艷洲樞紐下游近壩段航道整治研究

馮小香，張明

（交通運輸部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業重點實驗室,天津300456）

艷洲樞紐下游近壩段航道整治研究

馮小香，張明

（交通運輸部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業重點實驗室,天津300456）

樞紐下游的枯水位下降問題是航道出淺的重要原因，也是影響船閘通航、制約航道等級提升的重要因素。在分析澧水艷洲樞紐下游近壩段礙航特性、枯水位變化及原因的基礎上，采用二維平面水流數學模型研究了澧水航道升級整治過程艷洲樞紐下游近壩段的淺灘整治問題，包括工程整治方案、整治效果及對枯水位的影響。結果表明：艷洲樞紐下游近壩段河床比降大、枯水位落差集中，具有明顯的“陡坎”及“陡比降”現象，若僅以疏浚方式進行航道整治，則將引起艷洲樞紐船閘下游的枯水位明顯下降,在艷洲樞紐船閘改擴建中下游設計最低通航水位的確定應充分考慮樞紐下游高等級航道整治工程的影響。

樞紐;航道整治;枯水位;下降；澧水

近年來，隨著河道采砂、航道升級整治及清水沖刷等因素的影響，河流末級樞紐的下游普遍出現了河床下切、枯水位下降現象［1-5］。在河床下切過程中，局部河段由于河床底質抗沖性較強，在下游枯水位下降后逐漸出淺，形成一類特殊的礙航灘險（或淺段）。這類灘險在遏制下游水位向上游傳遞的同時，一般也具有陡坎、陡比降現象，枯水期對船舶的航行有一定的礙航作用。已有的相關研究成果表明，采取工程措施將局部陡坎河段內的水位集中落差改造為分散落差應是該類灘險整治的主要手段［5-6］。然而，此種整治方法對河道條件要求較高，需受整治河段內的特殊形態、上下游河段之間的關系制約，同時，整治的工程量一般也較大，工程費用不菲，在實踐中往往受到一定限制。當整治灘險緊鄰樞紐船閘下游時，由于需要考慮樞紐及船閘工程的安全性，以及工程自身的安全性問題，整治的難度將進一步增大，整治的效果也會影響船閘的安全運行。

艷洲樞紐為澧水最下游的梯級，壩址位于艷洲洲尾，下距澧縣縣城約5 km。樞紐于1982～1990年建成運行，同步建設的一個300 t級船閘于1985年正式通航，船閘尺度為130×12×2.5 m（長×寬×門檻水深，下同）。在船閘運行的近30 a間，隨著下游枯水位的下降，近壩段逐漸出淺，比降越來越集中，嚴重影響了船舶的安全通行，并且隨著過閘船舶大型化發展，近年來已多次出現船閘下游引航道水深不夠的現象，艷洲樞紐船閘及壩下近壩段航道問題已成為制約澧水航運進一步發展的重要因素之一。

作為規劃的環洞庭湖高等級航道網的重要組成，澧水自石門至茅草街要建設Ⅲ級航道［7］，其中艷洲樞紐1000t級船閘的改造工程和艷洲樞紐至茅草街河段的航道整治工程是航道升級整治的重要內容。在航道升級整治工程中，艷洲樞紐壩下近壩段由于灘險密布、沿程水面線復雜、且距離樞紐船閘較近等原因，對其整治就顯得尤為重要，整治效果也將直接影響艷洲樞紐船閘的改造工程。因此，進行艷洲樞紐壩下近壩段的航道整治研究，不僅可以為澧水Ⅲ級航道建設提供技術支撐，還能為河流末級樞紐的建設與整治等提供一定的參考。

1 河道礙航特性

艷洲樞紐至津市橋河床組成以砂卵石為主，河勢較為穩定，向下游洞庭湖洪道逐漸過渡為細砂、粘土和淤泥。由于近壩河段底質較粗，河床抗沖性較強，在下游河床下切后，上游逐漸形成明顯的陡坎，河床縱比降變大。艷洲樞紐至寶塔灣間的6.5 km河段，河床平均比降為1.15‰，寶塔灣至津市橋間，除局部受灘險影響外，總體上枯水河槽逐漸展寬，河床比降減小。圖1、圖2分別為研究河段形勢圖和航槽縱剖面圖。

