长江仪征水道航道条件分析及整治方案研究

伍文俊，李青云，李国斌，许 慧

(1.长江航道局，湖北 武汉 430010;2.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029)

仪征水道位于南京至镇江河段，目前航道实际维护尺度为:水深10.5 m，航宽500 m.根据《长江干线航道总体规划纲要》，到2020年，南京至长江口全河段实现12.5 m通航.本水道航道核查资料表明:2001年以前，部分年份12.5 m等深线断开或宽度不足500 m;2004年以后，12.5 m航道条件好转，宽度基本满足500 m的要求.但由于近年来主通航汊道分流比持续减小，右汊进口段航槽淤积，航道条件向不利方向发展.因此需要对水道实施工程整治，确保12.5 m深水航道畅通.

1 河演分析

1.1 河道概况

仪征水道上迄三江口，下至瓜洲，长约40 km(见图1).其中三江口至泗源沟全长约15 km，为单一型河道，河道上窄下宽，平均河宽约1 430 m，基本顺直.

图1 仪征水道河势Fig.1 River regime of the Yizheng waterway

泗源沟以下被世业洲分为左右两汊，汊道自泗源沟至瓜洲渡口，长约25 km，右汊即高资弯道是主汊，为曲率比较小的弯曲河道，平均河宽约1 450 m;左汊为支汊，为顺直型，平均河宽约880 m［1］.长江主流沿世业洲右汊的右岸下行至龙门口附近与左汊支流汇合后，又向左过渡至六圩弯道，在世业洲洲尾建有润扬大桥.

1.2 分流比变化

近几十年来，世业洲左汊分流比缓慢发展，但近期呈快速发展态势.世业洲汊道的近期演变表现为左汊缓慢发展，右汊缓慢萎缩.若任其发展，则可能会引发新的河势变化.1959年以来，世业洲汊道的分流分沙比见表 1［2］.

表1 世业洲汊道分流分沙比Tab.1 The flow and sediment delivery ratio of Shiyezhou branch %

1.3 深泓线变化

仪征水道深泓平面图见图2.可见，泗源沟至瓜洲间的深泓，在汊道分流段主要表现为分流点年际间上提下挫，且呈总体下挫态势;左汊的进口段及下段两过渡段顶冲点下移，汊道有所发展;右汊进口段的深泓摆动，下段深泓右移;汇流段受左汊持续发展影响，两汊水流作用点右摆，龙门口一带深泓随江岸崩退而有所右移，在实施护岸工程后渐趋稳定.

1.4 12.5 m 深水航道条件

2001年之前，世业洲右汊进口及中上段部分年份12.5 m等深线断开或宽度不足500 m，例如:1986年右汊中段12.5 m航槽宽度不足100 m;1990，1998和2000年枯期12.5 m等深线在右汊进口段断开;2001年右汊进口存在心滩，局部航宽仅190 m;2004年以后，航道条件好转，满足500 m的设标要求.

图2 仪征水道深泓平面图Fig.2 A plan of Yizheng waterway thalweg

2 数学模型的建立与验证

2.1 二维水沙数学模型

针对河道蜿蜒曲折的特点，选用正交贴体曲线坐标拟合边界［2－4］，以便较好地模拟河道边界，又可大大减少废网格.正交曲线坐标系下水流泥沙运动基本方程见式(1)～(5).采用控制体积法对方程进行离散，得到的离散方程具有良好的积分守恒性，并利用SIMPLER计算程式求解耦合方程［5－6］.有关数学模型的边界条件、动边界处理及数值解法等详见文献［6－9］.

水流运动方程:

悬移质不平衡输移方程:

推移质不平衡输移方程:

式中:u，v分别为ξ，η方向流速分量;Z为水位;H为水深;C为谢才系数;σξξ，σηη，σξη，σηξ为紊动切应力;αi为泥沙的含沙量恢复饱和系数;ωi为第i组泥沙的沉速;Si为分组粒径含沙量;S*i为分组粒径挟沙力，εξ，εη分别为坐标系ξ，η方向的泥沙扩散系数，εξ= εη= νt;σs为常数，为第L组推移质的挟沙能力;SbL为床面推移层的含沙浓度;αbL为第L组推移质泥沙的恢复饱和系数;ωbL为推移质的沉速.

