嘉陵江土湾滩航道整治模型试验研究

何进朝，母德伟

(重庆交通大学 西南水运工程科学研究所，重庆 400016)

嘉陵江下游航道是重庆航道规划“一干两支”中的“一支”，是重庆高等级航道体系的重要组成部分，也是重庆水路运输干支直达的重要通道［1］.然而嘉陵江草街以下68.2km河段滩险多达27处［2］，航道等级较低，拟采用整治措施使其达到Ⅲ级航道标准.其中土湾滩是嘉陵江下游严重碍航的汊道浅滩，该滩处于三峡水库175m调度方案变动回水区，既受到三峡水库回水影响，又受上游草街枢纽调水拦沙影响，还与两江汇流组合有关，水沙条件和航道条件极为复杂［3］.以往的研究［4-6］表明，在三峡水库175m运行后，土湾河段出现泥沙累积性淤积，原航槽不具备通航条件，而三峡水库正常蓄水，迫切需要对该滩进行航道整治，以适应蓄水后航运发展要求.

1 滩段概况及成因分析

土湾滩是嘉陵江下游严重碍航的滩险之一［2］，为汊道型浅滩，枯水航槽弯、浅、急，该滩上距磁器口3.5km，下距河口12km.滩段进出口均较狭窄，尤其是进口有两巨大石梁耸立于江中，名为石门，将航道分为左右两槽，右槽宽约40m，现为枯水主航道，洪水时右槽水陡流急，航行条件恶劣，行船改走左槽.土湾滩水流分汊，右汊航槽弯、浅，水流扫弯，是现行枯水主航槽;左汊虽顺直，但长期水深不足.该滩的成因:一是该滩上游进口段洪水河宽仅350m，至滩段骤然放宽到700m，水流扩散，流速降低，泥沙大量沉积所致;二是由于汛期水流取直，主流左移至冤篼碛副槽，但此处河床由礁石组成，水流无法将其冲宽冲深，同时，主流取直后，右槽处于回流区或缓流区，泥沙大量落淤，汛后水位退落，水流归槽冲刷，淤沙大部分被冲走，形成枯水弯槽.该滩整治前航道尺度为最小水深1.3m，槽宽35m，弯曲半径350m.

三峡水库采用汛后蓄水方式，推迟和缩短了嘉陵江土湾滩的冲刷走沙期，加上回水影响，导致土湾河段出现泥沙累计性淤积.同时，近年来在该河段进口即石门大桥右侧修建滨江路，占用有效河宽40m左右，造成洪水期土湾一带回流范围增宽和泥沙淤积范围加大.泥沙系列试验［4］表明，水库运行30 a，该河段泥沙淤积总量为5.95×106m3，平均淤积量为2.97×106m3/km，土湾河段发生滩槽易位现象，原右岸枯水主河槽全部淤塞形成边滩，滩面宽达100～320m，淤厚10～18 m，滩面高程达到178.5m左右，主槽已完全移至河道左侧的冤篼碛碛坝上.在库水位消落至低水位时，左槽航深不足，流速比降较大，船舶航行困难，需要进行航道整治.

2 模型简介及试验条件

试验在三峡水库变动回水区重庆河段泥沙模型上进行，模型范围上起长江茄子溪下至铜锣峡，长43km，嘉陵江从井口以上2km至河口，长25km.制模地形主要根据实测的1∶5000河道地形图，采用断面板法缩制，对局部特殊地形则参照不同单位实测的陆上和水下地形图，采用加密断面方式，并辅以等高线法相配合.同时采用最新实测河床地形对重点河段进行重新塑造，还根据嘉陵江、长江两岸新建的滨江路、防护堤、港口码头以及跨江大桥等对模型进行了修改，以准确反映人工建筑物对重庆河段水流条件及泥沙淤积的影响［7］.

考虑到近年来嘉陵江水沙条件变化，以及今后嘉陵江梯级开发对试验河段水沙条件的影响［8-10］，本研究采用1991—2000年系列水沙资料及其数模计算成果施放浑水过程，以便更好地反映模型试验的预测效果.模型各比尺分别为:平面比尺175，垂直比尺125，流速比尺11.18，流量比尺244570，糙率比尺1.89，水流时间比尺15.65，沉降速度比尺7.986，粒径比尺1.495，起动流速比尺9.353，挟沙能力比尺0.398，干重度比尺2.68，悬移质时间比尺105.

3 整治原则与整治标准

3.1 整治原则

嘉陵江土湾河段位于三峡水库变动回水区中段，兼具天然河流与水库特性，水库175m方案蓄水运行后，该河段水位壅高，流速减小，泥沙淤积加剧.汛后水库蓄水，该河段水位壅高达10～15m，失去了建库前汛末退水冲刷的条件，造成泥沙累积性淤积，边滩淤高，支汊淤死，滩槽易位，河型转化［3-4］.根据变动回水区泥沙淤积规律与河床演变趋势，采用基建性挖槽措施，沿洪水动力轴线布置挖槽，增强消落末期冲刷能力，维持挖槽稳定，改善通航条件.考虑到嘉陵江来沙量明显减少，副槽泥沙淤积量不大，在未筑整治建筑物的情况下，利用水库消落末期冲刷，达到挖槽稳定要求.