艷洲樞紐下游近壩段枯水期的水位落差集中，灘險的比降較大，且水面線變化復雜。根據2012年3月全河段瞬時比降觀測結果，在流量85～90 m3/s，艷洲樞紐至茅草街約110 km河段的水位總落差為4.3 m，其中津市橋以下92 km河段的水位落差為1.02 m，艷洲樞紐壩下至津市橋18 km河段的水位落差為3.24 km，尤其是艷洲樞紐壩下至寶塔灣間的6.5 km河段，水位落差為3.02 m，占艷洲樞紐至茅草街之間河段落差的70%；壩下近壩段實測比降達1.2‰，與河床比降大致相當。

艷洲樞紐壩下近壩河段的陡坎效應使得枯水期航道水深不足，揭家灘附近航道水深不足1.3 m，金雞灘附近航道水深不足1.6 m。在澧水進行Ⅲ級航道建設時，淺灘的水深不足問題將是制約航道等級提升的重要因素。

圖1 艷洲樞紐壩下近壩河段形勢圖Fig.1River regime in the downstream of Yanzhou hydro?junction

圖2 艷洲樞紐壩下近壩河段航槽縱剖面圖Fig.2Channel profile in the downstream of Yanzhou hydro?junction

2 近壩段枯水位變化

津市水文站下距艷洲樞紐約18 km，根據該站資料，1996～2010年澧水多年平均流量為447 m3/s，年平均最小流量為224 m3/s，出現在2006年；1991～2010年間，保證率95%的水位為27.97 m，其對應的流量為106 m3/s。

枯水流量時，津市下游石龜山水文站相同年份的水位流量關系相對單一（圖3），表明石龜山及其上游河段在枯水期并不受洞庭湖湖水的頂托影響，而津市水文站的水位流量關系比較散亂（圖4），在樞紐運行前，相同流量下的水位變化應主要受支流入匯和河床沖淤等因素的影響，而在樞紐運行后，除上述原因外，電站的調峰也進一步增加了同流量下的枯水位變化。

1980 年以來，津市水文站同流量下的水位有大幅下降，以各年106 m3/s流量對應的水位來看（圖5），1992年以前基本維持在29 m以上，1992～2002年間，逐漸下降，由29.36 m降至27.68 m，下降了1.68 m，年均下降0.17 m，2002年以后又相對穩定。從津市水文站枯水位下降發生的時間來看，主要出現在艷洲樞紐正式運行后的第3～13年間，由于艷洲樞紐蓄水攔沙所引起的下游河床清水沖刷以及由于電站調峰產生的非恒定流對近壩段的沖刷應是津市水文站及近壩段水位下降的重要原因，此外，從下游石龜山、南咀2個水文站的枯水位變化來看（圖3、圖6），1980～2010年間2個水文站同流量對應的水位均有不同程度的下降，表明津市水文站的枯水位下降除因受近壩段的河床下切影響外，下游的水位下降向上游的傳遞也有一定的影響。根據有關資料［7］，澧水洪道津市至茅草街航段經歷了多次整治，1984年以前，對全線的數十處灘險進行了大量的治理，使該航道達到了Ⅵ級通航標準，其中既有因水道的演變和改道而相應進行的航道疏浚；也有筑壩與疏浚相結合的整治工程；1984～1991年，按照Ⅳ級標準又對該航道進行了系統整治，航道維護尺度為1.6 m×50 m×300 m（水深×航寬×彎曲半徑，下同），可通行500 t級船隊，尤其是1984年對津茅河段落差比較集中的沙羅航道進行了拓寬，工程于1987年冬竣工，竣工后石龜山、津市站的枯水位明顯下降。

圖3 石龜山水文站水位流量關系（Q＜600 m/s）Fig.3Stage?discharge relation curve at Shiguishan hydrographic station(Q＜600 m3/s)

