采沙对长江德感坝河段影响研究

沈 灵，凌 霄，陈 言

(1.重庆交通大学 河海学院，重庆 400074，2.重庆市合川航道管理段，重庆 401520)

河段内的采沙行为与该河段的河床演变、河势稳定相互影响。总所周知，采沙将引起河段内流速大小、方向的改变，使其流场重新分布，导致河段内流场重塑主流带偏移、水流结构发生变化，水沙条件进行重新调整，迫使河床结构进行演变以适应新的水沙平衡，从而影响到整个河段内河势的稳定[1]。

一般来说，大江大河沿岸水行政主管部门对涉河建筑以及涉河行为管理都十分严格，由于长江上游具有山区河流特性，河床组成以坚固的基岩为主，河势不易改变，较为稳定，采沙行为对采砂河段的河床演变以及防洪安全影响不大[2]，正因如此，长江上游多处河段从未实行禁采，由此引发的无序和过量的开采对航槽区域以及航道条件造成了巨大的破坏。例如长江上游的兰叙河段，近年来由于滥采的影响，该河段内枯水期水流分散，对河床的冲刷减弱，导致主航槽发生偏移，航槽宽度锐减，航槽内最浅水深由2002年的4.05 m下降到2008年的2.00 m，极大的影响了通航能力和通航安全。

由此可见，违规无序开采河沙，将影响河势稳定，恶化通航条件，加大防洪隐患，危及采沙区域沿江两岸人民的经济和生命安全[3]。因此，在全国范围内，各级政府以及当地水行政主管部门按照国家相关法律法规，严格控制采沙作业准入制度、规范监管采沙作业势在必行。利用物理概化模型，为研究采沙作业对当地河段的影响以及采沙的可行性提供了科学的依据。同时应结合试验成果，科学、合理、持续的开采利用河沙资源。

1 山区河流河床演变一般规律

从总的发展趋势来看，平原河流位于地壳沉陷地区，河床演变以堆积抬高为主，变形速度快变形幅度大，河床边界受地质构造、岩性组成的影响较小，河心滩发育比较成熟，而位于地壳抬升地区的山区河流正好与之相反，其河床演变主要以侵蚀下切为主，受河床和边壁岩性结构影响，变形速度慢变形幅度小，河床边界易受其构造影响，容易出现峡谷、冲积扇、卵石浅滩等特殊地形。

由于不同河段地质构造、河床边界、上游来水来沙情况以及原河床地形等条件差异较大，在研究其采沙影响时，必须结合具体河段的具体情况进行研究。而山区河流的基岩一般都覆盖有粒径较大的卵砾石，其河床的演变就具体体现在这些卵砾石覆盖层的冲刷、淤积、输移的变化过程和结果，因此在研究山区河流河段的河床演变，就是研究其卵砾石覆盖层的分布、输移变化[4]。

1.1 山区河流卵砾石运动

根据长江上游山区河段的卵砾石输移实测资料，通过分析发现卵砾石运动在时间、空间上都具有明显的不连续性。卵砾石输移的根本动力来自水流对河床的剪应力，这具体体现在上游来水来沙条件的变化以及河床比降等因素。

卵砾石运动在时间上的不连续性主要受上游来水条件影响，汛期上游来水量增大，水流挟沙力增强，卵砾石输移强度较大；非汛期各河段来水量较小，卵砾石输移强度较小。

卵砾石运动在空间上的不连续性主要受河床比降及部分河段回水条件影响。在上游来水来沙量大致相同的情况下，河床比降越大，卵砾石输移强度越大，此外，在三峡库区常年回水区和变动回水区，库区水流回流会改变整个河段水流结构，重塑流场分布，抵消一部分水流挟沙力，减小卵砾石的输移强度。

1.2 山区河流河床演变基本规律

长江上游河段为我国典型的大型山区河流，河床、河岸组成主要是坚硬的基岩[5]，河型较为稳定。各河段河床比降较大，水流急，悬移质不易落淤，河床的变形主要为卵砾石推移质的分布、输移变化。整个山区河流年际间基本保持冲淤平衡，受上游来水来沙量影响，年内有冲有淤，冲淤变化复杂，冲淤变化过程可分为消落期前的微淤，消落期冲刷、汛期充水淤积以及汛末、汛后的冲刷4个阶段，周而往复。总的来看，受两岸基岩束缚以及其河床岩性构成，河型河势比较稳定，基本不会出现变化。因此，分析采沙对山区河流河床演变的影响应主要针对河道的主航槽、边滩以及岸坡[6]。

2 徳感河段概况

徳感坝河段位于重庆江津境内，上起江津白杨滩，下至鲤鱼石，总长约9 km，其上下游都连接着连续急弯，整个平面形态呈弧度较大的“S”形。受上游来水来沙情况以及该河道特有地形的影响，徳感坝河段弯道处，中表层水流冲击淘刷凹岸，底层的水流则向凸岸汇聚，水流作螺旋流动。河段附近涉河工程较多，较为重要的有江津长江大桥(航道里程735 km)、几江滨江路以及过江缆道。对该河段多年实测资料进行分析，发现该河段河势较为稳定，深泓线年际变化最大值不到5.5 m(图1)。