3.2 整治标准

根据嘉陵江航运发展规划，土湾滩航道等级为内河Ⅲ级，设计标准为2.4 m×60m×480m(航深×航宽×弯曲半径)，通航保证率为95%.在天然情况下，土湾河段通航保证率95%对应的设计流量为327m3/s，出现时间一般在12月至次年3月.而三峡水库按175m方案运行后，该河段将处于回水变动区中段，根据水库调度方式，三峡坝前水位于10月底蓄水至175m，次年2月底起水位逐渐消落，至5月底消落至155m控制水位，届时在12月至次年3月虽然上游来水量较小，但受三峡水库壅水影响，本河段水位仍较高，滩段航道条件较好，根据数模计算成果，每年4月至5月消落期该河段才出现碍航情况，按95%保证率推求得到嘉陵江土湾滩设计流量为937m3/s(相应长江流量为3181 m3/s)，以此作为该河段在三峡水库按175m蓄水运行30 a的设计流量.

4 试验成果分析

4.1 整治方案

开辟左槽通航，挖槽轴线沿洪水动力轴线方向布置，开挖长度1150m，挖槽断面型式为梯形，底宽80m，边坡 1∶3，槽底高程在进口处挖至 159.50m，纵坡0.5‰，进口做成喇叭口形，使上口水流平顺，方便船舶进出槽，出口也加深加宽，便于与下游深槽平顺衔接，整治方案布置见图1.

图1 土湾滩整治方案布置Fig.1 Regulation scheme for Tuwan shoal

4.2 试验成果分析

4.2.1 航道尺度 整治方案实施后，土湾滩航槽顺直，弯曲半径大于1000m，航宽80m，航深在2.5m以上，航道条件根本改善，满足Ⅲ级航道尺度要求.

4.2.2 水流条件 在天然情况下，挖槽引起上游水位明显降落，比降也相应调整，设计流量时新航槽分流比达到79%，滩上水位下降1 m，水面比降由整治前的0.82‰降至0.27‰;在两江(嘉陵江/长江，下同)流量分别为2600/5200m3/s时水面比降从0.79‰降至0.40‰.

在三峡水库运行30 a后，由于边滩淤高，水流归槽，同流量情况下，虽然水位抬升1 m左右，但水面比降均有所增加，两江流量937/3181 m3/s时，滩段上游水位增加1.05m，水面比降由蓄水前的0.27‰增至0.43‰;在两江流量2600/5200m3/s时水面比降从0.40‰增至0.62‰.整治前后水位及比降见表1.两江流量为937/3181 m3/s时，新开航槽水流平顺，流速分布比较均匀，最大流速为2.8 m/s.两江流量为2600/5200m3/s时，新槽中段和出口处的最大流速分别降至3.50和3.31 m/s.由于右汊被淤死，导致过水面积明显减小，因此使得滩段流速较蓄水前普遍增大.如流量为937/3181 m3/s时，挖槽最大流速出现在中部，其值为3.6m/s;两江流量为2600/5200m3/s时，挖槽段最大流速已达4.6m/s，船舶上行困难.

表1 土湾滩整治前后水位及比降Tab.1 Water levels and gradients before and after regulation of Tuwan shoal

4.2.3 河床演变 从土湾滩段淤积地形、淤积等厚线(图2)及淤积剖面图(图3)可见，随着水库运行时间的增长，滩槽逐渐发生易位，右汊原枯水主航槽逐渐淤塞形成新边滩，左汊副槽则变为主航槽，三峡水库运行30a右岸新边滩已宽达100～250m，淤厚一般在5～12m，滩面高程为168～172m.挖槽内泥沙淤积甚少，厚度小于0.5m.可见新开航槽基本稳定，航道尺度仍满足设计要求.

图2 整治后三峡运行30 a淤积等厚线Fig.2 Contours of sediment thickness after 30-year-running of the Three Gorges reservoir

图3 整治后三峡运行30 a淤积剖面Fig.3 Sedimestation vertical profiles after 30-year-running of the Three Gorges reservoir

5 结语

(1)三峡水库按175m方案运行后，土湾河段将发生累积性泥沙淤积，河道边滩淤高，右岸枯水深槽将被淤塞形成新的边滩，原有枯水主航程将逐渐左移，而左岸在天然情况下是边滩，航槽左移致使航道尺度降低，航深不足，迫切需要进行航道整治.

(2)土湾滩航道整治工程是适应该河段未来河床演变规律的整治措施，其整治原则必须抓住该河段未来“滩槽易位，河型转化”的特点，根据变动回水区泥沙淤积规律与河床演变趋势，采用基建性挖槽措施，沿洪水动力轴线布置挖槽，增强消落末期冲刷能力，维持挖槽稳定，改善通航条件.

(3)试验结果表明，整治方案实施后，在天然情况下，航槽顺直，航道弯曲半径明显增加，航道条件得以改善，达到整治目的.

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