長江河道采砂的影響及其控制利用的試驗分析

劉 異

（安徽省無為大堤長江河道管理局，安徽 蕪湖 238300）

引言

長江蕪湖銅陵馬鞍山段的持續發展，迫切需要對該河段河床演變規律進行深入性研究，并以此為基礎，探索如何落實對河勢變化的正確引導，結合河道采砂與河道整治，保證河勢持續穩定。

1 試驗設計與安排

1.1 試驗水池以及模型砂

在鐵水箱以及疊加支撐的微尺度模型池內展開，本次試驗中設定模型時的凈尺寸為1 970 mm×970 mm×250 mm。在整個模型池的組建過程中，所投放的材料為厚度保持在10 mm 左右的灰色塑料板，對灰色塑料板實施焊接處理，并在此基礎上加設強化箍，以此完成模型池的設置。在模型池內5 cm 左右厚度的底板上，加設模型，在本次中設定底坡的坡度為1%；鐵制水箱內的水主要由模型池內流入，結合短管（2 條）的投放，分別與兩個循環水泵進行連接處理，以此組建起水循環系統，其中，針對單排泵均加設調節閥門，并應用三角堰量測量流量。

要求投放的兩臺泵進行同時運行，此時所得到的試驗流量最大值為每秒1.134×10-3m3。在整個模型的上游區域，加設整流器，此確保所有進入模型池內的水流均始終保持在平穩順暢的狀態下；同時，在下游位置，于尾門前落實除砂槽的加設，以此達到對水流運動所攜帶泥沙進行有效攔截的效果。此時，即便有少量的顆粒泥沙，隨著水流進入水箱，在模型池的出口位置也能夠受到濾沙器的作用，被再次攔截。在邊案位置投放由泡沫塑料所制成的結構，以此實現對浮力的有效克服；在配備重物的基礎上，應用多個F型大夾具進行連接處理，保證整個結構可以與模型池邊長時間保持在緊密連接的狀態下，確保模型始終保持在穩定狀態。將彈性優良的泡沫在縫隙內實施填充處理，從而保證所有進入模型池的水體僅僅能夠依托模型河道流動、通過[1]。

在長江蕪湖銅陵段（河道基本情況見圖1、圖2）河床內多包含分細砂沉積物，不同顆粒之間具備一定的粘結力，因此，在本次模擬試驗中，進行模型砂的制作期間，主要投放的材料為顆粒粒徑相對較大的合成材料模型砂，相應材料的密度設定為每立方厘米1.4 g；主體設定為聚甲醛樹脂顆粒，相應顆粒的平均篩徑控制在3 mm 的狀態下，如圖3 中曲線A 所示。同時，為了實現對岸灘表面層對水流作用的阻抗的定性模擬，在表面中落實了對電木粉的適量摻入，相應電木粉顆粒的粒徑控制在0.2 mm 左右，以此達到進一步增加顆粒之間所具備粘結力大小的效果。在整個試驗中，取樣分析之表層顆粒的平均粒徑控制在1.1 mm 左右，如圖3 中的曲線B 以及曲線隙所示。由于在汛期條件下，長江水流的含沙量也始終保持在相對較小的狀態下，所以在本次試驗中，應用微尺度模型，針對長江蕪湖銅陵段河床演變試驗所消耗的時間相對較短，基于這樣的情況，在本次模擬實驗中并沒有在上游進行加沙處理。

圖1 長江蕪湖段基本情況

圖2 長江銅陵段基本情況

圖3 模型試驗用合成材料顆粒分布

1.2 模型試驗參數以及組次設定

在本次試驗中，設定原型平面尺度與相應模型平面尺度之間的比值為平面比值；設定原型垂向尺度與相應模型垂向尺度之間的比值為垂向比尺。在實際的模型制作期間，主要落實了對試驗流態條件，應盡可能與原型更為接近這一要求的考量，以此確保河床演變觀測的現實需求得到全面性滿足，基于這樣的要求，在本次試驗中，主要應用了具備更大變態率的變態模型[2]。長江蕪湖銅陵段地形的平面參數主要結合國家海洋信息中心所印制發布的區域平面圖進行確定；地水下地形，特別是深紅線相應信息主要參考蕪湖市、銅陵市水利局測繪大隊所進行實測期間制作的地形圖。在本次試驗中，使用模型比例尺為18333；使用的模型垂像比尺為500 制作；使用的模型幾何變態率為36.67。

結合歷史經驗以及前期實踐探究結果能夠了解到的是，對于特大洪水而言，其會對長江河床的演變起到決定性作用，在本次試驗中，主要選用大通站歷史實測洪水流量的最大值，即每秒92 600 m3進行分析，結合常用的河工模型理論支流量比尺設定為204 972 525,基于這樣的情況，可以了解到模型的流量為每秒4.158×10-4m3。對于長江而言，其洪水汛期持續時間相對較長，在本次試驗中主要考慮了典型汛期普遍持續一個月左右，模擬試驗期間，由于所應用的材料為模型變態以及輕質合成材料砂，其結果是達到推移至變形所需的實驗時間呈現出顯著性，縮短的結果確定為20'～30'。