2.2 模型验证

图3 水位与典型断面流速计算值与实测值对比Fig.3 Comparison between the calculated and the measured values of water level and typical cross-section velocity

2.2.1 水流验证 根据收集的地形、水文测验资料，分别采用2006年5月和2010年3月2次水文测验资料进行验证计算［10］.计算时上游进口边界与下游出口边界均由实测潮位过程控制，计算河段内的已建桥梁、码头等建筑物均作为固有边界考虑.限于篇幅，此处仅给出部分验证成果(图3中CS5为世业洲左汊进口断面，CS8为右汊进口断面).可见，水位计算值与实测值符合较好.典型断面垂线平均流速分布计算值与实测值较为一致，仅个别点有所偏差.

2.2.2 泥沙验证 模型验证时，进口流量和含沙量控制值均由大通站实测流量和含沙量过程概化求得，出口水位由镇江站多年水位流量水位关系插补得到.初始地形为2006年6月测图地形，验证地形为2010年3月测图地形，施放2007，2008和2009全年及2010年1—3月水沙过程，作为验证水沙条件.比较了仪征水道各段河床冲淤量的计算值与实测值，结果表明水道各部分的冲淤量基本相符，最大误差为12.1%.2006—2010年河道计算冲淤分布与实测冲淤分布见图4.可见，计算的冲淤部位与实测的吻合较好，表明模型能够较好地反映仪征水道的水流泥沙运动规律.

图4 仪征水道实测与计算冲淤分布比较Fig.4 Comparison between calculated and measured deposition and erosion distribution of Yizheng waterway

3 航道整治单项工程方案

图5 仪征水道航道整治单项方案平面布置Fig.5 Yizheng waterway individual regulation scheme

由于受到润扬大桥净空的限制，世业洲右汊主航道地位已定.目前，左汊分流比的增加，导致右汊萎缩，对航道将产生不利影响.因此，仪征水道航道整治的思路为:稳定世业洲头低滩，遏制左汊分流比的增加，维持右汊主航道地位;同时稳定右汊进口段－10 m低滩，防止其冲刷后退.

为了限制左汊分流比的继续增加，进行了4种单项整治方案的探索性试验(见图5):

(1)在世业洲头布置鱼骨坝，保护世业洲头低滩，抑制左汊分流.鱼骨坝由1道纵向脊坝及3道横向刺坝组成，脊坝长710 m，头部坝顶高程在航行基准面以下7.24 m，根部坝顶高程为航行基准面以下0 m;左侧3道刺坝自上游至下游分别长150，190和240 m，与脊坝相交处，坝顶高程与脊坝相同，坝头处顶高程分别为航行基准面以下8.07，7.30和6.53 m;右侧3道刺坝为护滩带形式，长度分别为70，126和158 m.

(2)对左汊进口段－20 m深槽进行填槽.填槽高程为航行基面下－20 m.

(3)对左汊实施潜坝方案，抑制左汊分流比，深槽处坝顶为高程航行基面下－10 m.

(4)对左汊实施护底带和护滩带工程.护底位于世业洲左汊口门处，长480 m，宽300 m，压石厚1.0 m，护滩带工程是对左汊的左侧滩地－11～－8 m以上高程部位进行防护，长1 600 m，抛石厚1.0 m.

分别对以上4种单项整治方案进行计算，所得结果见表2.可见，对左汊分流比限制效果从大到小分别为鱼骨坝工程(左汊分流比减小1.42%)、左汊潜坝工程(左汊减小1.07%)、左汊进口护底工程(左汊减小0.19%)和左汊进口深槽填槽工程(左汊减小0.13%).

表2 整治流量下单项工程实施前后分流比变化Tab.2 Division ratio changes before and after implementation of the individual project%

4 航道建设推荐方案

4.1 方案布置

在单项工程整治效果的基础上，提出推荐方案工程布置，方案的具体布置为:①在洲头低滩上建鱼骨坝;②在世业洲左汊布置护底带工程;③在世业洲左汊下段润扬大桥上游1 300 m处修建1条潜坝，深槽处坝顶高程－10 m(航行基面下);④在世业洲右缘布置4道护滩带，护滩带长度自上游至下游分别为500，520，520和500 m，宽度100 m.方案平面布置见图6.

