長葉磧河段卵石推移質(zhì)輸移特性動床模型試驗研究

汪泓璋 寇寧宇

摘要：長葉磧水道是長江上游朝天門至涪陵河段4.5m 水深航道整治工程的重點灘段，河段卵石推移質(zhì)運動規(guī)律及灘段礙航特性復(fù)雜。本文針對長葉磧水道開展卵石輸移特性動床物理模型試驗，得到長葉磧河段卵石推移質(zhì)輸移規(guī)律和卵石輸移特性，測定卵石推移質(zhì)輸移速度，擬合適用于本河段的卵石輸移速度表達公式，為航道整治思路及整治方案的確定提供相關(guān)依據(jù)，也為其他類似卵石邊灘整治水道工程提供參考。

關(guān)鍵詞：長江上游;長葉磧河段;卵石輸移特性

中圖分類號：U611? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1006—7973（2022）03-0152-03

長葉磧水道位于長江上游朝天門至涪陵河段，航道里程為631～634km，目前水道航道等級為Ⅲ級，航道維護尺度為3.5m×150m×1000m（航深×航寬×彎曲半徑）。“十三五”期間，長江上游朝涪段規(guī)劃達到4.5m×150m×1000m 的航道標準，但是長葉磧水道受長葉磧淺險灘影響，通航條件較差，在自然條件下，不能滿足水深4.5m 的航道標準，亟需進行整治。

長葉磧?yōu)閺澢佣瓮拱堵咽筮厼退黄诤降罍\、窄，是川江著名淺灘[1]。長葉磧磧腦與磧翅伸展較開，束窄枯水河槽寬度，導(dǎo)致航槽寬度不足，航線彎曲。長葉磧處彎曲半徑較小，枯水期形成強掃彎水，船舶航行困難。長葉磧水道河勢圖見圖1。

在長江上游卵石灘整治中，整治后卵石的輸移十分重要，防止航道回淤是整治成功的關(guān)鍵，國內(nèi)許多學(xué)者對此做了大量的研究工作。趙志舟[2-3]對長江上游急彎分汊河段和彎曲放寬河段的卵石淺險灘航道整治方法進行了詳細的研究，提出了可行的治理措施;對于長江上游卵石灘沙波運動明顯的特點，楊勝發(fā)等[4]提出卵石沙波淺灘整治技術(shù);李晶[5]通過動床模型試驗得到長江上游斗笠子河段卵石沙波形態(tài)及運動規(guī)律。楊成剛等[6]依據(jù)卵石推移質(zhì)原型觀測資料 ， 結(jié)合二維數(shù)學(xué)模型和卵石推移質(zhì)起動公式 ， 分析了重慶主城區(qū)河段卵石推移質(zhì)輸移特性變化及走沙條件。

在通過定床水流與定床輸沙模型試驗后最終確定了長葉磧航槽偏左的整治方案[7]。而卵石的回淤決定了整治后的航道穩(wěn)定性，為了研究長葉磧河段卵石輸移規(guī)律并提出合理的整治方案，開展長葉磧動床物理模型試驗十分必要。

1長葉磧動床模型布置

1.1模擬范圍

（1）模型范圍。本文對長葉磧河道水沙、地形地貌等因素進行綜合考慮后，選擇以下合適范圍進行動床物理模型試驗：上游起點為搬針背（航道里程644.2km），下游終點為獅子石（航道里程629.5km），全長約為14.7km。為保證試驗段的水流能夠充分調(diào)整，選擇銅鑼峽河段為模型進口，此處河寬均勻，屬于順直峽谷河段，作為模型進口條件較好。模型出口選取長葉磧整治工程下游2.5km 處的河段，為了確保模型尾水位與原型相似，此處河段模型高程需要根據(jù)實際地形進行調(diào)整，尾水位通過魚嘴沱處水尺進行控制[8]。模型范圍見圖2。

（2）鋪沙范圍。由于模型難以全部改造成動床模型。因此，在經(jīng)過充分考慮后，對于無卵石覆蓋及輸移的河床與高邊灘保持原定床條件不變;選擇將大壩子至長葉磧尾全長約2.5km 的河段改造成動床物理模型。為保證上游泥沙補給的充分性，在綜合考慮了該河道的河床組成與輸沙路徑后，選擇在上游進口處進行全斷面鋪沙。通過在動床模型表層鋪設(shè)紅色模型沙，底層鋪設(shè)本色天然沙，從而更直觀的觀察研究泥沙輸移及河道沖刷特性，模型鋪沙范圍見圖3。

1.2動床模型比尺

根據(jù)模型水沙運動相似條件[9]，長江上游長葉磧動床河工模型比尺設(shè)計見表1。

1.3動床模型流量水位控制條件

寸灘水文站至長葉磧河段的距離不足三十公里，之間無支流匯入，因此可根據(jù)寸灘站實測水文數(shù)據(jù)進行試驗工況的選取。各級流量及水位控制條件見下表2。

2長葉磧卵石輸移特性

2.1長葉磧邊灘航槽泥沙輸移情況

根據(jù)圖4分析可知，在中枯水時期，流量小，水流沖擊弱，河段卵石輸移十分困難。流量施放到整治流量9350m3/s 時，卵石向前輸移，在上游的航槽邊緣處形成了卵石輸移帶，局部也出現(xiàn)卵石輸移點，但可以觀察到卵石移動速度十分緩慢，在此流量下輸沙帶只向前移動了220m。