3 概化模型设计布置

3.1 概化模型试验范围

江津流域的采沙区域都集中在几个地方，其中徳感坝河段采沙数量最大[7]。目前，该河段共有3个采沙坑，都分布在左侧航槽的左边界。3个采沙坑基本首尾相接，连成一片(图2)。1 # 采沙坑头部距江津长江大桥970.62 m，平均厚度6.5 m，面积39 500 m2，采沙量约为32.5万m3。2 # 采沙坑头部距江津长江大桥1 379.1 m，平均厚度6.9 m，面积62 000 m2，采沙量为46.3万m3。3 # 采沙坑头部距江津长江大桥1 850 m，平均厚度6.6 m，面积45 300 m2，采沙量为26.1万m3。

图2 概化模型试验范围Fig.2 Test range of generalized model

3.2 概化模型试验布置

为观察采沙坑的冲刷状况，结合实际的徳感坝采沙坑地形，采用35%中值粒径为0.5～1 mm、65%中值粒径为1～3 mm的混合沙来铺设采沙坑进口段，其长9.7 m，宽1 m，厚0.065 m。采沙坑的底部和出口用中值粒径为3 mm的卵砾石铺设〔图3(b)〕，采沙坑之间的沙梗用可冲混合沙布置，边坡设置为1∶1.5〔图3(b)〕。

图3 采沙坑及采沙梗布置示意Fig.3 The arrangement diagram of sand mining pit and sand mining terrier

根据长江德感坝采沙河段实际流量状况以及实际流量过程，采沙坑试验方案选取4级洪水流量 (Q=13 600，20 400，37 500，46 000 m3/s)进行采沙坑模型概化试验放水，见表1。

表1 概化试验参数Table 1 Generalized test parameters

4 试验结果分析

4.1 采沙对德感坝河段河床演变影响分析

徳感坝河段现在共挖有3个采沙坑，大范围的采沙必将引起采沙河段水流结构及流场变化，从而影响河床床面受力，改变其地形分布。为分析采沙对徳感坝河段影响程度，选取了德感坝上游控制断面、德感坝主槽、下游各段典型断面，比较采沙前后，德感坝段流场变化以及河床演变趋势(表2)。

表2 采沙后典型断面流速变化Table 2 Velocity variation of typical section after sand mining /%

由于德感坝河段的左岸处于缓流区，且采沙坑的位置处于回流区，所以采沙后，左岸水深加大，流速减小，但变化幅度不大。德感坝河段的主流区靠近右岸，受左岸挖深水深增大流速减小的影响，整个断面水流分布向左岸汇聚，因此右岸流速与主流区流速变化趋势一致，都有小幅增加。根据该河段实际地质资料，左、右岸河床主要为大粒径的卵石滩，河床形态较为稳定，采沙后对该河段的河床变化影响甚微[8-9]。

4.2 采沙对德感坝河段通航条件影响分析

采沙后形成的采沙坑使该河段的河床高程有所降低，过水面积小幅下降，航槽内的水深减小，流速有增大趋势。整个河段航槽内水深、流速的平均变化如表3。

表3 采沙后德感坝河段航槽内水深、流速平均变化值Table 3 Water depth, velocity average change value of channel in Degan dam reach rafter sand mining

从表3可见，由于采沙坑位置靠近左岸，离靠近右岸的航槽距离较远，因此采沙对整个航槽的水深、流速影响都较小，并不会影响正常通航。

4.3 采沙坑的变化

根据德感坝河段的2010年实际流量情况，按照表1的概化流量和时间模拟该年整年的流量过程。试验结果表明，在Q=13 600 m3/s时，基本没有泥沙冲刷至采沙坑内，采沙坑进口前段的表层泥沙基本没有起动，在Q=20 400，37 500，46 000 m3/s时，采沙坑上游仅有边缘部分有少量泥沙运动到采沙坑内，而上游原地形较为稳定，并没有出现大的变化。

为了观测长时间的冲刷对采沙坑及附近的淤积变化，连续进行了4次流量过程，其冲刷地形变化见表4。

表4 各次流量过程的冲刷地形变化Table 4 Scour terrain change of each flow process

连续放水1次时，冲刷坑头部高程减小值为1.8 cm，溯源冲刷距离为25 cm，原地形比较基本没有发生变化；连续放水4次以后，采沙坑内最大冲填距离为15.5 cm，溯源冲刷距离为75 cm，最大冲刷厚度1.4 cm，相当于原型的1.4 m。其余的2个采沙坑与1 # 采沙坑变化情况基本一致，原地形保存得较为完好，只有很少一部分细颗粒泥沙冲填至采沙坑内，没有引起严重的溯源冲刷(图4)。

图4 采沙坑连续冲刷后地形变化示意Fig.4 Terrain change diagram of the sand mining

5 结 语

通过物理概化模型试验，分析了采沙对长江德感坝造成的影响。研究表明：引起溯源冲刷、河势变化和河床演变的影响都较小，对航槽的通航能力影响甚微。可认为，采沙坑很难造成溯源冲刷，对其附近的涉河工程影响甚微，可在此处设立采沙点进行采沙作业。

采沙坑的发展是水流与其边界相互作用形成的结果，其变化趋势与采沙坑的形状、深度、处于采沙河段的位置，上游来流量、原河床地形及河床构造等诸多因素有关，值得进一步研究。

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