邊灘嵌入式碼頭對河段航道條件的影響——以臨湘港區(qū)鴨欄碼頭為例

張 健，倪春飛，許 慧，陳 珺

（1.南京水利科學(xué)研究院，南京 210029；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 210098；3.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州 311100）

0 引 言

長江作為我國內(nèi)河航運(yùn)最發(fā)達(dá)的河流，沿江經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，兩岸規(guī)劃建設(shè)了眾多港口碼頭、取排水口、跨（穿）江設(shè)施等，占用了大量的長江岸線資源。在“共抓大保護(hù)、不搞大開發(fā)”的長江流域發(fā)展新形勢下，一切涉及長江的經(jīng)濟(jì)活動都要以不破壞生態(tài)環(huán)境為前提，涉河項(xiàng)目得到整治、整改，國家和流域內(nèi)各省市制定了相關(guān)岸線開發(fā)利用與保護(hù)規(guī)劃，劃定的岸線保護(hù)區(qū)、保留區(qū)、控制利用區(qū)繼續(xù)開發(fā)利用的難度加大，而河勢基本穩(wěn)定、水流條件較好的岸線開發(fā)利用區(qū)長江干流內(nèi)只有108個(gè)，長度987.1 km，占岸線總長度的11.9%，可供開發(fā)的優(yōu)良岸線資源變得相對緊張［1］。

岳陽港鴨欄浮碼頭目前存在水域污染、岸線利用率低等問題，但限于岸線規(guī)劃只能在原址進(jìn)行提質(zhì)改造。工程分布在界牌河段儒溪邊灘和上邊灘之間的水域內(nèi)，有儒溪竄溝與主航道相連通，平面布置類似挖入式港池，但挖入式港池多是嵌入岸線內(nèi)的人工港池，鴨欄碼頭是一種嵌入邊灘之間的碼頭，邊灘上往往又有整治建筑物進(jìn)行守護(hù)，碼頭選址較為不利，有可能影響到河段航道條件，包括通航水流條件、河床沖淤及整治建筑物的穩(wěn)定與功能等，隨著水運(yùn)行業(yè)的快速發(fā)展，深水岸線越來越緊缺，未來這種邊灘嵌入式碼頭將有更多的應(yīng)用空間，因此有必要對這種特殊碼頭的工程影響進(jìn)行研究。目前國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于碼頭工程對河道行洪、附近流場變化、河床沖淤、周邊涉水工程影響的研究取得了豐富成果，陳珺等［2］研究了典型潮洪條件下甬江上下游碼頭群對河道行洪的聯(lián)合影響，分析比較了單段碼頭群和全河段碼頭群的洪水位、流速變化，結(jié)果表明碼頭群之間存在相互影響，全河段碼頭群對水流特性影響程度大于單段碼頭群；葉成華等［3］研究了水庫變動回水區(qū)的白石灘翻壩碼頭對通航水流條件的影響，數(shù)學(xué)模型結(jié)果表明，碼頭在較高水位下運(yùn)行滿足通航水流條件要求；萬華等［4］研究了武漢王家巷輪渡碼頭改造方案的通航安全影響，經(jīng)方案不斷優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)了碼頭改造工程對通航環(huán)境影響最小、通航風(fēng)險(xiǎn)最低的目標(biāo)；但邊灘嵌入式碼頭對航道條件的影響研究較少。本文以臨湘港區(qū)的鴨欄碼頭為例開展了邊灘嵌入式碼頭對航道條件影響的模型試驗(yàn)研究，研究成果可為類似工程提供參考。

1 工程概況

界牌河段上起楊林山，下至石碼頭，全長38 km。河段為順直放寬分汊河型，以谷花洲為界，上段順直單一，右岸發(fā)育有儒溪邊灘和上邊灘，主流多數(shù)年份居左，主航道位于沿岸深槽；新洲腦附近有螺山心灘將河段分為左右槽，規(guī)劃航槽為左槽，但左槽尾部航槽經(jīng)常大面積斷開，右槽水深優(yōu)于左槽，故實(shí)際航道位于右槽，而右槽水流貼靠丁壩而下，存在安全隱患；心灘尾至新淤洲頭，水流逐漸過渡到右岸，稱為過渡段；下段河段被新淤洲和南門洲分為兩汊，左汊新堤夾為支汊，右汊為主汊。界牌河段是長江中游著名礙航淺段，河勢調(diào)整頻繁，航道條件變化很大［5］，從20世紀(jì)90年代開始，航道及水利部門先后實(shí)施了兩期治理工程（表1），目前，航道尺度滿足3.7 m×150 m×1 000 m（水深×航寬×彎曲半徑）的標(biāo)準(zhǔn)。

