西江長洲樞紐庫尾段采砂工程對航道通航水流條件的影響*

覃昌佩，何修偉，鄧 涯，蔣乙平，馬愛興，胡 穎

(1.廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧 530029；2.河海大學 港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210024；3.四川岷江港航電開發有限責任公司，四川 樂山 614000；4.南京水利科學研究院，水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210029；5.南京水利科學研究院，港口航道泥沙工程交通行業重點實驗室，江蘇 南京 210029)

河道采砂工程是對航道通航水流條件有較大影響的涉河工程之一，由于其比山體取砂更容易、成本較低等原因，一直是國民經濟發展中眾多基礎性建設工程中主要的石料來源之一[1-2]。內河水運具有運量大、成本低、綠色低碳的優勢，是國民綜合交通運輸體系中的重要一環，對沿河腹地的經濟發展具有不可替代的作用[3]。因此，河道采砂工程對航道通航水流條件影響的研究一直是水運行業關注的熱點。

河道內采砂工程勢必會改變原有的河床邊界，進而影響航道通航水流條件，甚至威脅航道的通航安全[4]。目前，國內外針對河道采砂工程與航道通航水流條件之間的影響開展了較多的研究，主要有水槽試驗[5]、河工模型[6]和數學模型[7-11]，研究范圍也基本涉及了我國的長江和珠江這兩個主要通航河流的上、中、下游以及河口段。航道是一個縱向連續性的通航區域，不同位置的采砂工程對其影響明顯不同，對于下游灘段的卡口區而言，采砂則會顯著擴大中枯水下過水斷面，引起上游水位降低造成航深不足而礙航，甚至威脅到上游樞紐船閘的門檻水深保證率；對于急、彎、險灘段來說，采砂會破壞原有灘沿的連續性，形成對船舶航行的不利水流流態；對于部分中枯水灘，采砂導致的河道斷面打開，某種程度上也附帶性地改善了枯水航深。因此，采砂工程對航道水流條件的影響是十分復雜的，在不同灘段影響類型和程度均有所差異。

受庫區回水和上游來水的共同影響，庫尾段水沙變化呈現出與天然狀態下明顯不同的特征，河床變化呈現汛期沖淤交替、消落后期沖刷，復雜和非線性特征十分明顯[12-13]。因此，樞紐庫尾回水變動段的采砂工程對航道通航水流條件的影響變得更加復雜[14-16]，難以通過簡單的經驗公式或相關規范進行判別，而目前關于庫尾采砂工程對航道水流條件的影響研究較少。本文通過建立桂平三江口上游黔江河段16 km和桂平樞紐—長洲樞紐約156 km的長河段二維水流數學模型，計算分析江口料場不同開采方案對工程河段通航水流條件的影響，揭示梯級間庫尾段采砂工程對通航水流條件的影響規律，可為其他類似庫尾河段采砂工程的通航影響評估提供技術借鑒和參考。

1 工程概況

西江航運干線貴港—梧州段現狀航道等級為Ⅱ級，航道尺度為3.5 m×80 m×550 m(水深×航道寬度×彎曲半徑)，可通航2 000噸級船舶。長洲水利樞紐是西江通江達海的最后一座樞紐，上距桂平航運樞紐164 km，屬低水頭徑流式電站，庫區回水末端位于潯江大湟江江口鯽魚灘段附近，其上至桂平航運樞紐之間尚有34 km河段為水位非銜接段。

目前正在建設的大藤峽水利樞紐位于珠江流域西江水系的黔江河段，根據《大藤峽水利樞紐工程砂石料開采運輸及加工專題報告》[17]，工程所需混凝土總量763.95萬m3，混凝土集料總量1 627.05萬t，砂石料源之一為壩址下游40 km江口鎮潯江干流的大湟江江口天然砂礫石料場，包括鯽魚灘段2個開采區和上游6 km的布嶺沙段的1個開采區，3個開采區位置和設計開采方案前后河道地形見圖1。

圖1 江口料場采砂區位置

2 二維水流數學模型建立與驗證

2.1 模型建立

考慮到江口料場工程河段通航水流條件受郁江與黔江不同匯流及長洲樞紐回水共同影響，通航水流條件異常復雜，本文建立桂平樞紐至長洲樞紐間長約156 km的二維水流數學模型，模型考慮郁江、黔江匯流影響，黔江段由三江口上延16 km，見圖2。根據地形特征對計算域進行網格剖分，航道范圍內單元網格尺寸為30 m，兩側河岸邊界單元格尺寸為60 m，中間部分漸進過渡，整個計算網格節點約5.3萬個，單元10.0萬個。

圖2 研究河段

桂平樞紐—鯽魚灘上游河段，以及三江口上游黔江河段，一般主槽內糙率為0.020～0.033，淺灘或邊灘內糙率為0.034～0.050；鯽魚灘下游至長洲樞紐壩上河段一般主槽內糙率為0.018～0.025，淺灘或邊灘內糙率為0.025～0.040。

2.2 模型驗證

2.2.1枯水驗證

采用2010-02-16沿程桂平航道站、大湟江口水文站、藤縣和平南水位站日均水文資料對模型進行枯水條件下糙率率定與驗證，潯江流量907 m3/s，長洲壩上水位19.09 m。枯水水位驗證結果見表1，數學模型計算枯水水面線與日均水位資料符合較好，水位驗證結果符合有關規范要求。

