岷江下游易沖蝕邊灘段航道治理動(dòng)床模型試驗(yàn)研究

李歡,鄧涯,馬愛興

（1.四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610017;2.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029;3.南京水利科學(xué)研究院 港口航道泥沙工程交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029）

岷江是四川省“一橫兩縱”水運(yùn)進(jìn)出川的主通道之一，根據(jù)規(guī)劃，岷江干流（樂山至宜賓段）162km 航道采取“上段渠化、下段航道整治”措施，即建設(shè)老木孔、東風(fēng)巖、犍為和龍溪口四座梯級，渠化航道81km，整治龍溪口樞紐至宜賓段航道81km，將通航標(biāo)準(zhǔn)提高至III 級。

岷江龍溪口樞紐至宜賓81km 航段，總落差44.3m，平均比降0.55‰，共有灘險(xiǎn)28 處，礙航較為嚴(yán)重的有新開河灘、霸王灘、銅鑼灣灘等3 個(gè)灘群，尤以新開河灘群最為復(fù)雜。新開河灘群位于河口上游約53km 處，四灘并存，嚴(yán)重阻礙了岷江航運(yùn)的升級擴(kuò)能，需通過航道整治達(dá)到規(guī)劃III 級（航深2.4m、航寬60m、彎曲半徑500m，通航保證率95%）。本文采用河工物理模型試驗(yàn)研究了新開河灘群下段易沖蝕邊灘段航道整治方案實(shí)施后對輸沙路線、邊灘沖淤特性的改變，以及對下游令牌石灘段航道布置的影響，在此基礎(chǔ)上對整治方案進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整。

1 研究河段概況

新開河灘群段全長10km，河段內(nèi)自上而下分布有橫梁子、新開河、背時(shí)灘、令牌石4 個(gè)灘險(xiǎn)，該段河勢特征為單一河槽與汊流相間的寬淺型河道，水流分散是灘險(xiǎn)水深不足的根本原因，枯水河面寬150～350m，灘群段河勢見圖1。

圖1 新開河灘群段河勢圖

新開河灘群上述四個(gè)邊灘交錯(cuò)分布、航槽多次左右偏轉(zhuǎn)，水沙動(dòng)力條件均較為復(fù)雜。其中，背時(shí)灘～令牌石灘段左側(cè)邊灘一直未有效防護(hù)，洪水期主流沖蝕灘頭，將大量泥沙經(jīng)灘面徑直帶入令牌石灘河槽當(dāng)中，汛末極易導(dǎo)致航槽淤積而出淺，圖2。

圖2 2017.04～2020.12 工程河段河床天然沖淤

自岷江上游紫坪鋪電站和支流大渡河上瀑布溝電站修建后，工程河段來沙量大幅減少，汛期（6～9月）平均含沙量由紫坪鋪蓄水前的0.795kg/m3，減少至0.213kg/m3，河床組成也明顯粗化，多為卵礫石，河槽內(nèi)粒徑在0.5～14.8cm，中徑在4.7～8.0cm，不均勻系數(shù)2.35。

2 河工動(dòng)床模型建立與驗(yàn)證

2.1 模型建立

工程河段懸移質(zhì)輸沙量較小，河床演變以推移質(zhì)造床為主。因此，動(dòng)床模型以推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。物理模型范圍全長約10km，采用正態(tài)模型，平面和垂直比尺均為100。定床階段采用洪中枯三級實(shí)測水文資料對沿程水位、斷面流速進(jìn)行了驗(yàn)證，精度符合相關(guān)規(guī)范要求。

動(dòng)床模型試驗(yàn)采用比重1.42t/m3精制水洗煤，通過一系列試算，在原型水深2.4～8.0m（設(shè)計(jì)流量及最大通航流量下對應(yīng)的水深）時(shí)，泥沙粒徑比尺在21.54～22.26 間（平均21.96），相應(yīng)的起動(dòng)流速比尺在9.92～10.03，平均值為9.98，與水流流速比尺av=10 基本一致。因而，最終確定粒徑比尺ad=21.96，模型沙中徑d50=2.91mm，以保證配制的煤粉模型沙滿足起動(dòng)相似。

