韩国京仁阿拉航道泥沙技术咨询

董耀华，徐海涛，周银军

（水利部长江水利委员会长江科学院，430010，武汉）

应韩国水资源公社（K-Water）邀请与资助，依据《长江水利委员会与韩国水资源公社水资源和流域管理技术合作备忘录》，水利部长江水利委员会派遣泥沙技术人员，赴韩国执行“韩国人工渠道工程技术咨询”任务，为韩国京仁阿拉航道 （Korea Gyeong-in Ara Waterway）提供泥沙技术咨询。

一、航道泥沙基本情况

1.韩国京仁阿拉航道

韩国京仁阿拉航道东起汉江、西达西海，总长为18 km（含堀浦川分洪道14.2 km）。航道建设的主要目的是：①改善堀浦川流域防洪减灾能力；②形成韩国内河通海物流通道；③带动旅游文化休闲，促进区域经济发展。该航道工程由韩国水资源公社主持修建，已于2009年1月开工。

京仁阿拉航道汉江侧金浦港口建一座人字形闸门与汉江相通，西海侧仁川港口建两座滑动闸门和一座防洪闸与西海连通；堀浦川与航道之间建有一座控制堰闸，非汛期堀浦川经地下涵洞汇入汉江，汛期大流量时由航道泄洪至西海。

航道设计宽度80 m、水深6.3 m（超挖1.6 m），建成后可供4 000 t级船舶通行；设计代表船舶尺寸为135 m（长）×16 m（宽）×4.5 m（深），平均载160标准箱，最大载250标准箱。

2.航道泥沙基本情况

京仁阿拉航道水体中的泥沙主要来源于西海、汉江和堀浦川。其中，西海近海水域悬移质平均含沙量为209.7 mg/L，泥沙中值粒径为 0.01～0.05 mm，盐度为29.6psu；汉江近期平均含沙量为26.1 mg/L（历史为35.6 mg/L）， 泥沙中值粒径为 0.03～0.04mm，盐度为0.12psu；堀浦川缺乏系列水文泥沙数据，根据韩方最新实测资料，当流量 10～100 m3/s时，其含沙量为 120～325 mg/L，泥沙中值粒径为0.01～0.03 mm；堀浦川分洪道内泥沙中值粒径为0.02～0.04 mm，泥沙成分主要为淤泥质，含粉沙和黏土，盐度为0。

3.韩方泥沙咨询要求

韩国水资源公社邀请长委进行泥沙技术咨询的主要目的是：①了解中国泥沙调控技术；②复核京仁阿拉航道泥沙治理。具体的泥沙技术咨询内容包括三个方面：①闸室、口门及航道泥沙淤积预测；②航道泥沙疏浚；③河流泥沙综合治理建议。

二、航道泥沙技术咨询

1.航道泥沙淤积原因

航道泥沙淤积可分为通航航道整体泥沙淤积和渠首、船闸及引航道等局部泥沙淤积，水流流速减缓、挟沙能力降低是造成通航航道整体泥沙淤积的主要原因，而造成渠首、船闸及引航道等局部泥沙淤积的原因则十分复杂，可以归纳为以下5个方面。

（1）回流淤积

主流与回流交界面因主流水位涨落等因素的影响而不稳定，交界面两侧因主流与回流的含沙量不同而形成横向含沙量梯度，水流挟带的泥沙通过水流的紊动扩散作用，由主流区进入回流区不断落淤，形成引航道口门的淤积体（与岸线斜交的边滩）。回流范围愈大，淤积范围愈大，淤积量愈多；水流含沙量愈大，淤积愈快，愈严重。除口门区外，在引航道内和上下闸首外，凡是有形成回流边界条件的部位都将出现回流淤积。

回流淤积是对通航影响最大、最主要、最普遍、又难以避免的淤积。即使在引航道内设有冲沙闸，其冲沙效果也小；特别是由局部边界条件形成的回流淤积，其冲沙效果更小，主要靠机械清淤。因此，缩小回流范围，减小回流淤积，是船闸泥沙防治的主要环节。

（2）异重流淤积

异重流系从引航道口门回流区向引航道内静水区纵深沿底层潜入的浑水水流，是由于口门回流区浑水与引航道内静水区清水存在密度差异而形成的。浑水潜入引航道落淤后顶层清水向引航道外流出，构成一种平轴环流，维持引航道内的水量平衡。

