长江上游东溪口水道航道尺度提升可能性分析

陈 建

(长江重庆航运工程勘察设计院，重庆401147)

长江上游东溪口水道航道尺度提升可能性分析

陈 建

(长江重庆航运工程勘察设计院，重庆401147)

以重庆至宜宾河段较为典型的东溪口水道为例，利用实测资料分析东溪口水道河段提升等级中存在的问题，通过对长江东溪口水道进行航道潜能估算、初步整治方案的数学模型研究和建设外部条件分析，分析该水道提升等级的可能性。研究表明：东溪口水道稳定航深可达到4.39 m；加高并延长庙角碛碛尾坝，开通东溪口北槽为推荐整治方案，其最不利上滩水流指标为1.45‰*3.10 m/s；整治效果显示航道整治工程对环境、水源地以及涉河设施等方面影响不大，具备建设条件。

航道工程；长江上游；东溪口水道；航道尺度提升；航道整治

0 引 言

《国务院关于依托黄金水道推动长江经济带发展的指导意见》(国发〔2014〕39号)指出，充分发挥长江水运运能大、成本低、能耗少等优势，全面推进长江干线航道系统化治理。加快实施重大航道整治工程，充分利用航道自然水深条件和信息化技术，进一步提升干线航道通航能力。上游重点实施重庆至宜宾段航道整治工程。因此，有必要开展长江干线宜宾至重庆河段提升航道等级可行性研究，为上游航道建设规划及工程实施提供有力支撑。

通过前期相关研究论证和相关规划要求，宜宾至重庆河段长江先期航道尺度将由目前的Ⅲ级(2.7 m×50 m×560 m)提升至Ⅱ级单线(3.5 m×60 m×800 m)。

笔者对长江上游东溪口水道进行航道潜能估算，并对初步整治方案进行数值模拟，结合其外部建设条件，分析其提升航道尺度的可能性，以期为该河段航道等级的提升提供支持。

1 水道概况

东溪口水道起于鸡母石(上游航道里程806.0 km)，止于三抛河(上游航道里程816.0 km)，长10.0 km，如图1。目前，东溪口水道航道尺度为2.7 m×50 m×560 m(水深×航宽×弯曲半径，下同)，该水道弯、窄、浅、险，航道条件复杂。该水道主要滩险有东溪口和斗笠子。东溪口滩为卵石浅滩，有卵石淤成的长条形江心碛，将河床分为两槽，左槽顺直，但枯水期水浅，不通航；右槽狭窄弯曲，为枯水主航道。斗笠子是枯水急流滩，处在一呈“S”形反湾河段的中部，中部较顺直河段的长度约3 km，其上为急弯河段，中、洪水期水流受左岸阻扰转向右侧，加之顺直河段河面放宽，流速减缓，卵石在顺直段右侧落淤形成庙角碛碛坝。当水位降到设计水位上1 m左右时成滩，水位越枯，滩势越汹。两滩碍航特性复杂,已成为长江上游Ⅱ级航道建设的瓶颈。

图1 东溪口水道河势Fig.1 River regime diagram of Dongxikou water channel

2 碍航特性分析

表1给出了东溪口滩段代表断面附近设计航线流速、比降随流量变化情况，下面结合表1结果，简要分析东溪口滩的碍航特性。

表1 方案前设计航线滩段流速、比降组合

东溪口位于航道里程807.0～812.0 km，包括东溪口与斗笠子两滩，滩段枯水期最窄水面宽度约300 m，最宽为900 m。在东溪口滩河槽中部地形高程为当地水位上5 m左右，在斗笠子滩河心也有碛坝庙角碛，碛顶高程为当地水位上3.6 m左右，由于处于弯道，且河道宽窄相差较大，航道条件极为复杂。

东溪口的碍航特性主要表现在以下几个方面：

1)弯曲。受河势条件限制，航道最大弯曲半径仅有500 m，且在上游无缓流船舶调整区，原有航槽难以满足Ⅱ级航道弯曲半径需要。

2)水浅。通过航道核查，设计水位的枯水期存在两个浅区，东溪口浅区和斗笠子浅区，3.5 m等深线宽度也不足设计航宽100 m，未能满足设计航道尺度(3.5 m×100 m×800 m)要求。

3)流急。从表1可以看出，存在两个急流位置，东溪口和斗笠子。其中东溪口流急体现在流量(Q=8 520 m3/s)时，但按目前的航路，该时期主航槽已调整至北汊，北汊水流较缓，对船舶航行影响不大；斗笠子流急主要体现在流量为4 500 m3/s时，此时比降达到2.01 ‰，消滩指数达到0.82，超过急滩评价指标(0.8)[1-3]。