2.2 模型驗(yàn)證

動(dòng)床物理模型以2017年4月為起始地形，經(jīng)過2017年4月～2020年12月水沙過程作用后，對2020年12月枯水地形進(jìn)行了各斷面沖淤驗(yàn)證（見圖3）。結(jié)果表明工程河段模擬的河槽主要沖淤部位與原型基本一致，全河段沖淤總量接近，斷面沖淤變幅與原型也較為符合，基本反映了工程河段河床沖淤變化，可進(jìn)行工程方案的沖淤試驗(yàn)研究。

圖3 模型斷面沖淤驗(yàn)證

3 工程前自然沖淤變化

3.1 研究工況

研究工況選擇主要考慮對工程河段航道挖槽回淤影響具有代表性和不利性的年份，結(jié)合紫坪鋪電站運(yùn)行以來實(shí)際發(fā)生的水沙條件，選擇2020年水沙條件作為大水大沙典型年，選擇2013年作為中水中沙年典型年，并以2020年、2013年和小水小沙的2015年作為“豐-平-枯”組合系列水文年。

3.2 自然沖淤演變

工程前自然演變試驗(yàn)在2017年4月地形的基礎(chǔ)上施放了大水大沙年（2020年）水沙過程，水文過程作用后，工程河段沖淤變化見圖4。

由圖4可知，背時(shí)灘和令牌石彎道段（5#、6#和7#區(qū)），汛期主流取直，直沖右側(cè)灘地，整體表現(xiàn)為灘頭沖刷，中下段灘面、灘沿與灘尾淤積，而彎道河槽內(nèi)基本表現(xiàn)為沖刷。其中，背時(shí)灘段5#和令牌石彎道中心段6#區(qū)表現(xiàn)為沖刷，總量分別為-1.72 萬方和-1.71 萬方，平均沖深-0.14m 和-0.14m；相應(yīng)地，5#區(qū)和6#區(qū)航槽內(nèi)也整體沖刷，沖刷總量分別為-0.42萬方、-1.13 萬方，平均淤厚-0.12m 和-0.22m。由于令牌石灘右側(cè)灘面沖刷，導(dǎo)致一部分泥沙順沿灘沿向下輸移進(jìn)入航槽，一部分灘尾深坑內(nèi)淤積泥沙越過老壩進(jìn)入航道，導(dǎo)致令牌石彎道下段航槽內(nèi)出現(xiàn)淤積，該段河道沖淤總量在0.39 萬方，平均淤厚0.04m，航槽內(nèi)沖淤總量0.30 萬方、平均淤厚0.07m。

圖4 大水大沙年作用后河床自然沖淤變化

4 工程后沖淤變化與航線調(diào)整

4.1 航道整治方案

在前期定床模型試驗(yàn)研究中，基于通航水流條件優(yōu)化確定了航道整治方案，背時(shí)灘～令牌石灘段工程內(nèi)容主要為在右側(cè)邊灘灘頭、灘尾各修建一條順壩，對灘頭和灘尾兩處出淺段進(jìn)行疏浚和左岸護(hù)岸，見圖5。

圖5 背時(shí)灘～令牌石灘段航道整治方案

4.2 工程后河床沖淤特性

在大水大沙年（2020）作用條件下，灘頭順壩一方面阻止了灘頭的侵蝕，在順壩后形成淤積，守護(hù)了灘頭，但另一方面也改變了由背時(shí)灘至令牌石灘泥沙的輸移路線：在工程前水流直沖灘面，在灘尾部采砂坑內(nèi)淤積，而工程后灘面基本為淤積，而上游底部輸移推移質(zhì)泥沙在灘頭順壩控導(dǎo)下順灘沿向下，導(dǎo)致工程后較大淤積出現(xiàn)在灘唇下游和補(bǔ)順壩壩前，淤積厚度在1.0～1.5m；令牌石灘下段的7#區(qū)河床沖淤總量由工程前的0.39萬方大幅增加至1.83 萬方，平均淤厚也由0.04m 增至0.16m，淤積范圍基本覆蓋整個(gè)航槽范圍，航槽內(nèi)淤積厚度在0.6～1.5m，回淤較為明顯，整體上淤積厚度的峰值出現(xiàn)在航右線附近，航道右半幅出淺長度范圍接近600m，出淺區(qū)厚度在0.3～1.0m（見圖6）。

