長江上游河流航道觀測及整治的應用分析

盧自來

（四川省交通勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

一個水文年的河道地形及水文等原型觀測資料包括枯水期、中水期、洪水期3個流量級下的測量資料。控制測量布設一級控制點和四等水準點，滿足設計及地勘放樣的要求，并為施工單位提供基礎的控制測量成果。水文觀測包括水位測量、表面流速流向測量、航跡線測量、河心比降測量、斷面流速分布及流量觀測、河床質打印、邊灘坑探取樣、跨河（過河、臨河）建筑物和管線定測等。通過提供枯水期、中水期、洪水期3個流量級下的測量資料，為設計人員提供基礎的地形及水文資料；并提供給物理模型、數學模型試驗人員使用，驗證物理模型和數學模型；滿足工程勘察設計階段工程結構設計及工程量計算的需要；為施工單位提供基礎地形資料及施工依據。

1 河流航道水文測驗的流程

1.1 水尺設置與觀讀

在選擇水尺位置時，應選擇能充分反映模型觀測區域的水位變化，無沙洲、淺灘阻隔，無雍水、回流現象，不直接受風浪、急流沖擊影響，不易被船只碰撞的地方。水位觀讀采用自動記錄水位計，能避免人工觀讀的時間及讀數誤差，確保水位測量數據的精度。水位觀測讀數應精確到10mm，上下比降斷面的水位差小于0.2m時，水位觀測讀數應精確到5mm。水尺零點與高程基準聯測應符合圖根水準的要求，縱比降小于1/10000時，水尺零點按四等水準要求聯測。

1.2 流速流向測量

流速流向測量應盡可能選擇無風或小風天觀測。流速流向觀測時起始斷面的浮標要盡量均勻放置，單一河段不小于5條流線；分汊河段主槽不小于3條流線，支汊根據情況選擇流速流向線的條數，保證不少于1條。觀測方法可采用前方交會配合浮標法，浮標點定位時，最小交會角為30°，最大交會角為150°。交會線長度以2～3倍河寬為限進行控制。

1.3 航跡線測量

航跡線測量分為上水航線和下水航線測量。觀測采用RTK或網絡RTK的方式測量，船只為原型觀測河段代表性船只，大型船舶進行雙跡觀測，雙跡觀測把GPS固定在船首和船尾并同步記錄數據，按時間間隔自動記錄方法進行測量；中、小型船舶采用單跡觀測，將GPS固定在船舶中部，采用距離間隔自動記錄方法進行測量，并進行現場調查，記錄所測船舶的船型、功率、吃水、載重等相關參數。

1.4 河心比降測量

河心比降測量采用RTK或網絡RTK的方式施測，觀測時將GPS固定在船舶中部，按距離間隔自動記錄方法進行測量。其平面定位允許誤差為圖上±1.5mm；高程測量允許誤差為圖上±50mm；定位間距不大于圖上30mm。水面比降測量開始到結束時每隔1h觀讀水尺水位一次，以保證河心比降的施測水位精度，河心比降圖以施測水位成圖。

1.5 斷面流速分布及流量觀測

斷面流速分布及流量觀測開始測驗前，采用流速儀法與聲學多普勒流速剖面儀同垂線的流速、流量、流向等項目的比較檢測，其方法是用流速儀施測不同垂線位置、相對水深0.6h處的點流速30點以上，每點歷時100s；用聲學多普勒剖面儀在相同位置定點施測流速，記錄30組數據以上（摘錄水深0.6h處的流速）。然后進行誤差統計，比測結果的相對系統差在±1%以內，相對標準差不超過1.5%。

測流斷面流量閉塞差控制在5%以內，按公式（1）和公式（2）計算。單一河段如公式（1）所示。

分汊河段如公式（2）所示。

式中：δ為流量閉塞相對誤差（用%表示）；Q為單一河段首尾控制斷面流量的平均值（m/s）；Q為單一河段第i個斷面的流量（m/s）；Q為分汊前或匯合后干流控制斷面的流量（m/s）；∑Q為各汊道進口或出口控制斷面流量的總和（m/s）。

1.6 河床質打印

河床質打印在枯水期水文觀測時進行，河床質打印點在測流斷面上，在每條測流斷面布置3個測點進行，其中左、中、右測點分別布置在距河邊1/4、1/2、3/4河寬處。施測時，將河床質探測器吊裝于絞車上，提升探測器到船舷外，放松剎車讓探測器快速落至河底，即可打印到河床情況，再將探測器提升到船上，進行拍照與繪制拓印面草圖，并記錄河床質組成情況。如探測器中無任何印跡，應重新施測。