表1 界牌河段已建河道治理工程Tab.1 River regulation projects built in Jiepai reach

擬建碼頭工程位于界牌河段儒溪邊灘右汊、螺山水文站對岸，工程建設(shè)內(nèi)容主要包括高樁梁板碼頭和港池、進(jìn)港航道的疏浚（圖1），碼頭順岸布置3 個(gè)3 000 t 級泊位，碼頭前沿線布置在15.0～16.0 等高線附近，設(shè)計(jì)低水位16.18 m，碼頭平臺長361 m，寬28 m，分為6 個(gè)結(jié)構(gòu)段，每個(gè)分段有8 榀排架，排架間距均為8.0 m，每榀排架設(shè)置5 根φ1 500 mm 鉆孔灌注直樁。碼頭與堤頂?shù)缆吠ㄟ^3 座固定引橋連接，1 號引橋長為260.03 m，寬為9 m；2 號引橋長為205.83 m，寬為12 m；3 號引橋長為205.42 m，寬為9 m，引橋主排架間距為16 m，1 號和3 號引橋每榀排架下設(shè)2 根φ800 mm 直樁，2 號引橋每榀排架下設(shè)3 根φ800 mm直樁［6］。

圖1 界牌河段河勢及碼頭工程布置Fig.1 The river regime of Jiepai reach and wharf engineering layout

碼頭前沿布置港池水域，包括停泊水域和回旋水域，港池設(shè)計(jì)底標(biāo)高為11.88 m，新建進(jìn)港航道與長江主航道夾角59°，長約868 m，單向航道設(shè)計(jì)，寬度為50 m，設(shè)計(jì)底標(biāo)高為12.18 m。由于港池水域及進(jìn)港航道范圍內(nèi)水深不足，為滿足船舶進(jìn)出港要求需要疏浚，疏浚方量53.8 萬m3，挖深1～4 m。

2 河床演變

2.1 自然演變特性

界牌河段平面形態(tài)多年不變，但河道內(nèi)洲灘調(diào)整劇烈，演變具有明顯周期性，順直段交錯邊灘復(fù)歸性平行下移，分汊段受上游灘槽變化而發(fā)生相應(yīng)汊道調(diào)整，過渡段隨邊灘的變化大幅上提下移，縱向擺幅可達(dá)14 km，主流擺動、灘槽不穩(wěn)，航道易出淺礙航，過渡段航道條件的不穩(wěn)定是制約界牌河段的重要因素。

2.2 綜合治理工程實(shí)施后～航道整治二期工程前

綜合治理工程實(shí)施后，丁壩、魚嘴工程限制了主流橫向、縱向的擺動空間，起到了固灘穩(wěn)槽作用，鎖壩工程封堵了新淤洲串溝，中洪水河勢得以初步穩(wěn)定［7］。三峽水庫2003年蓄水運(yùn)用后，流量過程坦化明顯，壩下河段來沙銳減，泥沙沿程補(bǔ)給增加，水沙條件的顯著改變引起河床沖淤的響應(yīng)性調(diào)整，心灘北槽沖刷發(fā)展，過渡槽深泓擺動幅度較大，心灘尾下延淤堵新堤夾，水流集中在右汊，河段總體表現(xiàn)為縱向沖刷下切，減弱了洲灘的恢復(fù)性淤積，一定程度上延緩了演變周期的進(jìn)程，沖刷主要集中在枯水河槽，斷面形態(tài)朝窄深型發(fā)展，在兩岸多個(gè)天然節(jié)點(diǎn)及大規(guī)模護(hù)岸的作用下，岸線邊界保持穩(wěn)定［8-10］。

