行守護，經數學模型效果、物理模型驗證和2020年大洪水后觀測分析，航道尺度均滿足建設標準要求，達到了預期的整治目的。

4)牧鵝洲河段洲灘演變具有明顯的關聯性特征。本方案研究采用多種手段，充分研究牧鵝洲邊灘、汪家鋪淺區和趙家磯邊灘的關聯特性，通過在牧鵝洲邊灘布設護灘工程，實現控制湖廣水道進流特性、增加汪家鋪淺區沖刷力度和守護趙家磯邊灘的目的，在類似河段方案研究中應適當考慮關聯性特征。