圖4 津市水文站水位流量關系（Q＜600 m3/s）Fig.4Stage?discharge relation curve at Jinshi hydrographic station(Q＜600 m3/s)

圖51980 ～2010年津市水文站同流量下的水位變化（Q=106 m3/s）Fig.5Water level variation at the same discharge from 1980 to 2010 at Jinshi hydrographic station(Q=106 m3/s)

圖6 南咀水文站水位流量關系（Q＜600 m3/s）Fig.6Stage?discharge relation curve at Nanzui hydrographic station(Q＜600 m3/s)

圖7 艷洲樞紐下游近壩段整治前后的水面線變化圖Fig.7Water level variation along the reach before and after channel improvement project

3 整治方案

3.1 航道建設標準

目前，澧水石門至青山間的航道等級為V級，青山至津市間的航道等級為Ⅶ級,津市至茅草街間的航道等級為Ⅳ級。為了實現1000t級航道規劃，確保1000t級船型從石門直接通航至城陵磯，航道升級采用的通航標準為Ⅲ（3）級，設計航道尺度為2.0 m×60 m×480 m，航道通航保證率為95%，同時需要對青山和艷洲兩座樞紐船閘進行改造，其中艷洲樞紐船閘擬改造標準為1000t級船閘，閘室有效尺度為180 m×23 m×3.5 m。

3.2 航道整治思路與方案

在澧水石門至茅草街進行1000t級航道整治過程中，艷洲樞紐壩下近壩河段主要的礙航問題是灘上航槽水深不足。為增加航槽水深，初步有三種方案：一是進行淺灘段的航道挖槽；二是利用丁壩等整治建筑物來分段抬高水位；三是采用塞支強干的方式以增加主槽的流量來抬高航道水位。結合壩下近壩段的河道特性，枯水位落差集中，主要集中于寶塔灣以上的淺灘段，下游寶塔灣至津市橋河段的水位落差小，水位平緩；如果在下游建設丁壩等建筑物來分級抬高水位，根據工程經驗，不僅工程造價較高，后期維護也很困難［5］，因此方案二的應用難度較大；對于方案三，由于在樞紐設計最低通航流量106 m3/s時，各淺灘的支汊基本不過流，堵塞支汊的效果將不明顯，因此方案三的整治效果有限。根據以上分析，近壩段應主要采用方案一即挖槽的方式進行航道整治。

艷洲樞紐至津市橋航段的河床比降大，灘面極不平整，主流左右擺動，為增加航槽水深，應順應河勢布置挖槽，適當布置護灘工程穩固邊灘。其挖槽的控制標準為：在艷洲樞紐設計最小通航流量106 m3/s時，樞紐下游近壩段航道整治的控制水位為津市水文站設計最低通航水位，通過調整各段的挖槽深度，以逐漸達到設計航道最小水深的要求。

津市水文站設計最低通航水位，主要通過艷洲樞紐至茅草街間的長河段二維水流數學模型來計算確定，在設計整治方案下，計算得到津市水文站的設計最低通航水位為27.45 m，其中由津市下游的航道整治所引起的水位下降為0.37 m。

圖8 艷洲樞紐下游近壩段整治前后的比降與水位下降Fig.8Slope and water level lowing before and after channel improvement project

圖9 艷洲樞紐下游近壩段整治前后的流速變化圖Fig.9Velocity variation along the reach before and after channel improvement project

