長江江都段嘶馬彎道丁壩改造研究

陳長城

（安徽省淮南市壽縣張李鄉(xiāng)農技站，安徽 淮南 232200）

穩(wěn)定的河勢是防洪安全和航運發(fā)展的基礎保障[1]。長江江都段嘶馬彎道河床沖刷勢態(tài)的變化及部分地質條件惡劣時常引起河段內發(fā)生崩岸險情。丁壩作為典型的岸線保護和河道整治水工建筑物，其主要作用是控制主流、保護河岸、改善航道、穩(wěn)定河勢、改善河道生態(tài)環(huán)境等[2]。本文以長江下游江都段嘶馬彎道為研究對象，對彎道現(xiàn)狀及存在的問題進行分析，并對彎道處丁壩不同的改造方案進行對比研究，以期為嘶馬彎道丁壩改造提供依據(jù)。

1 嘶馬彎道段概況

嘶馬彎道自三江營至高港燈凸咀，為太平洲汊道左汊上段，全長約14 km，河寬2.5～3.8 km，為典型的彎曲河道。由于河勢不穩(wěn)，江岸坍塌，一百多年來已累計崩退達1 500 m，其中1951—1976年后退750 m；上世紀70年代修建10座丁壩，80年代以來又在相鄰丁壩間陸續(xù)實施拋石和軟體排護岸。目前，工程損毀及岸線后退嚴重，仍是險情重點岸段。嘶馬彎道及重點整治丁壩如圖1所示。

圖1 嘶馬彎道示意

經過長期的運行，上世紀70年代建設的10座丁壩中，僅有西七壩和東二壩較為完整，西六壩、西二壩、西一壩和東一壩坍塌嚴重，其余4座丁壩已基本坍失。其中，西七壩和東二壩壩身較長，阻水比均超過1.0%，其他丁壩壩身較短、阻水比在0.4%以內，主要集中在0.2%左右。西七壩和東二壩對水流流態(tài)的影響相對較大。

2 嘶馬彎道段丁壩治理現(xiàn)狀

2.1 主要存在問題

嘶馬彎道由于長期迎流頂沖，岸坡陡峻，丁壩護岸會對河床水流進行限制，使河流上游產生壅水形成水流高壓區(qū)。水流沿壩頭繞流造成流線相對集中，流速較大，則形成水流低壓區(qū)。高水位區(qū)水體中一部分回流向河岸，另一部分水流會流向低壓區(qū)，同時在丁壩擋水作用下會形成繞壩頭的渦流，易對壩頭處河床形成沖刷，進而導致窩崩。

2.2 前期工程概況

自上世紀70年代開始實施嘶馬彎道強崩段丁壩群護岸，1991—1997年，對嘶馬彎道岸段進行河勢控制節(jié)點應急整治工程，對拋石護岸進行平順，在崩塌部位形成了較長的整體護岸帶。2015年實施長江揚中河段嘶馬彎道（江都段）崩岸整治工程，護岸長度5 040 m，共拋石326 485.81 m3。

通過對河段一期的整治，嘶馬彎道水面形態(tài)基本保持穩(wěn)定，但在遭遇特殊水文年情況下，有進一步崩坍的可能性。嘶馬彎道（江都段）岸線的崩退強度雖有所遏制，但由于長期迎流頂沖，導致近岸-50 m深槽發(fā)育，灘槽高差達55 m左右，岸坡陡峻，需加強護岸工程的維護和部分丁壩的改造。

3 治理方案研究

正態(tài)模型是目前用于研究局部沖刷等問題的可靠手段，即對實際河道進行縮尺后建立物理模型，研究實際流態(tài)，其主要包括正態(tài)系列物理模型、整體正態(tài)物理模型和局部正態(tài)物理模型。

結合目前丁壩具體情況，對西七壩和東二壩的局部改造進行局部正態(tài)物理模型試驗研究。根據(jù)重力相似準則確定長度相似比尺λ1為60，模型范圍為丁壩上游200 m，至丁壩下游250 m。利用局部正態(tài)物理模型分別比較西七壩和東二壩在平攤流量下拆除、高度減半和長度減半三種方案對丁壩的改造效果?，F(xiàn)狀條件下，局部流態(tài)如圖2所示，西七壩阻水面積約1.36%，東二壩阻水面積約1.18%。

圖2 現(xiàn)狀條件下西七壩和東二壩的局部流態(tài)