由于异重流淤积分布在规则边界引航道底层，当引航道内设有冲沙闸时，其冲沙效果很好；如果航道内没有冲沙闸，异重流淤积对通航的影响甚大，机械清淤量很大。

（3）船闸灌水产生的淤积

船舶通过船闸需要灌泄水，引航道内含沙量很小的水体灌入闸室，河流中含沙量较大的浑水补充流入引航道内，灌水间隔期流入引航道的浑水由动水转为相对静水，浑水中部分悬移质泥沙随即落淤，颗粒更细部分泥沙随船闸灌水闸室落淤，引航道犹如第一沉沙池，闸室成为第二沉沙池。随着灌水次数增多，引航道和闸室淤积累积增加。

即使含沙量很小河流上的船闸，这种淤积也难以避免，只是淤积速度减缓；对于含沙量较大河流运用频繁的船闸，其淤积量不能忽视，应充分考虑清淤措施。

（4）泄洪冲沙产生的淤积

如果引航道内船闸旁设有冲沙闸，当河道洪水流量高于最高通航流量时，需要利用冲沙闸分泄洪水，此时容易在引航道回流和缓流区产生淤积；大洪水时，引航道下游水位较高而下泄洪水流速较小，含沙量较高，下泄高含沙浑水迅速落淤且淤积速度快。冲沙闸泄洪淤积对通航影响很大，应尽量不用或少用引航道泄洪。

冲沙能有效地冲刷引航道淤沙，是有效、经济的清淤措施，但也会在引航道内回流和缓流区产生局部碍航淤积，特别是当冲沙浑水浓度很大时，这些部位的泥沙淤积速度很快，是一种次生淤积（派生淤积），是引航道内淤沙的再次搬移。只要引航道内存在产生回流和缓流的边界条件，这种淤积就难以避免，而且要靠机械清淤。但这种次生淤积与冲沙量相比是很小的。

（5）洪水倒灌产生的淤积

当船闸位于两河交汇口时，船闸下游引航道往往受洪水倒灌影响。倒灌洪水在引航道流速减缓，形成往复流，高含沙浑水在引航道内不断落淤，这种淤积呈累积性增加。

2.减少航道淤积的措施

（1）选好坝线

首先应充分考虑通航条件对坝线的要求，根据引航道的尺度和流速、流态，分析水流泥沙规律及建坝后的可能变化，对可能的坝线进行全面比选。应遵循以下原则：

①宜将坝线选在适合船闸布置的较顺直稳定优良河段，通航水流条件好，淤积少；

②切忌将坝线选在弯道不稳定河段；

③对于交汇河口或支流河口，闸坝应远离交汇河口，减少因洪水倒灌等原因产生的淤积。

（2）做好船闸布置

应全面分析坝区河段水流泥沙特征、河床演变规律以及建坝后坝上下游河势可能发生的变化，选择好船闸位置，处理好枢纽各建筑物相互关系。

①船闸宜布置在顺直稳定河段，引航道口门应尽量靠近主流，使得引航道与原天然航道平顺地连接，枯水河槽与航线一致，减小主流与引航道口门中心线交角，压缩出现回流的范围，避免口门区横向流速和水流条件恶化。

②避免将船闸引航道口门布置在建坝后新淤积区。

③不允许枢纽其他过流建筑物泄水时增加引航道的口门淤积，船闸与其他泄水建筑物之间布置足够长的导航、隔流分水、防淤堤（墙），以缩小引航道口门回流，减小回流淤积，隔流分水。防淤堤顶应高于洪水位，避免高含沙浑水漫顶溢入引航道造成引航道淤积。

④紧靠船闸引航道一侧布置闸槛与天然河床相平的深孔泄水闸，深孔泄水闸泄量要能促使主流靠近引航道，以利于刷深引航道口门外河床，减少淤积。

⑤处理好水流条件与泥沙淤积之间的矛盾，船舶航行要求流速小甚至静水，而泥沙不淤需有较大的流速。在许多情况下往往是水流条件良好，泥沙淤积增多，或者相反。

⑥船闸引航道应尽可能顺直地布置，引航道内部轮廓应尽量避免产生回流。

⑦副导航墙长度与布置应避免造成上下闸首外淤积，并起到防淤、减淤作用。

⑧对于裁弯取直引水式枢纽船闸，由于引水可能导致原河道发生淤积，因此，船闸不宜布置在原河道上而应布置在引水渠道内或另辟渠道。

（3）航道防沙技术

①弯道防沙：合理利用弯道和分汊河道，因势利导，减少泥沙淤积。如广西灵渠，2000多年运行依旧。

②拦沙坎和沉沙池：人工渠道一般均在进口设拦沙坎和沉沙池。如南水北调引江（长江）济汉（汉江）工程。

③静水通航，动水冲沙：可防止泥沙过多进入引航道，尽量利用水力冲沙。如长江葛洲坝船闸及引航道。

④固滩护岸：固滩与护岸结合，一方面防止岸坡冲刷、崩塌带入泥沙，另一方面可以束窄河道，加大水流挟沙力。如长江口深水航道整治工程。

（4）航道冲沙技术

①引航道船闸旁建有冲沙闸。当引航道内和口门淤积接近碍航高程时，及时进行定期或不定期冲沙。每次冲沙历时一般1天左右，10～12小时效果最好。冲沙时要采取措施防止和减少由于冲沙带来的个别部位淤积（如下闸门外局部淤积，这种淤积影响闸门启闭，需要停航清淤）；此外冲沙流速应依淤沙粒径而定（如葛洲坝三江航道冲沙流速为3.5 m/s左右，四女寺船闸引航道冲沙流速约为