4 整治效果分析

采用平面二維水流數學模型計算了航道整治前后近壩段的水位、流速變化，依據的地形為2011年6月艷洲樞紐至茅草街河段的實測地形資料。由圖7可見，航道整治后，近壩段的水位明顯下降，且距離壩址越近，下降幅度越大。在壩下1 km范圍內，平均下降2.8 m，最大下降2.85 m；在壩下6.5 km附近，水位下降0.46 m；之后，水位下降基本維持在0.37～0.46 m間，總體來看，水位落差越集中，需要開挖的深度也就越大，水位下降的幅度也相應增大，尤以寶塔灣以上河段最為明顯。但水位的下降又使得航槽水深達不到設計水深要求，需進一步挖深。在隨著挖深的逐漸增加，相同幅度的挖深所引起的水位下降幅度將減小，在達到設計的2.0 m航槽水深要求時，壩下0.4 km所在斷面的航槽底高程將達到26.56 m，河床最大挖深將超過4 m，此時設計流量下的水位為28.56 m，將比艷洲樞紐現有的300 t級船閘下游設計最低通航水位30.80 m低2.24 m。

整治工程實施后，由于近壩段的水位下降，比降也隨之減小（圖8）。設計流量106 m3/s時，最大比降由工程前的1.7‰減小到工程后的0.29‰。同時，由于水面比降減小，流速也有所降低（圖9），整治工程實施前，航槽最大流速為1.66 m/s，整治后，最大流速為0.89 m/s。從沿程變化來看，流速的沿程變化與比降基本一致。

工程實施后，揭家灘上游斷面和揭家灘中部斷面航槽流量分別為99.7 m3/s和102.8 m3/s，分別占樞紐下泄的106 m3/s流量的94%和97%，水流歸槽特征明顯。

5 結語

（1）在艷洲船閘運行的近30 a間，由于航道整治、電站非恒定流沖刷及清水下泄等因素的影響，澧水下游枯水位大幅下降，全河段比降逐漸向近壩段集中，在近壩段形成了坡陡、流急的礙航淺段。

（2）根據艷洲樞紐壩下近壩河段的河道特性，提出采用挖槽增深的方式以達到設計的航道尺度。按照1000t級航道尺度標準整治時，近壩段航槽內最大挖深將超過4 m，現有的300 t級船閘下游的設計最低通航水位將下降2.24 m，航槽內比降減小，流速降低，航道的開挖是引起水位下降的重要因素之一。

（3）研究主要針對澧水航道升級過程中艷洲樞紐下游近壩段的航道整治問題以及由于航道整治所引起的設計水位下降問題進行了計算分析，沒有考慮其他人為因素對于設計水位的影響，鑒于下游河道挖沙等人為因素對河道變形及枯水位變化可能造成一些不可預測的影響，建議在艷洲樞紐船閘改建過程中對于船閘下游底檻高程除考慮航道開挖引起的水位下降值外，還要考慮一定的富裕量。

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［7］湖南省交通規劃勘察設計院,湖南省航務勘察設計研究院.澧水石門至茅草街航道建設工程預可行性研究報告［R］.長沙∶湖南省交通規劃勘察設計院,2011.

Study on waterway regulation in near?dam reach downstream the Yanzhou hydro?junction

FENG Xiao?xiang,ZHANG Ming
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China）

The descent of low water level downstream hydro?junction is an important cause for shallow chan?nel,also an important unfavorable factor for ship lock safe navigation and waterway grade improvement.In this pa?per,the navigation?obstructing characteristics and the causes of low water level change in near?dam reach down?stream Yanzhou hydro?junction in Lishui River were analyzed,then the 2?D flow mathematical model was employed to study the shoal regulation problem in waterway grade improvement,including regulation scheme,effect and influ?ence on low water level.The results indicate that∶the river bed gradient in near?dam downstream the Yanzhou hydro?junction is high,and the height of low water is concentrate,with obvious“scarp”and“steep gradient”phenome?non,and thus the dredging method is an appropriate way to achieve the design depth;when the channel regulation plan in Lishui River is implemented,the lowest navigation water level downstream the Yanzhou existing ship lock may largely descend,and need reduce its lowest navigation water level.

hydro?junction;waterway regulation;low water level;descent;Lishui River

U 641；TV 61

A

1005-8443（2015）05-0409-05

2015-05-21；

2015-07-28

馮小香(1977-)，女，河南省人，副研究員,主要從事水力學及河流動力學、內河港航工程研究。

Biography：FENG Xiao?xiang（1977-），female,associate professor.