長江張家洲南港淺灘航道整治工程試驗研究及整治效果分析

李文全 張 偉 鄧曉麗 雷家利

(長江航道規劃設計研究院,湖北 武漢 430011)

張家洲水道曾是長江下游枯水期礙航最突出的河段,該水道上起九江市鎖江樓,下止八里江口,全長約 32km。江中張家洲將河道分為左右兩汊,左汊習稱北港,河道彎曲,平面形態呈弓背狀;右汊習稱南港,河道較順直,航程比北港短約 6km。南港內有官洲和新洲上下交錯而立,出現二級分汊,南港下段右岸有鄱陽湖入匯(圖1),現行航道維護尺度4.0m×100.0m×1050.0m(水深 ×航寬 ×彎曲半徑),保證率 98%,通航代表船隊為2000t駁船組成的2～3萬噸級船隊。1989年以前,北港為枯水期主航道,南港由于枯水期水深嚴重不足作為中、洪水期主航道。1989年后,枯水期南港分流比增大,遂辟為全年通航的主航道。南港內存在上、下兩處淺區,1998年長江大洪水之后,南港下淺區航道條件急劇惡化,嚴重影響航運事業和沿江工礦企業的發展。為了從根本上改善該河段的通航條件,必須首先對南港下淺區進行整治。

1 航道概況與礙航特征[1]

主航道南港內主要有上、下兩處淺區。上淺區位于新港對開處,位置較穩定,出淺范圍較短,礙航問題并不十分突出;下淺區位于官廠至鄱陽湖口之間長約 4km的過渡段上,枯水期河寬由 800m逐漸增大至1300m左右,河道平面形態呈喇叭狀,沿程流速減小,輸沙能力降低,主泓左右往復擺動,加上鄱陽湖出流影響,為下淺區的產生提供了條件,年內呈現“漲淤落沖”的演變規律。

下淺區枯水航道條件的好壞與淺區過渡段主流位置有關。當下淺區過渡段主流擺至左側時,流路趨直,新洲右側邊灘沖刷,河道沿程展寬,水流分散,流速減小,淺區過渡段普遍淤積,枯水礙航嚴重,這種情況在1967～1982年間表現得較為明顯,此時淺區一般位于過渡段下口,例如1978年2月(圖2a),淺區下口 4m深航槽斷開1000余米,幾乎呈散亂型淺灘。20世紀末長江連年大洪水后,下淺區航道條件惡化的原因也在于此。

當新洲邊灘發育,過渡段主流逐漸由官廠一帶擺至右側梅家洲尾部時,流路微彎,枯水航槽單一、穩定,礙航問題有所緩解。例如1997年11月(圖2b),新洲邊灘向右淤長,灘體寬大完整,而相對處于凸岸一側的官洲尾部和梅家洲邊灘也淤積增高,淺區過渡段灘槽高差明顯增大,束水作用加強,水流相對集中,有利于汛后退水期淺區提前沖刷,加上鄱陽湖出口深泓右移,湖口出流對長江的頂托作用有所減弱,航道條件相對好轉。這種情況曾出現于20世紀50年代末和1990～1997年間,此時即使出淺,淺區位置也僅限于下淺區上口,但上下深槽接近,呈現單一型淺灘,航道維護較易。

圖1 張家洲水道形勢

在過渡段主流位置左右擺動的過程中,淺區位于上、下口,4m深航槽兩次斷開,呈現復式型淺灘,這種情況曾出現于1983～1990年間,從1989年5月份測圖中也可看到這種情況(圖2c)。

從以上分析可以看出:當深泓左移,新洲邊灘(下邊灘)沖刷甚至消失,斷面擴寬,水流順直且分散,同時官洲邊灘(上邊灘)灘尾下移,灘面沖刷變低,水流漫灘,過渡槽流量減少,流速降低,航道出淺,且淺區長;當深泓右移,新洲邊灘淤長,斷面縮窄,同時,主流微彎,有利于航道輸沙,淺區沖刷,水深改善,且淺區變短。因此,下淺區淺灘內在因素的惡化,使江面放寬、流量分散,是南港下段出淺的主要原因。1998年長江大洪水后,南港下淺區新洲邊灘部分沖失,淺區上深槽貼近新洲邊灘,下深槽緊靠梅家洲尾,呈現交錯態勢,航道條件惡化,1998年枯水期有長達 31d的航道維護水深不足4.0m,1999年枯水期礙航形勢更加嚴峻。