在施放20000m3/s 的流量時，在灘面處出現(xiàn)較多的卵石輸移現(xiàn)象，在長葉磧尾部河段，卵石輸移帶覆蓋了近整個航槽。

在施放35400m3/s 的流量時，卵石輸移帶明顯向上游發(fā)展，而且輸移寬度較原來增加了一倍達到400m 左右，但輸移帶向前輸移距離卻不足100m。

總而言之，可以發(fā)現(xiàn)長葉磧邊灘輸沙能力與流量成正比，流量小時，邊灘輸沙能力弱;流量大時，長葉磧?yōu)┟孑斏衬芰姟４送猓捎诖裁媸苄绷鳑_擊，長葉磧輸沙方向偏向于凹岸。

2.2長葉磧水道輸沙帶卵石輸移特性

在長葉磧動床物理模型中，先后進行了四組流量工況的卵石輸沙帶分布情況的動床試驗[10]。各組流量條件下的輸沙率根據(jù)寸灘站實測卵石輸沙率與長葉磧上游斷面實際輸沙能力進行相應(yīng)的調(diào)整。長葉磧水道卵石推移質(zhì)輸移帶分布特征試驗條件如下表3所示。

通過圖5分析可知，在消落枯水時期，長葉磧輸沙帶主要沿長葉磧磧翅分布，范圍較窄，例如流量為6900m3/s 時，卵石輸沙帶寬度約為130-230m，主要分布在航槽右邊緣到長葉磧磧翅區(qū)域，泥沙主要淤積在彎道彎頂區(qū)域;流量施放增加至9350m3/s 時，輸沙范圍向灘面擴寬約30m，并且在長葉磧尾部形成了一條狹長的輸沙帶;流量施放增加至13500m3/s，輸沙帶分布范圍與9350m3/s 時相差不大，但輸沙帶向左右拓寬，寬度明顯增加，且長葉磧尾部河段的航槽區(qū)域近乎被卵石輸沙帶覆蓋;流量施放增加至37100m3/s 時，可以觀察到，上游河段全部斷面基本被輸沙帶所覆蓋，河段彎道區(qū)域近乎整個灘面被輸沙帶涵蓋，輸沙帶寬度達550m。

2.3卵石推移速度公式擬合

根據(jù) Van Rijn，L.C 的自由系數(shù)與升力系數(shù)的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合表4的實測卵石推移速度記錄數(shù)據(jù)，推導(dǎo)出如

下卵石推移速度表達公式：

（1）

（2）

（3）

其中：為卵石推移速度;為泥沙密度;為泥沙容重; T 為運輸參數(shù); s 為比密度;為水流剪切力。

結(jié)合本次試驗實測數(shù)據(jù)得知，對長葉磧卵石推移質(zhì)運動速度公式2進行修正得：

（4）

3結(jié)論

長葉磧彎道凸岸流速較小，泥沙在此處淤積，凹岸流速較大，頂沖作用強，使彎道向下游不斷運動。長葉磧邊灘灘面輸沙能力與流量成正比，由于床面受斜流的沖擊，輸沙方向總體偏向凹岸。消落枯水時期輸沙帶范圍較窄，沿長葉磧磧翅分布，泥沙淤積主要在長葉磧彎頂區(qū)域;隨流量增大，輸沙能力增強，輸沙帶向左右拓展，汛期時上游輸沙帶基本覆蓋全斷面，彎道處幾乎布滿整個灘面。

長葉磧水道為長江上游朝天門至涪陵河段4.5米水深航道整治工程的一部分，水道水勢復(fù)雜，不良流態(tài)顯著。本文通過長葉磧河段動床物理模型試驗，得到長葉磧河段卵石推移質(zhì)輸移規(guī)律及輸移特性，測定卵石輸移速度，并擬合適用于本河段的卵石輸移速度表達公式，為長葉磧整治工程提供相關(guān)依據(jù)，也為其他卵石大邊灘彎曲水道整治工程提供參考。

參考文獻：

[1]向新宇.長江上游廣陽壩水道河床演變分析[J].珠江水運 ，2019，（23）：25-26.

[2]趙志舟 ， 呂娜.長江上游急彎分汊河段通航整治汊道選擇[J].水運工程 ，2009，（10）：112-117.

[3]趙志舟.長江上游彎曲放寬河段卵石淺險灘航道整治[J].港工技術(shù) ，2010，47（04）：29-32.

[4]楊勝發(fā) ， 高凱春.山區(qū)河流水沙運動規(guī)律及航道整治技術(shù)研究[M].北京：科學(xué)出版社 ，2014，（03）：275-276.

[5]李晶.斗笠子卵石沙波運動規(guī)律及對航道的影響[J].水運工程 ，2018，（10）：166-171+176.

[6]楊成剛 ， 許全喜 ， 袁晶 ， 董炳江.長江重慶主城區(qū)河段卵石推移質(zhì)走沙條件研究[J].人民長江 ，2020，51（07）：1-6+12.

[7]長江上游廣陽壩水道航道整治工可階段物理模型試驗[R].重慶交通大學(xué)，2018.7.

[8]肖毅 ， 李文杰 ， 楊勝發(fā) ， 李霈林.長江上游卵石輸移運動規(guī)律研究及數(shù)值模擬[J].水運工程 ，2019，（02）：93-100.

[9]李林.三峽變動回水區(qū)廣陽壩河段卵石不平衡、非連續(xù)輸移特性及對航道影響研究[D].重慶交通大學(xué) ， 2019.

[10]肖毅 ， 李文杰 ， 楊勝發(fā) ， 闕思思.三峽庫尾卵石推移質(zhì)輸移對航道的影響[J].水運工程 ，2019，（07）：122-129.