3.1 阻水面積及阻擋流量變化

由于丁壩拆除方案下不存在阻水面積和阻擋流量，因此只考慮高度和長度減半情況下西七壩和東二壩的阻水面積及阻擋流量，如表1所示。

表1 丁壩阻水面積及阻擋流量

丁壩高度減半，阻水面積除枯水外基本減少一半，其阻擋流量基本減少一半左右；丁壩長度減半，其剩余一半長度阻水面積不足原來的三分之一，其阻擋流量也不足原來的三分之一。

3.2 沿岸水位變化

平灘流量下，拆除前后沿岸水位變化如表2所示，當高度和長度減半方案實施后，西七壩和東二壩沿岸水位趨勢基本一致，影響范圍有所減小。

表2 拆除方案沿岸水位變化 cm

西七壩壩長約60 m，平均高度在12 m左右。拆除方案實施后，上游水位略有下降，下游略有抬升。上游最大降低2 cm，下游抬高約2 cm。東二壩相對較長，約110 m左右，平均高度約9 m。拆除方案實施后，水位影響范圍主要在丁壩上游300 m至下游300 m。

3.3 丁壩改造對流態(tài)的影響

3.3.1 丁壩整體拆除方案

西七壩與東二壩附近沿岸地形類似有多個凸出磯頭及上下崩岸形成的半月形凹岸，沿岸形成鋸齒形，不管丁壩是否拆除，沿岸仍存在回流區(qū)；但丁壩拆除后原丁壩阻水部分過流，上下回流區(qū)的強度局部會有所減弱，回流區(qū)范圍局部會有所減小。

3.3.2 丁壩高度減半方案

西七壩高度減半時其阻水面積及阻擋流量基本減半，原壩處上下局部范圍流速增加，西七壩上下仍有回流區(qū)，回流區(qū)范圍大于西七壩拆除，但小于現(xiàn)狀回流強度。西七壩上游回流區(qū)位于西七壩上游50～200 m，長約150 m，寬約90 m。下游回流區(qū)位于西七壩下游130～430 m，長約300 m，寬約160 m。

東二壩高度減半，其阻水面積及阻擋流量也基本減半，高度減半，壩頂過流增加，但上下游仍存在回流區(qū)，回流區(qū)范圍較現(xiàn)狀條件下范圍為小，上游回流區(qū)長約300 m，寬約140 m，下游回流區(qū)長約400 m，最大寬約180 m。

3.3.3 丁壩長度減半方案

丁壩頭部高度相對較高，丁壩長度減半時阻水面積減小超2/3。由于西七壩根部高程較高，河床地形也相對較高，長度減半時其阻水面積及阻擋流量不足原來的1/3，對丁壩上下游流場影響較小，可知，西七壩對上下游流場的影響主要是壩頭前1/2長度。丁壩長度減半上游回流區(qū)主要位于西七壩上游60～200 m，回流區(qū)長約140 m，寬約85 m，丁壩下游回流區(qū)為下游140～420 m，回流區(qū)長約280 m，寬約150 m。

東二壩長度減半方案，其阻水面積及阻擋流量僅為原來的1/3左右，但丁壩上下游處仍存在回流區(qū)，上游回流區(qū)長約260 m，最大寬度約130 m，下游回流區(qū)長約370 m，最大寬度約160 m。可見丁壩拆除影響大于丁壩長度減半，丁壩長度減半影響大于丁壩高度減半方案。

3.4 丁壩改造對流速的影響

3.4.1 丁壩整體拆除方案

西七壩拆除后上下游近岸回流區(qū)范圍及回流流速有所減小，平灘流量水位約3.35 m，西七壩大部分淹沒于水下，丁壩拆除后位于丁壩上游約80 m至下游約120 m范圍內流速增加約0.3～0.6 m/s，原壩體處流速最大增加約0.6 m/s。

東二壩拆除后上下游近岸回流區(qū)范圍及回流流速有所減小。平灘流量上游回流區(qū)流速由0.3 m/s左右減小至0.2 m/s左右，下游回流區(qū)流速由0.4 m/s左右減小至0.25 m/s左右。丁壩拆除原壩址上下游一定范圍流速增加，壩址上下游一定范圍內流速增加，壩址上下一定范圍近岸無回流區(qū)，平灘流量流速增加0.02 m/s，范圍一般在壩上游300 m至下游550 m。原壩址處平灘流量流速最大增加約0.6 m/s。

3.4.2 丁壩高度減半方案

西七壩高度減半，其阻水面積及阻擋流量基本減半。高度減半壩頂過流增加，壩上下一定范圍流速增加，壩前深槽流速有所減小，近岸回流區(qū)回流強度、回流范圍也有所減小。上下游流速增加0.02 m/s，壩址附近最大流速增加約0.4 m/s。壩高度減半西七壩前深槽流速減小約0.02 m/s，壩頭外深槽流速最大減小約0.15 m/s。上游回流區(qū)最大回流流速由0.3 m/s左右減小至0.25 m/s左右，下游回流區(qū)最大回流流速由0.4 m/s減小至0.35 m/s左右?？梢娢髌邏胃叨葴p半影響小于長度減半。