1.7 邊灘坑探取樣

坑探位置選在原始河灘，挖取0.5m×0.5m×0.5m河床質進行顆粒粒徑分析，并繪制顆粒級配成果表。

1.8 跨河（過河、臨河）建筑物和管線定測

原型觀測的跨河（過河、臨河）建筑物和管線定測內容包括橋梁、架空線纜、過河管道以及碼頭等臨河建筑物。橋梁位置采用GPSRTK或全站儀極坐標法施測，通航孔位置和通航孔頂高采用全站儀免棱鏡法施測，通航凈高等通航孔參數通過孔高和橋下斷面水深計算。過河線纜和過河管道采用點瞄法施測，測量時先測量左右懸掛點的坐標，然后從左往右依次觀測，計算各點至左懸掛點的距離、高度，繪制懸弧圖，確定懸弧最低點高程，計算通航凈空高度。碼頭臨河建筑物測量采用全站儀或GPSRTK方式施測，對定測的橋梁、管線、碼頭等建筑物在測量期間安排專人進行調查，包括橋梁建成時間和管理單位等，過河線纜和管道的類型、電壓和管理單位、碼頭等臨河建筑物的建成時間和管理單位等信息。并整理成冊。

2 長江上游河流航道的水文觀測

三峽蓄水是從20世紀90年代開始的，區域內的各條河流由于受到各類采砂、航道整治工程的干擾，三峽內的所有河流沙量移動產生巨大的變化。根據長江上游不同時段的來沙統計數據（表1）可知，長江上游寸灘站的年流沙量從1990年的3520億m開始逐年下降，直到2016年的流沙量降到3221億m的均值，在該過程中，長江上游寸灘站的懸移質輸沙量逐年減少，降低比例高達27%左右。寸灘站輸沙量在年內的占比還是汛期的流沙推移量都達到90%以上，在95%左右，而在非汛期的流沙推移占比較低，充分說明長江上游的流沙輸移量在汛期的占比高低，直接影響到該段全年流沙失衡占比，而該段河流的卵石推移大多集中在6—9月，其他月份的推移很少。

表1 不同時段長江上游寸灘站來水來沙統計結果

彎道泥沙的輸移主要受到泥沙橫向推移、泥沙分選及輸沙帶這4個因素的影響，而河流彎曲是導致彎道泥沙出現橫向輸移的重要誘因，會使彎道的泥沙受到橫向水流的沖擊逐漸向岸邊輸移。在彎道這種特殊推移作用下，會重新改變河床的整體形貌，導致河灣也同步出現變化，當彎道的泥沙出現移動變化時，它的運動規律會受到河流底部的橫向與縱向流速的影響，而且河流底部的泥沙如果能夠保持靜力平衡的狀態，是保證河床穩定的重要因素。河流的橫向坡度是由河槽和邊灘組成的，對位于斜坡部分的泥沙來說，一旦受到重力影響，例如出現拖曳或是上舉的力量，此時的河底泥沙會保持靜力平衡的狀態，也是受到2種力量后產生下滑而形成的，而且橫向推移的泥沙如果強度為0時，會隨著河床受到的力量出現垂直流動的運動狀態。

對長江上游段的測試數據進行分析，當處于一定條件時，彎道的泥沙推移深度要比直流河段的泥沙推移深度高1.5～1.7倍。這充分證明河沉泥沙的運動開始于彎曲的河道地段，而非直流地段。當泥沙處于彎道河流時，受到水的作用力會給該段的河床演變帶來巨大影響。當泥沙推移運行且彎曲河段邊岸區的流速很高時，在該條件下，凹岸泥沙的沖刷力度和推移速度明顯比直河流段快。如果在移動的過程泥沙量較少，那么凹岸的泥沙狀態為沖刷形態，且容易形成側面不斷沖刷的局面，偶爾還會出現一些岸坡坍塌的現象。另外，彎道的泥沙會受到水流的作用力被推到對岸或下游。而凸岸的水流受到流速緩慢的水流影響，慢慢將泥沙從凹岸流入，進而出現淤積，使彎道的彎曲度發生變化。在自然彎曲的河流河道慢慢發生變化的過程中，彎道段凹岸會受到不同強度的水流作用，使泥沙的推移運動方式出現不同，就會導致凹岸河道出現較深的沖刷坑。

當長江上游的長葉磧段河流處于中枯水期時，因為河流流量不大，河流沖擊力小，對河底的泥沙不會產生多大的移動作用。當水流速達到9350m/s時，該段河流的底部泥沙開始移動，使河流上游的航道邊緣生成較大范圍的移動帶，也會有其他局部地段的泥沙出現推移，但從整體來看，推移速度較慢，在該流量條件下，輸沙帶的移動僅約200m左右。當水流的流帶提高到20000m/s時，會在河流灘面處產生較大量的泥沙推移現象，推移帶幾乎布滿整個長葉。總的來說，長葉磧邊灘的泥沙在水流量較小的條件下，推移力量也較小。而在水流量較大的條件下，灘面輸沙能力也會隨之提高。在該條件下，由于床面受到斜流的沖擊，因此輸沙方向總體偏向凹岸。