圖6 大水大沙年令牌石灘段河床沖淤變化及航道出淺厚度

4.3 航道整治方案優(yōu)化及效果

針對令牌石灘下段大水大沙年后航槽出淺范圍較大的情況，結(jié)合2012～2020年該處天然河床沖淤變化特征、模型試驗(yàn)成果以及該河段的灘槽格局，對設(shè)計(jì)航線進(jìn)行了局部優(yōu)化，在設(shè)計(jì)航線基礎(chǔ)上左移半幅航道（30m），航槽開挖底高與設(shè)計(jì)方案一致，優(yōu)化后航槽仍舊布置于286m 河槽線范圍內(nèi)，航線布置見圖7。

圖7 令牌石灘段航線優(yōu)化方案示意圖

為比選設(shè)計(jì)航線與優(yōu)化航線，對2012～2020年航線范圍內(nèi)的天然沖淤情況和動(dòng)床模型工程前大水大沙年后沖淤情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，見圖8。

圖8 大水大沙年后令牌石下段航線優(yōu)化后航槽出淺情況

由于優(yōu)化后航線與設(shè)計(jì)航線均位于該河段河槽中，因此在2012～2017年以中枯水年（1 個(gè)大水年、3 個(gè)中水年和1 個(gè)小水年）作用為主的天然河床沖淤中，兩個(gè)航線的航槽內(nèi)均表現(xiàn)為沖刷，沖刷總量也較為接近。但在2017～2020年以大水年（1 個(gè)中水年和3 個(gè)大水年）作用為主的天然河床沖淤中，兩個(gè)航線的航槽內(nèi)均表現(xiàn)為總體淤積，優(yōu)化航線內(nèi)淤積總量（0.79 萬方）相比設(shè)計(jì)航線內(nèi)（1.44 萬方）減少明顯。相似的規(guī)律也出現(xiàn)在模型試驗(yàn)上，在經(jīng)過單個(gè)大水年（2020年）作用后，設(shè)計(jì)航線內(nèi)總體為淤積，總量在0.43 萬方，而優(yōu)化航線內(nèi)體現(xiàn)為沖刷，總量為-0.27 萬方。

在大水大沙年后，優(yōu)化航線范圍內(nèi)航槽出淺范圍及厚度相比設(shè)計(jì)航線有明顯減小，出淺范圍僅在航右線附近，長度在550m 左右，出淺區(qū)厚度均在0.3m 以下。可見，相比設(shè)計(jì)航線，航線優(yōu)化后該段航槽穩(wěn)定性有所提高，推薦采用優(yōu)化航線布置于令牌石灘下段。

5 結(jié)語

（1）工程前背時(shí)灘～令牌石灘段右側(cè)邊灘受汛期水流沖擊，灘頭沖蝕、灘尾淤積，部分泥沙越過老壩進(jìn)入河槽，同時(shí)另一部分泥沙順沿灘沿進(jìn)入航槽，在令牌石灘下段航槽偏轉(zhuǎn)位置淤積。

（2）灘頭順壩一方面削弱了主流、抑制了灘頭沖蝕，另一方面也將原越過灘面向下的輸沙路徑調(diào)整為順沿灘沿向下，導(dǎo)致工程后灘唇下游和順壩壩前大量淤積，鄰近的航槽內(nèi)回淤明顯。

（3）從避開工程后右側(cè)邊灘泥沙落淤區(qū)的角度，對令牌石灘段下游航線進(jìn)行了左移30m 的優(yōu)化，優(yōu)化后航槽內(nèi)淤積問題改善明顯，僅右邊線出淺，厚度小于0.3m。