3 河段近期演变分析

3.1 洲滩变化

东溪口河段主要有两个碛坝，鸡心碛、秤杆碛；斗笠子主要是庙角碛。

2003年实测资料显示鸡心碛碛顶高程为197.6 m，2007年实测资料显示为197.7 m，2013年实测资料显示为197.3 m。碛顶高程总体变化不大，但受采砂影响，碛坝已经大面积缩小，2003年鸡心碛有5.92 万m3(当地水位0 m等深线面积)，2013年仅剩下0.1 万m3，并且碛坝局部被大幅挖深，最大挖深达7 m。可见，鸡心碛受河道采砂影响，已经基本消失。

从近几年实测资料分析，秤杆碛变化也较大。2013年实测资料与2003年实测资料比较，秤杆碛面积有所缩小, 2003年实测资料显示196 m等高线面积有46.95 万m3，2013年减小至41.32 万m3。秤杆碛横向宽度和纵向长度均有所减小，2003年实测资料显示秤杆碛横向最宽为550 m，纵向最长为1 403 m；至2013年，横向最宽减小至427 m，减小约123 m，纵向长度减小至1 338 m，减小约65 m。另外在秤杆碛原碛顶出现了较大的深坑，深坑深度为7 m左右。

庙角碛平面形态统计时，长度是庙角碛碛尾到碛首的最长距离，宽度是庙角碛碛翅的最大宽度，具体情况见表2。

表2 庙角碛平面形态变化

在枯水期，庙角碛长度在800～954 m，宽度在216～258 m。庙角碛面积最小是在1989年3月，为800 m×234 m，最大面积发生在2007年12月，为954 m×271 m。修建工程前，1978年庙角碛面积为820 m×250 m。说明庙角碛面积大小基本稳定(880 m×240 m)，其变化与1987年修建整治建筑物关系不大，而与当年来水来沙条件有关。2013年实测资料显示，在庙角碛有边界向左大幅移动，可能是由采砂引起。

从1978—2013年各次实测资料来看，庙角碛的最高点的高程变化区间为199.3～200.2 m，其位置在靠近碛尾处。统计的最高点高程的最小值为199.3 m，发生在1990年12月和2013年12月；最高点高程的最大值为200.2 m，发生在2003年4月。而1978年2月最高点高程为199.8 m；2007年3月最高点高程为199.5 m；2008年3月最高点高程为199.5 m；说明庙角碛最高点高程基本稳定。

随着时间的推移，庙角碛碛首向主槽和下游方向扩展。1978—1996年碛首向下游扩展200 m，扩展速度为11 m/a，1996—2003年碛首基本不再向下游扩展，说明碛首向下游扩展已趋于稳定。1978—2003年碛首向主槽方向扩展110 m，扩展速度为4.4 m/a。2003—2007年向上游扩展了70 m，向左移动了33 m。在2008年枯水期，向下游移动了30 m，碛坝左边线恢复至2003年，在副槽进口段庙角碛右边线向内移动了30 m。受河道采砂影响，2013年碛坝发生了较大改变，从2008年和2013年看出2013年较2008年碛位置稍向主槽方向发展，但幅度较小。碛尾部分修建碛尾坝后坝上游庙角碛有缩小的趋势，最大位置2013年较2008年向内移动约20 m。可见，庙角碛还未稳定，碛尾部分来回变化幅度较大，而且规律不明显，主要与当年的来水来沙条件有关。

3.2 主航槽变化

通过分析东溪口段3 m等深线近年来变化不大，宽度能维持在100 m以上。东溪口滩主要存在两个浅区，一个浅区位于东溪口处，另一个浅区位于横梁子附近。2003年和2007年实测资料显示东溪口浅区4 m等深线为贯通，浅区水深为3.6 m，2013年实测资料显示该浅区4 m等深线宽度为61 m，该浅区有所冲刷。2003年横梁子浅区4 m等深线宽度为80 m，2007年实测资料显示该处浅区水深为3.8 m，2013年实测资料显示该处水深为3.8 m,较2003年有所淤积。东溪口秤杆碛河段上浅区有所冲刷，下浅区有所淤积，但冲淤幅度均为1 m以下，冲淤变化不大。

斗笠子顺坝坝头上游的主槽范围内，2003年4月地形与1978年地形相比，有2～3 m的冲深，而与1990年以后的地形相比，地形变化不明显。说明1987年斗笠子滩修建整治工程后，顺坝坝头上游的主槽范围内在1987—1990年出现2～3 m的冲刷，但1990年以来基本保持稳定，庙角碛3 m等深线变化见表3。

表3 庙角碛水下3 m等深线宽度变化

3.3 副槽深泓线变化

东溪口副槽水深为1～2 m，东溪口副槽有冲深的迹象。从该河段水文观测来看(测量水位为当地水位1.3 m，流量为4 100 m3/s)，副槽流量分流比为41%，副槽进口段流速为2.3 m/s左右，中段流速为2.0 m/s左右，下段流速为1.8 m/s左右。

