长江中游戴家洲河段提高航道标准治理工程模型试验研究

(长江科学院 河流研究所，湖北 武汉 430010)

长江中游戴家洲河段提高航道标准治理工程模型试验研究

张慧李会云朱勇辉

(长江科学院河流研究所，湖北武汉430010)

为挖掘长江航运潜能，提高长江中游航道通过能力，依托黄金水道推动长江经济带发展提供科学依据，通过河演分析和河工模型试验，重点研究了提高航道标准治理工程实施后戴家洲河段的河床冲淤、洲滩稳定性、汊道分流比等变化规律，在此基础上分析治理工程实施对戴家洲河段河势、防洪、岸坡稳定以及航道等的影响。研究表明，实施治理工程能实现戴家洲河段直水道6.0m航道的通畅，对防洪和岸坡稳定影响不大；但戴家洲右汊分流比增大，对河势有一定影响。其研究成果可供治理工程论证与设计参考。

航道治理；河工模型；河势；防洪； 长江中游

1 研究背景

戴家洲河段位于长江中游湖北境内，为长江中下游重点治理河段，也是长江中游重点浅水道之一。该河段先后实施了一期工程、戴家洲右缘下段守护工程及二期工程，工程实施后基本实现了该河段“十二五”规划目标，河段航道尺度基本达到4.5 m×200 m×1 050 m ，保证率为98%，目前戴家洲航道水深不满足6.0 m×200 m×1 050 m 的要求，成为武汉至安庆段提高至6.0 m的瓶颈河段之一。因此开展该河段提高航道标准治理工程的研究与建设具有十分重要的意义。

戴家洲河段，上起鄂州市，下止廻风矶间，全长约34 km，长江宜昌至安庆段提高航道标准治理工程规划在该河段加高，上延一期工程脊坝、新建刺坝和布置护滩、潜丁坝、护底带等工程[1](见图1)。

国内对于戴家洲河段航道整治工程研究起于2006年，且以河段演变规律及碍航特点为重点，提出4.5 m航深航道整治原则。在此基础上，开展了工程方案的研究，并分别提出了总体治理方案、一期工程治理方案及戴家洲右缘下段守护方案。期间，刘万利、李旺生等对戴家洲河段天然水流特性、崩岸特性及护岸措施进行了研究[2-3]。蔡大富分析了戴家洲河段河床演变及碍航特性，研究了戴家洲右缘护岸工程方案[4-5]。张慧、李会云等对鄂黄河段河道演变及治理对策进行了探讨，但研究仅限于保障4.5 m航深的航道安全，目前国内外对该河段提高航道标准治理工程的研究较少[6]。本文通过河演分析和河工模型试验，研究提高航道标准治理工程建设对戴家洲河段河势、防洪和航道等影响。

图1 戴家洲河段治理工程布置示意

2 戴家洲河段河床演变及趋势

2.1 历史演变

戴家洲河段地处大冶褶皱束的隆起带，受其构造控制的影响，历史上河道没有大幅度变迁。现今的戴家洲形成于清中叶后期，据清同治《长江图说》记载，在廻风矶以西的弹指夹上至浠水口间已有赵家洲、戴家洲、笔架洲和新淤洲存在。清光绪以后，赵家洲下移与戴家洲相连，笔架洲沦没，新淤洲靠岸成为边滩，该段河道基本上演变成目前的双汊弯曲河型。近百年来该河段河床平面形态变化不大，戴家洲基本上是稳定的[1]。

2.2 近期演变

戴家洲河段由于受节点的控制及护岸工程兴建的影响，河道岸线基本稳定，河床演变主要表现在河床冲淤、洲滩消长和汊道的兴衰交替变化。总体来说，历年来戴家洲洲头浅滩淤长，深泓分流点由龙王矶一带上提数公里至鄂黄长江大桥与池湖潜洲之间；分流后水流分别进入戴家洲左右汊道，左汊河床冲淤变化较小，深泓线一直贴岸而行，其离岸最近距离仅有30 m；右汊冲淤变化幅度较大，尤其是戴家洲右缘的冲淤频繁，导致深泓线摆幅较大，历年最大摆幅达800 m。目前戴家洲河段右汊为主汊，左汊为支汊。

戴家洲与新淤洲历年平面位置较为稳定，尤其是新淤洲历年冲淤变化甚小。戴家洲河段有寡妇矶、廻风矶两处深槽，由于两处边界控制条件较好，两深槽平面形态以及所处位置多年较为稳定[1]。

2.3 三峡水库蓄水后演变趋势预估

三峡水库建成后，由于水沙条件的改变，坝下游河道将发生长距离的沿程冲刷。但由于该河段受节点的控制及护岸工程的兴建，预计三峡水库蓄水运用后对该河段原有的河床边界条件、河道平面形态和河道演变规律不会产生较大影响，戴家洲河段将继续保持“微弯分汊”的河道格局[1]。