2.3 航道整治二期工程以來

魚嘴和魚刺形式的護(hù)灘帶守護(hù)了新淤洲前沿低灘，有利于過渡段航道邊界的穩(wěn)定［11］。二期工程以來，界牌河段總體河勢基本穩(wěn)定，新堤夾萎縮、右汊發(fā)展的態(tài)勢不變，儒溪邊灘、上邊灘及新淤洲高灘的變化均不大，螺山心灘頭沖尾淤，心灘右槽進(jìn)口淤積，2019年維護(hù)性疏浚工程量達(dá)97.86萬m3，左槽沖刷發(fā)展［12］，碼頭所在位置的河床基本穩(wěn)定，2016-2021年，河床變化幅度在1 m 左右，進(jìn)港航道年內(nèi)沖淤規(guī)律表現(xiàn)為洪水期以淤積為主，退水期以沖刷為主。

3 物理模型設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

3.1 模型比尺和模型沙

定床模型上起楊林山，下至上篾洲，模擬河長23 km，動床模型范圍為儒溪～新洲腦，模擬河長約15.7 km，進(jìn)出口均與工程保持足夠的距離。根據(jù)模擬河段長度、場地限制等因素，平面比尺λL=280，考慮模型水深、紊流條件限制，垂直比尺λH=100，模型變率為2.8。界牌河段推移質(zhì)泥沙輸沙量遠(yuǎn)較懸移質(zhì)輸沙量為少［13］，泥沙模型主要模擬懸移質(zhì)泥沙，模擬粒徑范圍為0.062～0.5 mm，模型沙選用聚丙烯甲酯輕質(zhì)沙，其容重1.22 t/m3，干容重0.43～0.46 t/m3，模型沙呈現(xiàn)米黃色，具有粒徑范圍廣、物理化學(xué)性能穩(wěn)定、親水性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，粒徑大于0.05 mm 的沙樣基本無黏性。導(dǎo)出的其他模型比尺見表2。

表2 模型主要比尺匯總Tab.2 Main scale summary of the model

3.2 碼頭樁群模擬

三百余根樁伸入江中，勢必引起區(qū)域的水流和泥沙沖淤變化。為能使樁群影響區(qū)域水流和泥沙運(yùn)動模擬真實(shí)，模型需考慮到樁群的模擬。如果模型樁柱按照河道幾何比尺進(jìn)行縮制，則模型的樁徑雷諾數(shù)將大大減小，其阻力系數(shù)與原型不相等，達(dá)不到阻力相似［14］，而樁群阻力是樁群影響水流泥沙運(yùn)動特性的內(nèi)因，必須滿足其阻力相似條件（式1）。

式中：A0為樁群外包線在垂直于水流方向平面上的投影面積；A為樁群在垂直于水流方向平面上的投影面積。單樁阻力系數(shù)CD值與樁柱徑向雷諾數(shù)有關(guān)，CD可根據(jù)Hunter Rouse的CD與Re的關(guān)系曲線確定［15］。

從方便制作、不易變形的角度，本文選用鉛絲制作模型樁柱，先假定模型樁徑為4 mm，樁群順岸布置，近似垂直水流流向，不考慮迎流角作用，按原型平灘流量42 500 m3/s 條件下計(jì)算相應(yīng)投影面積，碼頭附近平均實(shí)測流速約為1.07 m/s，可計(jì)算原型、模型的單樁雷諾數(shù)及阻力系數(shù)。利用共線力系疊加原理，用模型單樁模擬原型順?biāo)鞣较虻呐艠?，采用樁群綜合阻力系數(shù)Cp′代替原型樁阻力系數(shù)［式（2）］，對碼頭樁群進(jìn)行簡化，取10 倍樁徑距離內(nèi)碼頭樁數(shù)n=2，進(jìn)行相關(guān)計(jì)算后，得模型樁數(shù)為3.13，考慮安全系數(shù)，實(shí)際采用4 根樁，原型樁群基本均勻布置，順?biāo)鞣较驑毒? m，垂直水流方向有5根樁，總樁距22.8 m，則碼頭模型樁的分布為：順?biāo)鞣较驑毒?.9 cm，垂直水流方向上簡化為每排架4 根樁，樁距2.7 cm；引橋類似布置（圖2）。