3 長江上游航道尺度測量以及灘險成因分析

3.1 長江上游當前航道尺度測量情況

長江上游朝天門到涪陵段對航道建設的標準定位于整個河段的航道尺度需要達到4.5m×150m×1000m，由于該段河流處于回水變動區域，會在特殊時期出現水深不足的現象，因此航道內的船只航行。只有當河流水深達到4.5m以下的條件時，同時航寬要求達到120m，彎道半徑小于800m，航道才能正常運行。由圖1可知，選取里程為631km～633km的河段進行航道尺度分析，并依次標明斷面號，共取13個斷面，在設計水深4.5m下1-3號斷面河段由于處于順著河道，所以平時河流流速平緩，具有較好的航行條件，可滿足4.5m航道的各項標準。4-6號斷面由于水流受到磧翅的阻擋，當河流流入斷面處時，會有一定的束縛作用，所以該段河流速度較快，河流形態也比較復雜；直到7號斷面最嚴重，此處河段水位下河寬小于180m，之后河流隨著向下游流動的方向逐漸變得開闊，尤其到了魚嘴部位會變得更加伸展，此段流河寬到達到380m的設計水位標準。長葉磧是長江上游著名的在枯水期通航困難的彎淺險灘，河段的彎曲半徑不足1000m。綜上所述，在目前的通航條件下，河段并不能滿足航道尺度為4.5m水深航道標準的要求。

3.2 灘險成因分析

長江上游長葉磧這段河流較為彎曲，屬于凸岸卵石大邊灘，且有大量各類礁石與卵石相對峙，在該河流段的低水位時期的航道會出現河流淺、航道窄等局限，此處為長江上游較為出名的淺難部分。而長葉磧位于上游的偏右岸，冀翅深入河心部分，航道既彎曲又狹窄，根本達不到正常航行的標準槽寬。行到魚嘴間部位時，出現航道彎曲半徑達不到標準的情況，經過該段的水流，會受到橫向離心力的作用力，形成各種斜流或是不良流態，導致航道不能正常運行。在對該段河流的流態進行物理測量時，能看到該段河流的斜流現象非常突出，航道方向和斜流水流的夾角在40°左右，同時斜流水的流速高達2.0m/s，在這樣的斜流上進行航行，一旦出現不當操作，會出現海損事故。

4 長江上游河流航道整治方案及預期效果

4.1 航槽布置

針對長江上游長葉磧河段的航槽設計傾向于左岸，經過大片孤礁地帶，然后經過水葬處會看到彎道，一路下流到下游處時，長葉磧磧翅處的航道會靠近左岸，然后順流而下會經過最后一個彎道-民曲石段，通過魚嘴部位的長江大橋后，此段河流終點到達。這段河流的航槽寬度預計為150m，彎曲半徑最小值為1000m。

4.2 總平面布置

根據總體設計的航槽布置方案，對長葉磧磧翅進行開挖，挖槽的設計要根據該河段淺灘特點來規劃，在淺灘最淺處內開始挖長度為1100m的航槽，挖到疏浚河段時最大寬度要夠454m。整個挖槽的平面設計要根據長葉磧主航道的河床特點來進行，疏浚河段的航槽開挖位置要比低水時期的航槽偏點，朝著麻雀堆的方向開挖。根據規劃設計，在疏浚河段的航槽開挖要與上下游河勢進行順應，挖槽區長約900m，寬約345m。設計水位采用 2018—2025年魚嘴設計水位成果156.42m（吳淞高程）。

圖1 長江上游長葉磧河段水道河勢圖

4.3 預期效果分析

通過對長江上游長葉磧淺灘進行航槽的規劃設計與開挖，總面積約為150000m左右，航道水深預計達到3.5m，結合回水區因流流變動出現泥沙回淤情況，設計備淤空間增加0.2m。由于開挖的新航道偏向于左岸，航道內挖槽區面積為36954.46m，在這套航槽開挖方案實施后，當河流流速達到13500m/s以上時，不易出現泥沙卵石淤積的現象。當河流的流速達到9350m/s時，會使斜向水流加速，與航槽形成10°左右的夾角，當水位上升到6m以上時，河流的流向會出現向右偏移的情況，然后斜流和航槽的夾角也會變小，這樣就能改善航道的通行條件條件。

5 結語

綜上所述，河流航道的地形測量采用一體化航道測量融合了多波束掃測、三維激光掃描等高新測繪技術，通過航道數據的智能化融合，能夠提供比常規方式更豐富、更直觀、更全面的測繪成果。航道數據通過一體化數據平臺進行智能化融合，可獲取高精度一體化點云數據。水尺觀測采用自動水位記錄儀進行，避免了人工觀讀的人為誤差。流速流向測量采用前方交會方法進行，確保平面精度，標靶采用氣球下懸掛石頭，確保了氣球流向與水流向一致。該文通過收集整理長江上游長葉磧河段的實測資料及相關數據，對長葉磧河段進行了水文分析，研究其灘險成因，并基于水沙運動的河床結構分析，提出了針對該段航道整治方案。