表1 枯水水位驗證

2.2.2中水驗證

采用2016-04-28T12:00實測水文資料對模型進行中水條件下糙率率定與驗證，水尺和測流斷面布置見圖1。潯江流量6 754 m3/s，長洲壩上水位20.33 m。中水水面線、斷面流速驗證結果見圖3、4。可以看出，數學模型計算的水面線與實測基本一致，誤差在±7 cm以內，斷面流速分布與實測資料符合較好，斷面流量誤差在±5%，均滿足《內河航道與港口水流、泥沙模擬技術規程》[18]要求。

圖3 沿程水面線驗證

圖4 各測流斷面流速分布驗證

3 采砂對通航水流條件的影響

選取研究河段設計最小通航流量840 m3/s、鯽魚灘下游設計水面線推算流量1 850 m3/s、多年平均流量5 430 m3/s和設計最大通航流量4.45萬m3/s等4級特征流量[19-21]，進行江口料場開采對上游通航水流條件影響的計算和分析。

3.1 設計水位與航道水深變化

設計流量840 m3/s條件下，桂平樞紐下游沿程水位降落基本在0.05～0.11 m之間，桂平樞紐下游引航道附近(水尺1A)水位降落0.09 m，桂平航道站(水尺1)水位降落0.09 m，大湟江口站(水尺10)水位降落0.11 m，而鯽魚灘段以下為長洲水利樞紐庫區，水位變化不明顯。

汛期保證率98%流量1 850 m3/s時，長洲樞紐壩上水位考慮死水位18.75 m運行，河段比降加大，采砂工程對水位的影響增強，桂平樞紐下游沿程水位降落幅度達0.18～0.54 m，與上述設計流量變化相似，鯽魚灘段以下為長洲水利樞紐庫區，水位變化不明顯。

江口料場開采后，采砂區地形高程降低，采砂IV區最大航深增加6.8～17.8 m，鯽魚灘部分航段水深增加1.2～9.2 m，但工程區上游河段枯水航道水深減少0.1 m左右，其中木化洲河段仍存在局部航段航邊線水深略有不足。

3.2 河道流場、流速變化

采砂工程(Ⅰ、Ⅱ區)實施后鯽魚灘及采砂范圍內航道整治建筑物被挖除，河道內水流方向基本為順岸，而航道線兩側的潛壩仍存在，主流在其附近偏向右岸，見圖5a)。多年平均流量下，水流流速在0.5～0.8 m/s，左右汊道內水流流速減小0.3～0.8 m/s，鯽魚灘灘面流速增加0.2 m/s左右，見圖5b)。

采砂工程(Ⅳ區)實施后，河道左側布嶺沙被挖除，灘體對水流的挑流作用減弱，工程區附近水流較工程前相比有所左偏，且增大了河道過水斷面，河道水流流速有所減小，見圖5c)。多年平均流量下，工程附近流速一般減小0.2 m/s，采砂上段局部流速增加0.1 m/s左右，見圖5d)。

圖5 采砂前后多年平均流量5 430 m3/s下河道流場及流速變化

3.3 航道流速變化

江口料場采砂工程實施后，總體上，采砂工程上游河段因水位降落，航道流速略有增加，工程區域因過水面積增加顯著，航道流速減小較為明顯。

設計流量840 m3/s下，除采砂區以外流速變化較小，采砂I、II區范圍內縱向流速最大減小了0.44～0.61 m/s，橫向流速最大變幅為0.10 m/s；采砂IV區縱向流速最大減小了0.09～0.22 m/s，橫向流速最大變化幅度為0.06 m/s，見圖6。

圖6 設計流量840 m3/s下航道流速及變化值

多年平均流量5 430 m3/s下，采砂區上游的羊欄灘、木化洲航道縱向流速增幅分別為0.15、0.18 m/s，采砂I、II區范圍內縱向流速最大減小約1.0 m/s，橫向流速最大變幅為0.13 m/s；采砂IV區縱向流速最大減小了0.18～0.32 m/s，橫向流速最大變幅與采砂I、II區相近，見圖7。

圖7 多年平均流量5 430 m3/s下航道流速及變化值

最大通航流量4.45萬m3/s下，采砂I、II區范圍內縱向流速最大減小了0.8～1.1 m/s，橫向流速最大變幅為0.32 m/s；采砂IV區縱向流速最大減小幅度約0.61 m/s，橫向流速變化幅度相比采砂I、II區小，為0.24 m/s，見圖8。

圖8 最大通航流量4.45萬m3/s下航道流速及變化值

4 結論

1)采砂工程實施后，引起上游桂平航運樞紐引航道水位降落0.09 m，下游河段為長洲樞紐庫區段航道，降落幅度不明顯，航邊線不滿足3.5 m航深要求范圍有所擴大。

2)采砂工程顯著改變了工程河段河床邊界，上游布嶺沙段灘體對水流的挑流作用減弱，水流左偏，多年平均流量下河道流速一般減小0.2 m/s；最大通航流量下鯽魚灘段和布嶺沙段航道流速最大減小0.8～1.1 m/s和0.61 m/s。

3)由于鯽魚灘段接近庫區，灘沿有一定保留，以及布嶺沙段在彎道凸岸側下游開采，除設計流量引起上游水位有所降落外，對航道水流條件影響有限，未出現明顯不利流態。