3.4 演变分析小结

通过以上分析，东溪口段冲淤变化主要体现在以下几个方面：鸡心碛受采砂影响，碛坝面积大幅减小；秤杆碛碛坝有冲有淤，以淤为主，平均淤积高度为1.5 m，但局部受采砂影响，出现了深坑；主航槽冲淤变化为1 m以内，变化不大；副槽受采砂影响，变深变宽，分流比有所增加。

东溪口段(含斗笠子)局部有所变化，主要为：秤杆碛、鸡心碛、庙角碛等洲滩变化较为明显；斗笠子滩口满足3 m水深的航宽有所缩窄；东溪口主航槽冲淤变化为1 m以内，变化不大，而副槽受采砂影响，变深变宽，分流比有所增加[4]。

4 航道潜能估算分析

“稳定航深估算法”首先假定采取一定的工程措施，滩险整治后的枯水断面形态与优良河段的断面形态相近。根据河流动力学原理，建立与整治河段类似、满足整治要求宽度的优良河段在某一特征流量下的河相关系。然后据此河相关系，采用水力学理论，推导出航道整治后可能达到最大稳定航道水深的计算公式(1)：

(1)

式中：Q为流量，m3/s；h为航道标准水深，m；H为断面平均水深，m；J为枯水平均水面比降；n为枯水河床糙率；α,β,为河相关系系数。

长江上游的叙渝河段处于丘陵地带，虽有大小滩险多处，但总体来说滩的密度并不大，各滩段间大都存在有水流条件较好，无需治理的优良河段。从叙渝段河势稳定、河床演变较小的特性着眼，选取了22个优良河段，其中包括7个顺直微弯河段，9个弯曲河段和6个弯道过渡段。用叙渝段河段22个优良河段79个优良断面对式(1)进行曲线拟合，相关性很好，式中α和β为待定常数。拟合结果详见图2、图3。

图2 叙渝段沿程优良河段的河相关系(P=98%)

图3 叙渝段沿程优良河段H与h的关系(P=98%，Ⅱ级B=60 m)

图2，图3中R2是相关系数，表示拟合曲线的估算值与实际数据之间的相关程度，该值越接近1，相关程度越高，拟合曲线的可靠性也就越高。通过估算东溪口水道在n=0.035，J=0.000 7时稳定航深h可达到4.39 m。

5 航道尺度提升二维数学模型分析

5.1 二维水流数学模型

采用沿水深平均的封闭浅水方程组描述二维水流运动，基本控制方程见式(2)～式(4):

水流连续方程为

(2)

x方向动量方程为

(3)

y方向动量方程为

(4)

式中：t为时间；u,v分别为沿x,y方向的流速；h为水深；η为床面高程；g是重力加速度；εxx,εxy,εyy为紊动黏性系数，取为αu*h(α=3～5,u*为摩阻流速)；n为糙率系数。

浅水方程的离散包括时间离散和空间离散，时间的离散采用差分法，空间的离散采用有限单元法：运用伽辽金加权余量法把浅水方程离散成非线性代数方程，然后采用Newton-Raphson方法求解[5]。

5.2 初步可能方案

5.2.1 治理思路

根据本滩碍航情况，要彻底解决斗笠子“急”的问题，宜采用上疏下抬的治理思路，以减小滩口流速、比降；要解决东溪口“险”“浅”的问题，宜开通左汊，同时布置整治建筑物控制河势, 增大左汊枯水流量, 以保持挖槽稳定[6]。

共布置了3个治理方案，见图4。

图4 东溪口(含斗笠子)整治方案平面布置Fig.4 Layout chart of Dongxikou regulation scheme

5.2.2 初步治理方案

通过比选(表4)，方案2最大横流流速为0.8 m/s，挖槽区最小流速仅0.5 m/s，易回淤，较其他方案差。方案1斗笠子滩口最大流速[7]比降组合为1.52‰*3.14 m/s，方案3为1.45‰*3.10 m/s，方案3比方案1优，推荐方案3。

表4 方案综合比选

6 外部建设条件分析

6.1 环境保护

根据《长江上游珍稀、特有鱼类国家级自然保护区总体规划》及国家环保总局环函[2005]162号《关于调整长江合江——雷波段珍稀鱼类国家级自然保护区有关问题的通知》，经调整后的保护区被划分为三大功能区，即核心区、缓冲区和实验区。东溪口水道位于缓冲区，碍航滩险整治主要以疏浚、炸礁和修筑丁坝、顺坝、潜坝为主。从时间角度分析，滩险整治对水环境的影响主要发生在施工期。疏浚、炸礁施工过程中，由于水下抓斗作业或水下爆破会造成局部的水体扰动，造成水体中悬浮增加，影响施工所在江段水体环境质量。修筑丁坝、顺坝、潜坝等整治建筑物，施工期对水环境的影响主要是施工船舶、施工人员废水排放对水质的污染影响，施工工艺和材料本身对水环境的影响很小。