3 河工模型试验

3.1 模型设计

戴家洲定床模型试验范围上起黄州河段的鄂州，下迄黄石河段的涂家营，全长约40 km。动床模型模拟范围上起五丈港，下至李家大屋，全长约34 km。模型设计的相似条件主要包括几何相似、水流运动相似和泥沙运动相似，模型设计选取平面比尺αL=400，垂直比尺αH=100，模型变率η=4.0。

该模型主要模拟悬移质沙运动，通过比选，模型沙采用长江科学院研制的新型复合塑料沙，新型复合模型沙具有质轻、性能稳定、成形好、颗粒形态接近天然泥沙等优点，基本物理参数：重率γs=1.38 t/m3，干容重γ0=0.65 t/m3。依据长江防洪模型设计报告成果和长江防洪模型选沙成果，该模型沙能够满足泥沙模型相似的要求。

3.2 模型试验条件

(1) 试验边界条件。动床模型是在定床模型的基础上改制而成的，根据模型所在河段河岸边界条件及历年的冲淤变化情况，原则上将河床高程约20 m以上定为定床，但局部有护岸工程且深泓贴岸低于20 m高程仍可定为定床范围，其余均为动床河槽，以反映工程上下游河道的河势及冲淤变化特点。同时在该模型中根据工程河段已实施的河道和航道整治工程情况，模拟了戴家洲航道整治一期工程、长江中游戴家洲右缘下段守护工程及二期工程。

(2) 试验水沙条件。三峡工程已经建成运行，戴家洲河段的来水来沙条件与建库前相比已经发生了较大变化，该试验研究中充分考虑三峡水库蓄水运用后实际发生的来水来沙条件,并以此为基础确定试验系列年：2008，2009，2010，2011，2012，2008，2009，2010，2011年和2012年实际水沙系列。模型以2014年2月地形作为初始地形，分别进行有无工程情况下的对比试验，拟据此消除天然河道冲淤、重要涉水建筑物等影响，单因素考虑由于戴家洲河段航道整治工程实施后对工程河段河势、防洪、航运等影响。

图2 工程实施后系列年动床模型试验第十年末地形变化

3.3 试验成果

3.3.1 工程实施前动床模型试验成果分析

(1) 平面变化。工程实施前动床模型试验结果表明，模型放水至第十年末，戴家洲河段总体河势变化不大，主流线及深泓位置整体变动不大，但局部仍有所调整。巴河水道为顺直形态，主流线在居中略偏左小幅摆动，左汊圆水道保持微弯形态，主流线靠左岸小幅摆动；右汊直水道主流线从燕矶处逐渐靠向左岸，并贴左岸戴家洲右缘摆动。

(2) 河床冲淤变化。5 a末、10 a末戴家洲河段总体河势与初始地形基本一致，河段呈冲淤相间的变化特性，总体上以冲刷为主，淤积主要集中在巴河水道进入戴家洲直水道的过渡段浅区，以及直水道中下段的左槽主航槽内。5 a末，试验河段累计冲刷10 232万m3，其中巴河水道(五丈港至巴河)河段冲刷2 760万m3，戴家洲水道(巴河至李家大屋)河段冲刷7 472万m3。10 a末，试验河段累计冲刷16 626万m3，其中巴河水道河段冲刷4 484万m3，戴家洲水道河段冲刷12 142万m3。

3.3.2 工程实施后动床模型试验成果分析

(1) 平面变化。治理工程实施后动床模型试验结果表明，模型放水至第十年末，戴家洲河段总体河势相对稳定，主流线及深泓位置整体变动不大，但部分有一定调整。其中巴河水道主流线由居中偏左向居中摆动，戴家洲右汊直水道中下段主流线向右汊左槽较大幅度摆动，其他主流线及深泓位置变动较小。

模型运行至第十年末，与方案前相比，巴河水道15 m和10 m等高线变化不大，池湖心滩附近5 m等高线有继续向右岸偏移的趋势，槽身进一步拓宽；池湖心滩附近0 m等高线萎缩下移，其下移距离约450 m。巴河水道进入直水道过渡区6.0 m等深线贯通，最小宽度约为230 m；直水道中段的上浅区6.0 m等深线贯通，最小宽度约245 m ；出口处的下浅区6.0 m等深线贯通，最小宽度约为460 m，直水道6.0 m航道基本通畅[1],详见图2。

(2) 河床冲淤变化。5 a末，试验河段累计冲刷10 107万m3，其中巴河水道河段冲刷2 725万m3，戴家洲水道河段冲刷7 382万m3。10 a末，试验河段累计冲刷16 425万m3，其中巴河水道河段冲刷4 430万m3，戴家洲水道河段冲刷11 995万m3。5 a末、10 a末戴家洲河段河道总体上呈冲淤相间的变化特性，主要表现为戴家洲直水道进口浅区的冲刷，直水道右侧中下段潜坝工程附近右槽的淤积以及左槽的冲刷、戴家洲脊坝及两侧新建刺坝区域的淤积。