2 航道整治方案模型試驗研究

下淺區航道整治模型試驗分為定床和動床兩個階段,在定床模型試驗階段,主要通過觀測不同淺灘整治方案實施后水流條件的變化情況,初步分析判斷航道整治效果,從中篩選出較好的方案,然后再在動床模型試驗階段進一步研究。

圖2 南港下淺區航道形勢

2.1 整治原則與整治參數的選擇[2,3]

根據對本水道河道演變及礙航特性的認識,綜合外部環境等因素考慮,選擇南港作為全年主通航汊道加以整治,依據因勢利導、低水整治的原則,針對南港下淺區出淺原因和特點,采取工程措施,使主流從左岸官廠一帶逐漸過渡至梅家洲尾一帶,將航槽規劃成微彎形,束水攻沙,改善枯水通航條件。整治線寬度為 800m,整治水位為湖口航行基面上 4m(湖口航行基面為黃海高程4.20m),相應整治流量長江為11770m3/s。航道整治標準為 4.0m×100.0m×1050.0m,通航保證率為 98%。

2.2 整治方案模型試驗研究

模型定床范圍上起九江市鎖江樓,下迄八里江口,全長約 32km,鄱陽湖出口河道長約2.5km。動床范圍上起九江市鎖江樓,下至八里江口上游5km兩汊匯流處。由于本河段護岸后岸線已趨穩定,因此岸線為定床,僅黃海高程10m以下的河床及洲灘做成動床。模型平面比尺 λL=420,垂直比尺 λH=120,變率 η=3.5。模型沙選用重率 γs=1.05t/m3的苯乙烯二乙烯苯聚合物塑料沙[4]。

2.2.1 定床模型方案試驗[5]

在定床模型試驗研究階段,提出了兩大類 8個整治方案,整治思路是恢復航道條件較好時的航道走向與灘槽形勢,提高汛后退水過程中水流沖刷能力,滿足枯水通航條件。第1類方案工程布置為左岸新洲一帶邊灘上修建丁壩群工程,新洲夾尾建一道鎖壩,促使主流右擺和新洲邊灘的淤長;右岸官洲尾部至梅家洲建護灘帶和丁壩,以利于穩定航槽和減弱江湖之間的相互影響。第2類方案為在第1類方案的基礎上,加強對官洲尾部及梅家洲的守護力度。兩類代表方案見圖 3及表1、2。

表1 兩類方案布置

在定床模型中,對上述各方案進行洪、中、枯水流量,試驗結果表明,從新洲頭部至新洲尾部,下淺區航槽內流態平順,主流南移,流速普遍增大,在整治流量下,斷面流速增大20%～50%,且流速沿程遞增,說明整治工程對于提高下淺區汛后水流輸沙能力有明顯作用。整治工程對試驗河段洪水位、近岸流速影響甚微,對鄱陽湖出口水位幾乎不產生影響,不改變南北港分流現狀,也不對上淺區產生不利影響。經比較并充分考慮整治方案實施的可能性,推薦方案1和方案5為動床模型深入研究方案。

圖3 定床模型試驗代表方案工程布置

表2 方案工程布置

2.2.2 動床模型方案試驗[6-8]

動床模型試驗初始地形為1999年 4月,試驗水文過程為1999年 4月 ～2000年 3月,該年下淺區淤積最為嚴重。在模型驗證相似的基礎上,對定床模型試驗階段推薦的2個方案進行對比試驗。試驗結果表明,2個方案實施后,下淺區河床經過一個水文年的沖淤調整,至枯水期航行基面下4.2m航槽均能夠上下貫通,最窄寬度達到200m,滿足現階段航道維護尺度。但方案1左岸上段丁壩群挑流作用較小,下段丁壩受力較大,使下段壩頭沖刷坑較深,水流過渡段下移,在過渡段航槽中間出現沙埂。方案5工程布置與方案1差別不大,航道存在的問題與方案1基本相同,而官洲夾尾堵壩工程枯水期影響地方小輪行駛,與地方利益發生矛盾。因此,其后僅對方案1進行優化調整和試驗研究。

通過對方案1左岸丁壩工程長度、方位、壩頭高程、整治線寬度和有無新洲夾下段鎖壩工程,以及對右岸丁壩和護灘帶的反復調整試驗研究,最終確定的下淺區航道整治施工設計方案如圖 4所示。