2.5～3.0m/s）。

②船闸冲沙采用闸室或输水廊道放水冲沙。因引进流量小，冲沙效果不明显，能冲出的引航道宽度受到限制，且开闸门放水冲沙需要有上下游水位齐平条件，或者需要采取修围堰等措施，工程复杂，闸门安全运用问题也较多，因此要慎重采用。

③临近船闸设有泄水闸。可以经常开泄水闸敞泄冲沙，以减少上游引航道口门外的淤积，降低引航道口门外的河底高程。

④进口设置闸门或其他挡水建筑物。一般可利用水头差和拦沙工程作用（拦沙坎+沉沙池），制造出含沙量非饱和的洪峰，进行冲沙。水沙调度类似于黄河调水调沙，实际应用时需进行流量设计和下游航道 （河道）人工扰动。

⑤冲沙时机。洪水期航道冲沙一般选择汛后退水期，利用含沙量较低的特点，降低水位，加大水流挟沙力；对于上游建库情况下，可应用汛期冲沙。

（5）航道疏浚技术

机械清淤是不可缺少的辅助清淤措施，即使有冲沙设施的船闸，冲沙后引航道口门边滩仍会有相当数量的碍航淤积，需采用机械清淤（如葛洲坝三江航道每年冲沙后需要进行挖泥）。在没有冲沙闸条件下，主要靠机械清淤。

①挖槽设计：挖槽与主流线尽量一致，挖槽后水流流速不能减小。

②挖泥船：分水力式和机械式，根据泥沙特性和施工条件选取。

③抛泥区：选择要求是不碍航，可利用，满足施工要求。

④环境影响：源自泥沙吸附的疏浚污染可采取工程措施进行控制，避免噪声、异味扩散，优化施工时间和地点。

⑤爆破：固结沉积区可选择必要的水下爆破。

3.泥沙原型观测方法

河流与航道等泥沙观测方法可分为四类专题观测。

（1）基本观测

包括河道（航道）地形观测，固定断面测量，水文泥沙资料收集，河道边界条件调查等。

（2）重点河段河床演变观测

包括河段水道地形观测，固定断面测量，代表性断面的泥沙因子观测，水位比降观测和水面流向测验等。

（3）专题研究观测

包括水流结构对河床演变的影响——弯道环流结构，分汊河段水流动力轴线变化对河床演变的影响等；泥沙运动规律的观测研究——泥沙起动、输移、水流挟沙能力、不平衡输沙、沙波运动规律的观测等。

（4）工程泥沙测验

对已建水工建筑物附近河床冲淤进行观测，可分为护岸、桥渡、港埠、取水建筑物、坝下局部冲刷、沉沙池泥沙沉积、渠道冲淤、引洪放淤、水力冲沙等多种；观测内容和方法参考重点河段观测，但应根据实际需要作具体布置。

4.流域泥沙疏导措施

流域泥沙的疏导与治理一方面应有利于减少流域泥沙的侵蚀与灾害，另一方面应有利于减少河道（航道）的泥沙来源。在小流域侵蚀产沙疏导与控制方面，总结归纳了以下两类措施：

①流域水土保持措施，如植被保护，减少可致覆盖层松动的人类活动，以及滑坡体加固等。

②河道拦沙防沙措施，可在大型冲沟处设立排导槽结合拦挡坝，以阻止突发性泥沙灾害所产生的大颗粒泥沙进入河流；在产沙量较大地带修建淤地坝，阻止泥沙无序输运等。

5.三峡工程泥沙研究

作为中国枢纽工程泥沙治理技术、研究与实践的成功范例，三峡工程泥沙问题研究具有借鉴意义。三峡工程泥沙研究经历了可行性研究、设计、试验蓄水运用等阶段。

①可行性研究阶段。长委及有关单位系统地开展了原型观测调查、泥沙数学模型计算和泥沙实体模型试验研究，认为三峡工程泥沙问题已基本清楚，是可以解决的。

②设计阶段。长委及有关单位配合工程设计对解决三峡工程泥沙问题的工程措施进行了深入研究，特别是有关枢纽通航建筑物布置与防淤清淤方案，水库变动回水区航道与港口整治方案，以及坝下游河道演变与治理等问题，提出的研究成果为工程设计提供了可靠依据。