(3) 汊道分流比变化。戴家洲河段治理工程实施后对戴家洲左右汊分流比将可能会产生一定的影响。工程实施后，戴家洲右汊直水道枯水分流比略有增加，其中流量14 665 m3/s时，5 a末分流比由工程前的62.20%增加至63.30%，增加了约1.1%；10 a末，右汊分流比由工程前的61.50%增至64.40%，新增约2.9%。工程实施后，戴家洲右汊分流比增加的主要原因是在戴家洲脊坝及两侧新建刺坝、直水道右侧下游潜坝及护滩带等工程作用下，右汊直水道进口浅区、直水道中下段左槽等冲刷所致，这对改善直水道的航道条件是有利的，但对河势有一定影响。详见表1。

表1 工程前后戴家洲汊道左、右汊分流比变化 %

(4) 水位变化。动床试验成果表明，当武汉关流量为14 665 m3/s时，受戴家洲河段航道整治工程的影响，在枯水流量下戴家洲河段水位均出现不同程度的下降，其中在龙王矶附近水位下降最大，其水位下降约0.06 m。当武汉关流量为53 317 m3/s时，戴家洲河段水位有一定程度抬高，其中水位抬高幅度最大在寡妇矶处，其水位抬高约0.04 m。

(5) 流速变化。动床试验成果表明，受上游右岸龙王矶一带边滩布置4条潜丁坝挑流的影响，龙王矶断面靠近左岸流速以增加为主，而靠近右岸的流速有一定程度减小。其中在枯水流速(流量14 665 m3/s)下，靠近左岸流速最大增加了0.09 m/s，河道中间流速增加值最大，为0.15 m/s，而靠近右岸流速减小，最大值为0.13m/s；靠近左岸流向变化幅度较小，一般在1°～2°，而靠近右岸流向变化幅度也不大，一般为1°～3°，变幅最大的主要位于工程处。

4 结 论

(1) 戴家洲河段在天然节点控制和人工护岸的作用下，近几十年来，该河段河势基本稳定，洲滩变化较小。预计三峡水库建成运用对该河段河道演变规律不会产生大的影响，戴家洲河段将继续保持“微弯分汊”的河道格局。

(2) 治理工程未实施时，在系列年水沙作用下，河段呈冲淤相间的变化特性，总体上以冲刷为主，淤积主要集中在巴河水道进入戴家洲直水道的过渡段浅区，以及直水道中下段的左槽主航槽内，航道水深不能满足6.0 m航深要求。

(3) 治理工程实施后，在系列年水沙作用下，戴家洲河段河床仍以冲刷下切为主，较整治工程实施前，该河段冲刷幅度略有减少。受治理工程的影响，戴家洲河段河势发生一定的调整，在戴家洲脊坝及两侧新建刺坝、直水道右侧下游潜坝及护滩带等工程作用下，右汊直水道进口浅区、直水道中下段左槽等处受到冲刷，分流比增大。治理工程实施后对改善直水道的航道条件是有利的，但对河势有一定影响。

(4) 治理工程实施前、后试验成果表明，在洪水流量(53 317 m3/s)下，水位在戴家洲右汊中下段最大壅高为0.04 m，工程实施后对该河段的防洪影响不大。

(5) 提高航道标准治理工程实施后，戴家洲直水道进口航槽保持贯通，中下段航槽拓宽，在一定程度上改善了该处通航条件，基本能实现直水道6.0 m航道的通畅。

[1] 张慧，张文二.长江宜昌至安庆段提高航道标准治理工程实体模型试验报告[R].武汉：长江科学院,2015.

[2] 刘万利，李旺生，李一兵，等. 长江中游戴家洲河段崩岸特性及护岸措施研究 [J]．水道港口，2013，34(2)：133-138.

[3] 刘万利，李旺生，朱玉德，等. 长江中游戴家洲河段天然水流特性试验研究 [J]．水道港口，2009，30(2)：113-118.

[4] 蔡大富. 长江中游戴家洲河段戴家洲右缘护岸工程方案研究[J]．水道工程，2011(2)：95-99.

[5] 蔡大富. 长江中游戴家洲河段河床演变及碍航特性分析 [J]．泥沙研究，2011(2)：47-54.

[6] 张慧，李会云，朱勇辉.长江中游鄂黄河段河道演变及治理对策探讨[J]．长江科学院院报，2014，31(1)：66-70.

(编辑：唐湘茜)

2017-09-15

张 慧，女，长江科学院河流研究所，高级工程师，硕士.

1006-0081(2017)11-0025-04

U617

A