長江中游戴家洲河段提高航道標(biāo)準(zhǔn)治理工程模型試驗(yàn)研究

(長江科學(xué)院 河流研究所，湖北 武漢 430010)

長江中游戴家洲河段提高航道標(biāo)準(zhǔn)治理工程模型試驗(yàn)研究

張慧李會(huì)云朱勇輝

(長江科學(xué)院河流研究所，湖北武漢430010)

為挖掘長江航運(yùn)潛能，提高長江中游航道通過能力，依托黃金水道推動(dòng)長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)，通過河演分析和河工模型試驗(yàn)，重點(diǎn)研究了提高航道標(biāo)準(zhǔn)治理工程實(shí)施后戴家洲河段的河床沖淤、洲灘穩(wěn)定性、汊道分流比等變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上分析治理工程實(shí)施對(duì)戴家洲河段河勢、防洪、岸坡穩(wěn)定以及航道等的影響。研究表明，實(shí)施治理工程能實(shí)現(xiàn)戴家洲河段直水道6.0m航道的通暢，對(duì)防洪和岸坡穩(wěn)定影響不大；但戴家洲右汊分流比增大，對(duì)河勢有一定影響。其研究成果可供治理工程論證與設(shè)計(jì)參考。

航道治理；河工模型；河勢；防洪； 長江中游

1 研究背景

戴家洲河段位于長江中游湖北境內(nèi)，為長江中下游重點(diǎn)治理河段，也是長江中游重點(diǎn)淺水道之一。該河段先后實(shí)施了一期工程、戴家洲右緣下段守護(hù)工程及二期工程，工程實(shí)施后基本實(shí)現(xiàn)了該河段“十二五”規(guī)劃目標(biāo)，河段航道尺度基本達(dá)到4.5 m×200 m×1 050 m ，保證率為98%，目前戴家洲航道水深不滿足6.0 m×200 m×1 050 m 的要求，成為武漢至安慶段提高至6.0 m的瓶頸河段之一。因此開展該河段提高航道標(biāo)準(zhǔn)治理工程的研究與建設(shè)具有十分重要的意義。

戴家洲河段，上起鄂州市，下止廻風(fēng)磯間，全長約34 km，長江宜昌至安慶段提高航道標(biāo)準(zhǔn)治理工程規(guī)劃在該河段加高，上延一期工程脊壩、新建刺壩和布置護(hù)灘、潛丁壩、護(hù)底帶等工程[1](見圖1)。

國內(nèi)對(duì)于戴家洲河段航道整治工程研究起于2006年，且以河段演變規(guī)律及礙航特點(diǎn)為重點(diǎn)，提出4.5 m航深航道整治原則。在此基礎(chǔ)上，開展了工程方案的研究，并分別提出了總體治理方案、一期工程治理方案及戴家洲右緣下段守護(hù)方案。期間，劉萬利、李旺生等對(duì)戴家洲河段天然水流特性、崩岸特性及護(hù)岸措施進(jìn)行了研究[2-3]。蔡大富分析了戴家洲河段河床演變及礙航特性，研究了戴家洲右緣護(hù)岸工程方案[4-5]。張慧、李會(huì)云等對(duì)鄂黃河段河道演變及治理對(duì)策進(jìn)行了探討，但研究僅限于保障4.5 m航深的航道安全，目前國內(nèi)外對(duì)該河段提高航道標(biāo)準(zhǔn)治理工程的研究較少[6]。本文通過河演分析和河工模型試驗(yàn)，研究提高航道標(biāo)準(zhǔn)治理工程建設(shè)對(duì)戴家洲河段河勢、防洪和航道等影響。

圖1 戴家洲河段治理工程布置示意

2 戴家洲河段河床演變及趨勢

2.1 歷史演變

戴家洲河段地處大冶褶皺束的隆起帶，受其構(gòu)造控制的影響，歷史上河道沒有大幅度變遷。現(xiàn)今的戴家洲形成于清中葉后期，據(jù)清同治《長江圖說》記載，在廻風(fēng)磯以西的彈指夾上至浠水口間已有趙家洲、戴家洲、筆架洲和新淤洲存在。清光緒以后，趙家洲下移與戴家洲相連，筆架洲淪沒，新淤洲靠岸成為邊灘，該段河道基本上演變成目前的雙汊彎曲河型。近百年來該河段河床平面形態(tài)變化不大，戴家洲基本上是穩(wěn)定的[1]。