東二壩高度減半，其阻水面積及阻擋流量基本減半。高度減半壩頂過流增加，壩上下一定范圍流速增加，壩址上下近岸回流區(qū)回流范圍及回流強度也有所減小，壩頭前深槽局部流速減小。壩上下流速增加0.02 m/s，范圍位于壩址上游約200 m至下游約400 m。壩址外流速最大增加約0.4 m/s。壩頭前深槽流速減小0.02 m/s，范圍位于壩頭上游200 m至下游400 m，流速最大減小約0.2 m/s。東二壩上游回流區(qū)最大回流流速由0.3 m/s減小至0.25 m/s左右，下游回流區(qū)最大回流流速由0.4 m/s減小至0.32 m/s左右?？梢姈|二壩高度減半影響要小于長度減半。

3.4.3 丁壩長度減半方案

西七壩丁壩長度減半，其阻水面積及丁壩阻擋流量僅為原來的1/3，壩頭前流速增加，拆除丁壩處上下游一定范圍流速增加，丁壩上下近岸回流區(qū)范圍減小，回流流速減小。西七壩流速增加0.02 m/s，范圍位于壩上游約160 m至下游約400 m。原丁壩頭前深槽流速減小0.02 m/s，范圍為上游160 m至下游約400 m，最大寬度約140 m。原壩址處流速最大增加約0.5 m/s，壩頭外深槽流速最大減小約0.2 m/s。丁壩長度減半，西七壩上游回流區(qū)最大回流流速由約0.3 m/s減小至0.2 m/s左右，下游最大回流流速由0.4 m/s減小至0.3 m/s左右。

東二壩長度減半后其阻水面積及丁壩阻擋流量也僅為原來的1/3，丁壩長度減半，東二壩壩址上下游一定范圍流速增加，壩上下近岸回流區(qū)范圍及回流強度減小。壩址上下游流速增加0.02 m/s，范圍為壩上游約250 m至下游約450 m，原壩址處流速最大增加0.5 m/s。原壩頭前深槽流速減小0.02 m/s，范圍為壩頭上游250 m至下游約450 m，流速最大減小約0.25 m/s。上游回流區(qū)最大回流流速由0.3 m/s減小至0.22 m/s，下游回流區(qū)最大回流流速由0.4 m/s減小至0.28 m/s左右。

4 結論

以長江下游江都河段嘶馬彎道為研究對象，分析了彎道現(xiàn)狀，對彎道處丁壩的不同改造方案進行了研究，比較不同改造方案的優(yōu)劣，主要結論如下。

（1）現(xiàn)狀條件下西七壩、東二壩附近岸線呈現(xiàn)犬牙交錯的鋸齒狀，丁壩上下游附近均存在匯流區(qū)，流態(tài)較為紊亂，不利于通航安全以及岸線的綜合利用，有必要對西七壩和東二壩的改造開展相關研究。

（2）西七壩、東二壩等丁壩拆除后上游沿岸局部范圍內水位將有所下降，壩下回流區(qū)近岸水位將有所回升，由于丁壩長度相對河寬很小，且丁壩阻水面積及阻擋流量一般不足1%，丁壩拆除對水位影響一般在上游300 m至下游300 m范圍內，上游水位降低一般在2 cm以內，下游水位抬升在2 cm以內。丁壩高度減半及長度減半，水位影響小于丁壩拆除，其對水位影響范圍一般在上游200 m內至下游200 m內，水位變化幅度一般在1 cm以內。

（3）西七壩拆除后流速變化幅度和范圍有所增加，但深水航道內無明顯變化。東二壩拆除后上下游近岸回流區(qū)回流流速由0.2 m/s左右減小至0.15 m/s左右。平灘流量上游回流區(qū)流速由0.3 m/s左右減小至0.25 m/s左右。

（4）丁壩高度減半時其阻水面積及阻擋流量基本減半，影響范圍小于丁壩拆除方案。丁壩長度減半，其阻水面及阻擋流量僅為原來的1/3，丁壩長度減半影響要大于丁壩高度減半，但小于丁壩拆除的影響。

綜上，西七壩、東二壩等丁壩拆除改造總體有利于岸線的平順和流態(tài)的改善，拆除丁壩的方案有利于減小回流對沿岸的淘刷作用，而丁壩長度減半以及丁壩高度減半等方案實施總體效果和影響均不如丁壩拆除方案。