③试验蓄水运用阶段。继续开展了系统原型观测、泥沙数学模型计算和泥沙实体模型试验研究，通过三峡工程初期蓄水运用原型观测资料分析，与已往研究成果作了初步对比，水库淤积和坝下游冲刷实测值总体上尚在预测值范围内，枢纽建筑物运行正常。

④下阶段应继续加强原型观测和各项研究工作，深入研究近期三峡水库来水来沙变化，水库淤积及坝下游冲刷变化，研究三峡水库与上游新建水库联合调度运用后的三峡工程泥沙问题。

三、航道泥沙技术建议

经过泥沙技术咨询与交流，对于京仁阿拉航道关键泥沙问题有了深入认识，建议韩国水资源公社重视航道泥沙问题，加强流域、河道（航道）、海域水文泥沙基础资料观测与收集，寻求航道泥沙工程与非工程措施研究，开展航道泥沙问题研究工作。

1.航道关键泥沙问题

韩国京仁阿拉航道泥沙治理过程的关键问题是：

①流域（西海、汉江、堀浦川）产沙输沙估算与观测，②航道输沙能力复核与泥沙监测，③渠首防沙工程与非工程措施，④航道泥沙疏浚与回淤评估。

2.航道泥沙观测建议

（1）河流、西海泥沙观测

进一步收集汉江、堀浦川、西海水沙实测资料，在有条件和必要时布设水位、水文、泥沙观测站，为控制和估算航道泥沙淤积量提供依据。

（2）航道泥沙观测

航道内设置水位、水文站和固定断面，开始观测和积累水位、水文、泥沙等资料，为监测航道水沙变化提供依据。

3.航道泥沙治理建议

（1）汉江渠首防沙减沙措施

金浦渠首预留冲沙闸，船闸汉江侧引水口设置防沙坎、导沙坎、沉沙池，金浦港设置隔流防波导沙措施。

（2）西海出海航道疏浚与维护措施

优化西海出海航道设计开挖方案，计算及校核出海航道回淤率，拟定出海航道疏浚与维护方案。

（3）航道优化运行

研究与优化航道充放水方案，减少航道向汉江放水时间与次数，保护汉江水质。

4.航道泥沙研究建议

（1）航道水力学泥沙复核与优化研究

研究内容包括：①复核航道泥沙年来水来沙量；②复核航道输沙能力；③优化渠道水力学参数与设计；④优化渠道泥沙参数与设计；⑤渠道防沙、拦沙、沉沙等措施专项设计。

（2）汉江渠首防沙模型试验

选取渠首附近的汉江及运河航道段，开展泥沙实体模型试验，开展设计方案的泥沙运动规律研究，必要时提出设计优化方案，如闸首布置优化，增设防沙、减沙建筑物等。研究推荐设计方案条件下航道运用的泥沙运动规律及防沙减沙试验研究，提出淤积泥沙的处理措施。

（3）西海渠首防沙与出海航道模型试验

选取河口附近的运河河道及开边界的部分海域，开展河工实体模型试验研究，开展设计方案的泥沙运动规律研究，必要时提出设计优化方案，如节制闸布置优化，增设防沙、减沙建筑物等，并研究推荐设计方案条件下的运用期泥沙运动规律及防沙减沙试验研究，提出淤积泥沙的处理措施。

（4）船闸输水系统优化水力学试验

试验的目的是通过物理模型试验研究，对上下闸首输水系统阀门运行方式和进出水口型式进行优化，以消除进水口的立轴吸气漩涡，并了解消涡优化推荐方案，最大工作水头和常遇水头条件下船闸充泄水、引航道和闸室水流流态，船舶停泊条件、闸室充泄水水力特征值以及输水阀门的工作条件等。

试验内容包括：常遇水头条件下船闸充泄水试验，上下闸首输水系统进水口消涡设施优化试验，上下闸首输水系统进出水口体型优化试验。

[1]长江科学院.韩国“京仁阿拉航道”技术咨询报告[R].2010.

[2]中国水利学会泥沙专业委员会.泥沙手册[M].北京：中国环境科学出版社，1989.

[3]张瑞瑾,谢鉴衡,陈文彪.河流动力学[M].武汉：武汉大学出版社，2007.

[4]三峡工程泥沙专家组.长江三峡工程围堰蓄水期（2003—2006年）水文泥沙观测简要成果[M].北京：中国水利水电出版社，2007.

[5]长江科学院.汉江兴隆水利枢纽船闸输水系统进出口优化试验报告[R].2010.