2.2 近期演變

戴家洲河段由于受節(jié)點(diǎn)的控制及護(hù)岸工程興建的影響，河道岸線基本穩(wěn)定，河床演變主要表現(xiàn)在河床沖淤、洲灘消長和汊道的興衰交替變化?？傮w來說，歷年來戴家洲洲頭淺灘淤長，深泓分流點(diǎn)由龍王磯一帶上提數(shù)公里至鄂黃長江大橋與池湖潛洲之間；分流后水流分別進(jìn)入戴家洲左右汊道，左汊河床沖淤變化較小，深泓線一直貼岸而行，其離岸最近距離僅有30 m；右汊沖淤變化幅度較大，尤其是戴家洲右緣的沖淤頻繁，導(dǎo)致深泓線擺幅較大，歷年最大擺幅達(dá)800 m。目前戴家洲河段右汊為主汊，左汊為支汊。

戴家洲與新淤洲歷年平面位置較為穩(wěn)定，尤其是新淤洲歷年沖淤變化甚小。戴家洲河段有寡婦磯、廻風(fēng)磯兩處深槽，由于兩處邊界控制條件較好，兩深槽平面形態(tài)以及所處位置多年較為穩(wěn)定[1]。

2.3 三峽水庫蓄水后演變趨勢預(yù)估

三峽水庫建成后，由于水沙條件的改變，壩下游河道將發(fā)生長距離的沿程沖刷。但由于該河段受節(jié)點(diǎn)的控制及護(hù)岸工程的興建，預(yù)計(jì)三峽水庫蓄水運(yùn)用后對(duì)該河段原有的河床邊界條件、河道平面形態(tài)和河道演變規(guī)律不會(huì)產(chǎn)生較大影響，戴家洲河段將繼續(xù)保持“微彎分汊”的河道格局[1]。

3 河工模型試驗(yàn)

3.1 模型設(shè)計(jì)

戴家洲定床模型試驗(yàn)范圍上起黃州河段的鄂州，下迄黃石河段的涂家營，全長約40 km。動(dòng)床模型模擬范圍上起五丈港，下至李家大屋，全長約34 km。模型設(shè)計(jì)的相似條件主要包括幾何相似、水流運(yùn)動(dòng)相似和泥沙運(yùn)動(dòng)相似，模型設(shè)計(jì)選取平面比尺αL=400，垂直比尺αH=100，模型變率η=4.0。

該模型主要模擬懸移質(zhì)沙運(yùn)動(dòng)，通過比選，模型沙采用長江科學(xué)院研制的新型復(fù)合塑料沙，新型復(fù)合模型沙具有質(zhì)輕、性能穩(wěn)定、成形好、顆粒形態(tài)接近天然泥沙等優(yōu)點(diǎn)，基本物理參數(shù)：重率γs=1.38 t/m3，干容重γ0=0.65 t/m3。依據(jù)長江防洪模型設(shè)計(jì)報(bào)告成果和長江防洪模型選沙成果，該模型沙能夠滿足泥沙模型相似的要求。

3.2 模型試驗(yàn)條件

(1) 試驗(yàn)邊界條件。動(dòng)床模型是在定床模型的基礎(chǔ)上改制而成的，根據(jù)模型所在河段河岸邊界條件及歷年的沖淤變化情況，原則上將河床高程約20 m以上定為定床，但局部有護(hù)岸工程且深泓貼岸低于20 m高程仍可定為定床范圍，其余均為動(dòng)床河槽，以反映工程上下游河道的河勢及沖淤變化特點(diǎn)。同時(shí)在該模型中根據(jù)工程河段已實(shí)施的河道和航道整治工程情況，模擬了戴家洲航道整治一期工程、長江中游戴家洲右緣下段守護(hù)工程及二期工程。

(2) 試驗(yàn)水沙條件。三峽工程已經(jīng)建成運(yùn)行，戴家洲河段的來水來沙條件與建庫前相比已經(jīng)發(fā)生了較大變化，該試驗(yàn)研究中充分考慮三峽水庫蓄水運(yùn)用后實(shí)際發(fā)生的來水來沙條件,并以此為基礎(chǔ)確定試驗(yàn)系列年：2008，2009，2010，2011，2012，2008，2009，2010，2011年和2012年實(shí)際水沙系列。模型以2014年2月地形作為初始地形，分別進(jìn)行有無工程情況下的對(duì)比試驗(yàn)，擬據(jù)此消除天然河道沖淤、重要涉水建筑物等影響，單因素考慮由于戴家洲河段航道整治工程實(shí)施后對(duì)工程河段河勢、防洪、航運(yùn)等影響。