圖4 南港下淺區航道整治施工設計方案

該方案在下淺區三百洲附近增加1道丁壩,使汛后主流提前向右岸過渡,左岸共布置 6道丁壩,前4道丁壩主要起挑流作用,設計為下挑勾頭丁壩,壩頭高程為設計水位上 3m,后2道丁壩主要起固灘作用,壩頭高程為設計水位上2m和1m。因丁壩已基本控制了新洲夾的發展,所以取消了新洲夾下段鎖壩工程。下淺區右岸官洲右緣護岸長 970m,梅家洲尾部布置2道護灘帶,加強對官洲及梅家洲邊灘的守護。整治線寬度為750m。該方案在整治流量下,主流從老官廠以下開始平順地向右過渡,經過一個最不利水文年(1999年)試驗,過渡段內航行基面下4.2m航槽全程貫通,航寬超過200m,上下深槽銜接平順,右岸邊灘淤積,岸線穩定,且基本不對本河段防洪、南北兩港分流比和鄱陽湖出流等產生影響,達到了下淺區航道整治目標。

3 航道整治效果分析

南港下淺區航道整治工程于2001～2003年實施,實踐證明,航道整治工程是成功的,完全達到了預期的整治目標。

從2003年12月河道觀測圖(圖5a)可以看出,工程實施后河床經過一個汛期的沖淤調整,下淺區基本消失,新洲夾和新洲邊灘丁壩群間普遍淤積,主流右擺,航槽內流速加大,汛后淺區過渡段沖刷,航行基面下4.2m航槽上下貫通,航寬超過200m,航道變化情況與模型試驗結果基本一致,達到了設計航道尺度。之后,由于三峽水庫蓄水運用,來沙量減少,長江中下游河床普遍沖刷,南港下淺區航道條件進一步改善,從2005年 6月航道圖(圖5b)可以看出,下淺區航道水深達到5m,航寬超過200m,航槽穩定,水流平順,直至目前,整治工程已運行了 6個水文年,一直保持著這種優良的航道形勢,不僅滿足現行航道維護尺度,而且也達到《長江干線航道發展規劃》的近期航道建設標準。同時,整治工程對上淺區及對北港、鄱陽湖的出流條件等均無明顯影響。

圖5 南港下淺區整治后航道形勢

南港下淺區航道整治的成功經驗歸結如下。

(1)因勢利導是河道或航道整治應該遵循的重要基本原則,欲達到預期的整治效果,必須根據河床或淺灘演變規律,朝著有利于建設要求的方向、目標加以治導。特別是對于分汊河段、通航汊道的選擇,應建立在對汊道和淺灘演變特征以及國民經濟發展需求進行認真分析研究的基礎上。張家洲水道整治,正是以此思想作指導,合理地選擇南港作為全年通航的主航道,首先對枯水礙航最嚴重的下淺區加以整治。

(2)合理選擇淺區整治線和整治參數。整治線的選擇是另一個重要和復雜的問題,它決定了整治水位下航槽的基本走向和航道整治工程的投資與效益,甚至于關系到整治工程的成敗。張家洲水道南港下淺區整治線,是在對淺區演變規律分析的基礎上,針對淺區出淺的原因和特點,根據歷史上枯水期曾經出現過的航道條件較好時期的主流流路,并考慮工程實施的可能性等因素來確定的,這是整治工程取得成功的關鍵。在整治線方位確定之后,至于整治線寬度、整治水位等參數問題,可參照類似河段航道整治成功的經驗和計算分析結果做出初步選擇,最終需通過模型試驗研究來確定。

[1]謝鑒衡,丁君松,王運輝.河床演變及整治[M].北京:水利水電出版社,1990.

[2]黃召彪,等.長江下游張家洲南港航道整治工程工程可行性研究報告[R].武漢:長江航道規劃設計研究院,2001.

[3]黃召彪,等.長江下游張家洲南港航道整治工程初步設計[R].武漢:長江航道規劃設計研究院,2001.

[4]謝鑒衡.河流模擬[M].北京:水利水電出版社,1990.

[5]李文全,等.長江下游張家洲河段航道整治定床模型試驗研究報告[R].武漢:長江航道規劃設計研究院,2000.

[6]李文全,等.長江下游張家洲河段航道整治動床模型試驗研究報告[R].武漢:長江航道規劃設計研究院,2000.

[7]李文全,等.長江下游張家洲南港航道整治工程初步設計階段動床模型試驗研究報告[R].武漢:長江航道規劃設計研究院,2001.

[8]李文全,等.長江下游張家洲南港航道整治工程施工圖設計方案模型試驗研究報告[R].武漢:長江航道規劃設計研究院,2002.