图6 仪征水道航道整治组合方案平面布置Fig.6 Yizheng waterway combined regulation schemes

4.2 方案效果

4.2.1 分流比变化 整治工程实施后，世业洲左汊分流比有所减小，右汊分流比有所增大，且分流比改变量随着来流量的增大而减小.在所计算的3组流量级下，汊道分流比变幅为 1.09% ～1.30%(见表3).

表3 推荐方案实施前后分流比变化Tab.3 Changes in division ratio before and after implementation of the recommended schemes

4.2.2 水位变化 世业洲头上游河道水位上升幅度为0.002～0.011 m;左汊水位下降幅度为0.001～0.003 m;右汊水位上升幅度为0.002～0.006 m;世业洲尾汇流的下游河段水位基本不变.总体而言，方案实施后，河道水位变化幅度是随流量的增大而增大;在所计算的流量级下，水位变化幅度为－0.003～0.011 m.

4.2.3 流速变化 世业洲左汊河道流速变化情况:受鱼骨坝刺坝挑流的作用，世业洲左汊进口的左侧区域流速增大，进口的右侧区域流速减小;世业洲左汊内流速整体表现为减小，其中潜坝下游右侧区域流速略有增加.世业洲右汊河道流速变化情况:世业洲右汊河道左侧流速减小，护底带上流速略有增大，右侧(航槽)流速普遍增大，且随着流量的增大，方案对右汊河道流速影响也相应增大.右汊航槽内流速变化情况:随着流量的增加，航槽内流速的增加数值和变化范围均相应增大.在流量为14 000 m3/s时，右汊航槽内流速普遍增大 0.01 m/s.

4.2.4 相对冲淤变化 有无工程的相对冲淤对比变化见图7(工程后冲淤－工程前冲淤).可见，世业洲头鱼骨坝起到了保护世业洲头低滩冲刷后退的作用，世业洲头低滩得到了稳定.世业洲左汊进口段护底带起到了保护河床冲刷下切的作用，使得左汊进口冲深的趋势得到控制.右汊航槽内普遍冲刷，航道条件改善.5年末相比于无工程情况，世业洲低滩相对淤积幅度在3～4 m;左汊护底带上相对淤积幅度为2 m，左汊河段平均淤积幅度为1.3 m;右汊航道相对冲刷幅度约为1.0 m.

图7 工程实施后相对冲淤变化Fig.7 Relative changes of deposition and erosion after the regulation projects

工程实施后，与天然情况相比，工程对河道总体影响不大.从各年末的航道条件来看，航道变化主要表现为世业洲右汊进口段航道条件逐渐好转，进口段航宽增大，10 a末12.5 m航道最小宽度为514 m，能够满足设计要求.

5 结语

(1)长江仪征水道目前基本能满足12.5 m航道水深的要求，但近年世业洲左汊分流比持续增加，右汊主航道缓慢萎缩，进口“冲滩淤槽”，航道条件有向不利方向发展的趋势.

(2)目前地形条件下，随着流量的增加，分流点逐渐下移、左摆，水流动力轴线的变化促使洪水期主流动力轴线偏向左汊，左汊得以冲刷发展.左汊冲刷发展后，又进一步吸引分流点下移、左偏，造成左汊分流比近年来不断增加.

(3)关键整治部位单项工程效果表明:对左汊分流比限制效果从大到小分别为世业洲头鱼骨坝工程、左汊潜坝工程、左汊进口护底工程和左汊进口深槽填槽工程.

(4)深水航道整治推荐方案数学模型计算表明，整治工程实施后，世业洲头上游河道水位上升，世业洲左汊水位下降，世业洲右汊水位上升，河道水位变幅为－0.003～0.011 m;世业洲右汊分流比增加幅度为1.09% ～1.30%;右汊进口航槽内流速变幅为0.01～0.03 m/s;工程实施有利于维护右汊主航道地位.

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