圖2 工程實(shí)施后系列年動(dòng)床模型試驗(yàn)第十年末地形變化

3.3 試驗(yàn)成果

3.3.1 工程實(shí)施前動(dòng)床模型試驗(yàn)成果分析

(1) 平面變化。工程實(shí)施前動(dòng)床模型試驗(yàn)結(jié)果表明，模型放水至第十年末，戴家洲河段總體河勢變化不大，主流線及深泓位置整體變動(dòng)不大，但局部仍有所調(diào)整。巴河水道為順直形態(tài)，主流線在居中略偏左小幅擺動(dòng)，左汊圓水道保持微彎形態(tài)，主流線靠左岸小幅擺動(dòng)；右汊直水道主流線從燕磯處逐漸靠向左岸，并貼左岸戴家洲右緣擺動(dòng)。

(2) 河床沖淤變化。5 a末、10 a末戴家洲河段總體河勢與初始地形基本一致，河段呈沖淤相間的變化特性，總體上以沖刷為主，淤積主要集中在巴河水道進(jìn)入戴家洲直水道的過渡段淺區(qū)，以及直水道中下段的左槽主航槽內(nèi)。5 a末，試驗(yàn)河段累計(jì)沖刷10 232萬m3，其中巴河水道(五丈港至巴河)河段沖刷2 760萬m3，戴家洲水道(巴河至李家大屋)河段沖刷7 472萬m3。10 a末，試驗(yàn)河段累計(jì)沖刷16 626萬m3，其中巴河水道河段沖刷4 484萬m3，戴家洲水道河段沖刷12 142萬m3。

3.3.2 工程實(shí)施后動(dòng)床模型試驗(yàn)成果分析

(1) 平面變化。治理工程實(shí)施后動(dòng)床模型試驗(yàn)結(jié)果表明，模型放水至第十年末，戴家洲河段總體河勢相對(duì)穩(wěn)定，主流線及深泓位置整體變動(dòng)不大，但部分有一定調(diào)整。其中巴河水道主流線由居中偏左向居中擺動(dòng)，戴家洲右汊直水道中下段主流線向右汊左槽較大幅度擺動(dòng)，其他主流線及深泓位置變動(dòng)較小。

模型運(yùn)行至第十年末，與方案前相比，巴河水道15 m和10 m等高線變化不大，池湖心灘附近5 m等高線有繼續(xù)向右岸偏移的趨勢，槽身進(jìn)一步拓寬；池湖心灘附近0 m等高線萎縮下移，其下移距離約450 m。巴河水道進(jìn)入直水道過渡區(qū)6.0 m等深線貫通，最小寬度約為230 m；直水道中段的上淺區(qū)6.0 m等深線貫通，最小寬度約245 m ；出口處的下淺區(qū)6.0 m等深線貫通，最小寬度約為460 m，直水道6.0 m航道基本通暢[1],詳見圖2。

(2) 河床沖淤變化。5 a末，試驗(yàn)河段累計(jì)沖刷10 107萬m3，其中巴河水道河段沖刷2 725萬m3，戴家洲水道河段沖刷7 382萬m3。10 a末，試驗(yàn)河段累計(jì)沖刷16 425萬m3，其中巴河水道河段沖刷4 430萬m3，戴家洲水道河段沖刷11 995萬m3。5 a末、10 a末戴家洲河段河道總體上呈沖淤相間的變化特性，主要表現(xiàn)為戴家洲直水道進(jìn)口淺區(qū)的沖刷，直水道右側(cè)中下段潛壩工程附近右槽的淤積以及左槽的沖刷、戴家洲脊壩及兩側(cè)新建刺壩區(qū)域的淤積。

(3) 汊道分流比變化。戴家洲河段治理工程實(shí)施后對(duì)戴家洲左右汊分流比將可能會(huì)產(chǎn)生一定的影響。工程實(shí)施后，戴家洲右汊直水道枯水分流比略有增加，其中流量14 665 m3/s時(shí)，5 a末分流比由工程前的62.20%增加至63.30%，增加了約1.1%；10 a末，右汊分流比由工程前的61.50%增至64.40%，新增約2.9%。工程實(shí)施后，戴家洲右汊分流比增加的主要原因是在戴家洲脊壩及兩側(cè)新建刺壩、直水道右側(cè)下游潛壩及護(hù)灘帶等工程作用下，右汊直水道進(jìn)口淺區(qū)、直水道中下段左槽等沖刷所致，這對(duì)改善直水道的航道條件是有利的，但對(duì)河勢有一定影響。詳見表1。