圖2 整體與局部模型Fig.2 Global and local models

式中：n為順?biāo)鞣较?～10倍樁徑距離內(nèi)樁的根數(shù)。

表3 碼頭樁群概化計(jì)算Tab.3 Generalized calculation of wharf pile group

3.3 模型驗(yàn)證

根據(jù)2021年2月（流量12 000 m3/s）和2019年8月（流量31 000 m3/s）的實(shí)測水文資料，對模型的水面線、斷面流速分布、汊道分流比等進(jìn)行了驗(yàn)證，水位偏差在+0.05 m 之內(nèi)，各斷面流速偏差在+0.01～0.12 m/s以內(nèi)，流速分布規(guī)律基本一致，汊道分流比最大偏差為0.40%；動床階段進(jìn)行了2019-02-2020-04、2020-04-2021-02 兩個(gè)時(shí)段的河床變形驗(yàn)證，模型平面沖淤分布與原型基本相似，全河段沖淤總量最大偏差為19.2%，上述驗(yàn)證偏差均符合《水運(yùn)工程模擬試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范》（JTS/T 231-2021）的要求，模型能夠復(fù)演天然河道水流泥沙運(yùn)動規(guī)律。

圖3 典型斷面流速分布驗(yàn)證（12 000 m3/s）Fig.3 Verification of velocity distribution in typical section（12 000 m3/s）

4 航道條件影響分析

4.1 試驗(yàn)條件

為充分反映不同水流條件下碼頭工程的影響，選取洪、中、枯多級流量進(jìn)行水流定床試驗(yàn)，對碼頭工程實(shí)施前后水位、流速、汊道分流比等方面進(jìn)行觀測分析。不同水沙組合對河床沖淤的影響較大，分析近10年螺山站的水沙資料（圖4），選取大水大沙的2020年作為不利典型水文年，中水中沙的2018年作為平常水文年，2016-2020年作為系列年，按實(shí)際水沙概化后在動床模型上進(jìn)行施測。地形采用2021年2月實(shí)測1：10 000 界牌河段地形，港池、進(jìn)港航道疏浚后局部地形按設(shè)計(jì)底標(biāo)高開挖處理。

圖4 螺山站近期流量和輸沙量Fig.4 Recent discharge and sediment transport of Luoshan station

4.2 通航水流條件

4.2.1 水 位

工程實(shí)施后，左岸水尺水位不變，右岸除碼頭上游5號、5-1號水尺外，其余區(qū)域水位不變，工程對主航道內(nèi)水位無影響（水尺位置見圖1）。右岸5 號、5-1 號水尺距碼頭前沿分別為2 500 m、260 m，受進(jìn)港航道疏浚影響，枯水流量條件下，局部水位下降4～5 cm，隨著流量增加，水位下降程度減小，在洪水流量時(shí)，水位不變。

4.2.2 流 速

碼頭工程對河道水流的影響主要體現(xiàn)在兩方面，一是碼頭及棧橋樁群阻水的影響，造成碼頭工程上下游流速降低；二是碼頭樁群對水流有導(dǎo)流作用；進(jìn)港航道疏浚后，疏浚區(qū)域流速減小，疏浚區(qū)域下游流速有所增加。碼頭及進(jìn)港航道疏浚對水流的影響是兩者綜合作用的結(jié)果。

因工程距離長江主航道較遠(yuǎn)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，工程對水流的影響集中在工程區(qū)附近，流速增加的區(qū)域是進(jìn)港航道下游側(cè)局部區(qū)域（2 號丁壩前沿上邊灘），其余區(qū)域流速以減小為主。流速影響范圍是隨著流量的增大而增加，位置也有所下移（表5）。工程對主航道流速流向影響很小（圖5），枯水流量時(shí)，主航道流速在2 號丁壩對開的區(qū)域增加0.01～0.02 m/s，中洪水流量時(shí)，流速無變化；流向變化在0.2°以內(nèi)。

圖5 碼頭工程附近典型斷面流速變化Fig.5 Velocity variation of typical section near wharf engineering

表4 試驗(yàn)條件Tab.4 Test conditions

表5 工程實(shí)施后流速影響范圍（0.02 m/s）Tab.5 Influence range of velocity after engineering implementation（0.02 m/s）

4.2.3 汊道分流比

碼頭樁群侵占了部分過水?dāng)嗝妫哂幸欢ǖ淖杷饔?，但因阻水比很小，且整體作為透水結(jié)構(gòu)，工程實(shí)施對儒溪邊灘右汊過流影響較小，對螺山心灘左右槽分流比無影響?？菟髁肯?，儒溪邊灘右汊分流比增加0.4%，相應(yīng)主航道所在的儒溪左汊減小0.4%，中洪水時(shí)，儒溪邊灘左右汊分流比無變化。