本次东溪口水道整治，主要采取疏浚和筑坝的整治方式，疏浚宽度一般为30～50 m，疏浚深度一般为0.3 m，筑坝一般沿边滩，筑坝高度一般为2 m，长度为100～200 m，仅改变局部水流条件，且作用时间较短，航道工程对自然保护区的环境影响总体不大。需与相关部门加强沟通协调，并采取优化整治方案，尽量减小对环境的影响[8]。

6.2 水源保护

根据《四川省饮用水水源保护管理条例》和《饮用水水源保护区污染防治管理规定》，对于准水源保护区，禁止新建、扩建对水体污染严重的建设项目；改建建设项目，不得增加排污量。对于二级水源保护区，禁止新建、改建、扩建排放污染物的建设项目；已建成的排放污染物的建设项目，由县级以上地方人民政府责令拆除或者关闭。对于一级水源保护区，禁止新建、改建、扩建与供水设施和保护水源无关的建设项目；已建成的与供水设施和保护水源无关的建设项目，由县级以上地方人民政府责令拆除或者关闭。叙渝段按照Ⅱ级(单线、单船双线、单船+船队双线)航道工程建设，最高仅涉及二级水源保护区，且航道工程不排放污染物，满足相关规定，具备建设条件。东溪口水道附近取水口与整治滩段关系见表5。

表5 东溪口水道附近取水口与整治滩段关系

6.3 临河建筑物

东溪口水道附近目前暂无建设和已建的桥梁，在航道里程806.2 km处有一朱沱过江索道，此处的设计最低通航水位为194.94(黄海)，垂点距设计最低水位的高度36.42 m。东溪口水道附近码头统计见表6。

表6 东溪口水道附近河段码头统计

通过分析总结，此处的航道建设不受涉河设施的限制；航道建设对跨河建筑物、水下过江管道(线)、临河建筑物等涉河设施影响不大。

7 结 论

1)长江上游东溪口水道，东溪口和斗笠子滩险是上游典型的分汊枯水浅滩和枯水急流滩，尤其是斗笠子是叙渝段最著名的枯水急流滩之一。2005年～2007年实施了长江干线泸州纳溪至重庆娄溪沟航道建设工程，斗笠子滩整治方案为局部清炸河底，上部炸至设计最低通航水位下5 m，下段炸至设计最低通航水位下4 m，扩大枯水河床泄水断面面积，以减缓流速、比降；顺坝从坝根至坝头1/3处开始将坝向左旋转7°；在庙角碛碛尾筑岛尾坝，以壅高滩口水面，减缓水面比降，同时减小流速。从整治实施及效果来看，治理方案合理。达到了当时规划的Ⅲ级航道尺度的要求。

2)在进一步提升重庆至宜宾航道尺度的背景下，东溪口水道航道尺度有进一步挖掘的潜力。从河床演变分析和数学模型计算结果来看，该水道提升至二级单线航道尺度是可能的。

3)在外部协调上，存在的外协问题主要采取沟通协调，在相关主管部门提前介入的情况下，应该可较好地解决外协问题，并实现多方共赢。

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Potential Channel Dimensions Improvement of Dongxikou Channel in Yangtze River Upstream

CHEN Jian

(Changjiang Chongqing Harbour and Waterway Engineering Investigation and Design Institute, Chongqing 401147, P.R.China)

Taking typical Dongxikou channel in Chongqing-Yibin reach as an example, the problem of potential improvement of channel was analyzed through analyzing the field data of Dongxikou channel. The possibility of improving the class of Dongxikou channel was analyzed through the estimation of its channel potentiality, the study on the mathematical model of preliminary renovation project and the analysis of external construction conditions. The research shows that the stable depth of Dongxikou channel can reach 4.39 m; heightening and lengthening the moraine tail dam of Miaojiaoqi and opening the north branch of Dongxikou is recommended program; and the most negative flow index for upper reach is 1.45‰*3.10m/s. The regulation results show that the waterway regulation project has no significant impact on the environment, water sources, the related facilities and other aspects, which is feasible to be implemented.

waterway engineering; Yangtze River upstream; Dongxikou channel; channel dimensions improvement; channel regulation

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.03.14

2015-01-20；

2015-04-02

陈 建(1970—)，男，四川眉山人，高级工程师，主要从事航道工程方面的研究。E-mail: 470458948@qq.com。

U612.3

A

1674-0696(2016)03-061-05