1.3 近景攝影測量三維圖像解析

在本次試驗中，主要沿蕪湖銅陵段航道完成21個控制測點的布設，以此確保在實際試驗操作期間能夠從不同部位、不同角度入手完成現實影像獲取拍攝，確保實際獲取到的控制點圖像充足、有效。同時，在各個點的表面均加設了圓靶形十字絲控制標記，相應標記的直徑設定為20 mm。在實際試驗前期，落實對各點高程以及水平距離的仔細測量，以此確保能夠有效構建起三維坐標控制網。為確保對整個模型攝驗時落實拍攝操作的方便、快捷展開，主要進行了專門攝影臺的搭設控制，相應攝影臺的高度為3 m 左右。實踐中，主要從左側與右側這兩個方向入手，依托照相機的分別投放，在此過程中，投放的照相機設備焦距設定為50 mm，感光敏感程度控制在400 左右，隨后，需要應用分辨率維持在1 200 dpi～2 000 dpi 左右的掃描儀，針對拍攝到的圖像進行數字化轉換，并在此基礎上落實后續處理分析[3]。

2 試驗結果分析

2.1 順直河道的采砂坑

使用圓柱體在遠離兩岸的靜水河床上進行造坑處理，邊坡倒塌后可以形成倒圓臺，其深度控制在25 mm，上圓口徑控制在75 mm 左右，在過水后采砂坑即成橢圓狀。試驗期間，水深控制在40 mm～50 mm 左右，倒圓臺深度與實驗水深之間的比值控制在0.5～0.56 的范圍內；由于溯源沖刷，頂端向上游蔓延，尾端向下游樹窄拉長。為實現對采砂坑形態隨時間發展過程的觀測，要確保水流速度，能夠始終保持在助推床面顆粒剛剛可以支持推移質運動形成的狀態。通常來說，在未受到兩岸邊岸坡邊界明顯影響的條件下，采砂坑范圍，在沿流下移的過程中會有所加寬，但是逐步由采砂坑邊緣向其中部呈現出逐漸變淺的發展狀態；若有上游來砂量相對較多，則會逐漸被淤平淹沒[4]。換言之，在床面上采砂坑范圍相對較小的狀態，下床面所產生的變形也維持在較小狀態。

2.2 彎曲河道的采砂區

實際試驗結果表明，在河道彎曲入口位置，若斷面環流相對較弱，在相應位置設置采砂區，除了會對凸岸淤積沙洲的大小以及穩定性產生影響之外，其余情況均與順直河道中的情況基本相同。而在斷面環流相對較強的狀態下，所設置的采砂區明顯表現出向凹岸深泓線移動的狀態，同時凸案邊灘在向上游移動期間也會遭受到橫向切割。在斷面環流更強的狀態下，相應采砂區處于該斷面左岸或中部期間，其下游床面會表現出偏向凹岸邊癱的長尾跡。需要注意的是，采砂區處于該斷面（斷面環流更強）左岸以及處于該斷面中部之間所產生的影響有著一定的差別，當采砂區處于該段面（斷面環流更強）的左岸時，會偏向左岸嚴重淘刷坡角，所以，在當前禁止將采砂區設置在環流較強斷面的左岸位置；而當采砂區設置在該斷面的中部位置時，下游尾跡使得凸岸淤積的沙洲明顯減小[5]。

試驗中，獲取到的彎曲河道局部河床變化情況見表1。

表1 彎曲河道局部河床變化情況

2.3 分汊河道的采砂區

長江蕪湖段左汊道長度約為13 km，上段進口河床較寬且相對較淺，江中淺灘淤漲、左右擺動頻繁；在左汊道下段位置，主要顯現出的演變形式為進口河床有所拓寬，且江中淺灘淤漲、左右擺動頻繁。右汊道呈現出藕節狀，其-10 m 深槽與上下游保持貫通，位置與走向變動情況并不明顯；2007 年，-20 m 的深槽尾部與下游深槽之間實現全線貫通；2010 年及以后，動大橋到東梁山段的-20 m 的深槽實現全線貫通。在低水期，右汊道為主要水流集中區域；在中高水期，左汊道的分流表現出增加狀態。在高水期，左汊道分流約為30%～40%；在低水期，左汊道分流約為10%。分沙比與分流比的變化趨勢基本保持一致，在同期條件下，左汊道的分沙比表現出略微高于分流比的狀態。

左汊道積淤展寬能夠達到改善南部進口航道條件的效果，具體數據見表2，在北部過水面積有所下降的條件下，南部進口寬度表現出增大的發展趨勢。

表2 北部過水面積與南部進口航道條件之間的關系

3 結論

綜上所述，本次分析試驗結果表明，為避免采砂作業對河床變形產生過大的影響，要避免展開大規模的與主流方向相垂直的采砂工作；在彎曲河道中，禁止將采砂區設置在環流較強斷面的左岸位置，應當將彎頂下游位置設定為最優采砂位置；分汊河道下游區域的泥沙會持續不斷的被補給，因此只要適當控制采砂強度，就不會對沙洲的安全性造成影響，因此可以在相應位置展開持續采砂操作。