表1 工程前后戴家洲汊道左、右汊分流比變化 %

(4) 水位變化。動(dòng)床試驗(yàn)成果表明，當(dāng)武漢關(guān)流量為14 665 m3/s時(shí)，受戴家洲河段航道整治工程的影響，在枯水流量下戴家洲河段水位均出現(xiàn)不同程度的下降，其中在龍王磯附近水位下降最大，其水位下降約0.06 m。當(dāng)武漢關(guān)流量為53 317 m3/s時(shí)，戴家洲河段水位有一定程度抬高，其中水位抬高幅度最大在寡婦磯處，其水位抬高約0.04 m。

(5) 流速變化。動(dòng)床試驗(yàn)成果表明，受上游右岸龍王磯一帶邊灘布置4條潛丁壩挑流的影響，龍王磯斷面靠近左岸流速以增加為主，而靠近右岸的流速有一定程度減小。其中在枯水流速(流量14 665 m3/s)下，靠近左岸流速最大增加了0.09 m/s，河道中間流速增加值最大，為0.15 m/s，而靠近右岸流速減小，最大值為0.13m/s；靠近左岸流向變化幅度較小，一般在1°～2°，而靠近右岸流向變化幅度也不大，一般為1°～3°，變幅最大的主要位于工程處。

4 結(jié) 論

(1) 戴家洲河段在天然節(jié)點(diǎn)控制和人工護(hù)岸的作用下，近幾十年來，該河段河勢基本穩(wěn)定，洲灘變化較小。預(yù)計(jì)三峽水庫建成運(yùn)用對(duì)該河段河道演變規(guī)律不會(huì)產(chǎn)生大的影響，戴家洲河段將繼續(xù)保持“微彎分汊”的河道格局。

(2) 治理工程未實(shí)施時(shí)，在系列年水沙作用下，河段呈沖淤相間的變化特性，總體上以沖刷為主，淤積主要集中在巴河水道進(jìn)入戴家洲直水道的過渡段淺區(qū)，以及直水道中下段的左槽主航槽內(nèi)，航道水深不能滿足6.0 m航深要求。

(3) 治理工程實(shí)施后，在系列年水沙作用下，戴家洲河段河床仍以沖刷下切為主，較整治工程實(shí)施前，該河段沖刷幅度略有減少。受治理工程的影響，戴家洲河段河勢發(fā)生一定的調(diào)整，在戴家洲脊壩及兩側(cè)新建刺壩、直水道右側(cè)下游潛壩及護(hù)灘帶等工程作用下，右汊直水道進(jìn)口淺區(qū)、直水道中下段左槽等處受到?jīng)_刷，分流比增大。治理工程實(shí)施后對(duì)改善直水道的航道條件是有利的，但對(duì)河勢有一定影響。

(4) 治理工程實(shí)施前、后試驗(yàn)成果表明，在洪水流量(53 317 m3/s)下，水位在戴家洲右汊中下段最大壅高為0.04 m，工程實(shí)施后對(duì)該河段的防洪影響不大。

(5) 提高航道標(biāo)準(zhǔn)治理工程實(shí)施后，戴家洲直水道進(jìn)口航槽保持貫通，中下段航槽拓寬，在一定程度上改善了該處通航條件，基本能實(shí)現(xiàn)直水道6.0 m航道的通暢。

[1] 張慧，張文二.長江宜昌至安慶段提高航道標(biāo)準(zhǔn)治理工程實(shí)體模型試驗(yàn)報(bào)告[R].武漢：長江科學(xué)院,2015.

[2] 劉萬利，李旺生，李一兵，等. 長江中游戴家洲河段崩岸特性及護(hù)岸措施研究 [J]．水道港口，2013，34(2)：133-138.

[3] 劉萬利，李旺生，朱玉德，等. 長江中游戴家洲河段天然水流特性試驗(yàn)研究 [J]．水道港口，2009，30(2)：113-118.

[4] 蔡大富. 長江中游戴家洲河段戴家洲右緣護(hù)岸工程方案研究[J]．水道工程，2011(2)：95-99.

[5] 蔡大富. 長江中游戴家洲河段河床演變及礙航特性分析 [J]．泥沙研究，2011(2)：47-54.

[6] 張慧，李會(huì)云，朱勇輝.長江中游鄂黃河段河道演變及治理對(duì)策探討[J]．長江科學(xué)院院報(bào)，2014，31(1)：66-70.

(編輯：唐湘茜)

2017-09-15

張 慧，女，長江科學(xué)院河流研究所，高級(jí)工程師，碩士.

1006-0081(2017)11-0025-04

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