4.3 河床沖淤變形

工程實(shí)施改變了局部水流結(jié)構(gòu)，流場的變化導(dǎo)致局部河床變形調(diào)整。由圖6可知，工程引起的河床沖淤主要集中在工程區(qū)附近，對主航道內(nèi)泥沙沖淤無影響。碼頭前沿及進(jìn)港航道開挖區(qū)域淤積為主，淤積幅度在1～2 m；上邊灘有沖有淤，沖刷主要位于2號丁壩上游側(cè)，幅度0.2～0.5 m，2號丁壩附近上邊灘0 m線附近沖刷幅度0.1～0.7 m。

圖6 不利水文年時(shí)工程引起的河床沖淤Fig.6 Riverbed scouring and silting caused by the engineering in adverse hydrological years

5 補(bǔ)償方案及效果

鑒于2 號丁壩附近的上邊灘灘體局部有所沖刷，沖刷位置距主航道右邊線較近，且一定程度上影響2 號丁壩護(hù)灘功能發(fā)揮，為保持上邊灘穩(wěn)定，根據(jù)模型試驗(yàn)成果，擬對工程引起的上邊灘沖刷區(qū)域進(jìn)行守護(hù)，實(shí)施補(bǔ)償工程。

守護(hù)范圍：2 號丁壩上游16.0 m 等高線至18.0 m 等高線間的區(qū)域，起點(diǎn)布置在碼頭樁群掩護(hù)范圍內(nèi)；河槽內(nèi)水下護(hù)底至10 m等高線，終點(diǎn)布置在進(jìn)港航道倒套轉(zhuǎn)折點(diǎn)下游約184 m處。結(jié)構(gòu)形式方面，進(jìn)港航道右側(cè)邊界16.0 m 至17.0 m 等高線間區(qū)域擺放兩層透水框架，17.0 m 至18.0 m 等高線間區(qū)域鋪設(shè)一層無紡布和17 cm厚鋼絲網(wǎng)格，2號丁壩前沿河槽從17.0 m等高線向河心側(cè)寬45 m的范圍水下護(hù)底采用拋1 m厚鋼絲網(wǎng)石籠。

為研究補(bǔ)償工程實(shí)施后的效果，進(jìn)行了系列年泥沙試驗(yàn)，圖7給出了初始以及系列年末碼頭及進(jìn)港航道附近邊灘形態(tài)，由圖7可見，與初始地形相比，系列年末補(bǔ)償工程實(shí)施后，2 號丁壩附近上邊灘灘體有所淤積，淤積幅度在1～3 m，上邊灘設(shè)計(jì)水位上0 m 線和3 m 線均上延外擴(kuò)，說明補(bǔ)償工程起到了守護(hù)效果。

圖7 補(bǔ)償工程實(shí)施后等深線變化Fig.7 Change of contour after implementation of the compensation engineering

6 結(jié) 論

（1）臨湘港區(qū)鴨欄碼頭位于邊灘之間的竄溝內(nèi)，工程實(shí)施對界牌河段主航道通航水流條件影響較小，流速變化集中在工程區(qū)附近，受碼頭樁群阻水、導(dǎo)流和進(jìn)港航道疏浚的疊加影響，2 號丁壩附近的上邊灘左緣流速有所增加，幅度0.02～0.04 m/s，碼頭前沿及下游側(cè)流速減小。

（2）泥沙試驗(yàn)表明，流速增大的上邊灘頭部區(qū)域受到?jīng)_刷，沖刷影響了2號丁壩的促淤護(hù)灘功能，為此實(shí)施了補(bǔ)償方案，考慮到方案的長效性以及自身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，方案擴(kuò)大了守護(hù)范圍，起點(diǎn)伸入樁群掩護(hù)區(qū)內(nèi)，并布置成拐頭形式，最大程度上平順?biāo)鳌＝?jīng)系列年泥沙試驗(yàn)后，上邊灘左緣開始淤積，補(bǔ)償方案起到了守護(hù)效果，消減了碼頭工程帶來的不利影響。