芦家河水道枯水跌坎形成原因及航道治理效果分析*

索 文，刘林双，于海波，张美德

(长江航道局，湖北 武汉 430010)

河道碍航因素一般包括水深、航宽、弯曲半径、比降、流速、流态等[1-3]，不同类型河道碍航影响因素差异较大。芦家河水道位于长江中游山区—平原河流过渡地带，河道兼有山区河流坡陡、流急等问题[4-6]，也有平原河道水浅、航宽不足等问题[7-8]，导致其碍航原因较为复杂，是中游重点沙卵石浅滩碍航河段。三峡水库蓄水前，主航道在汛期退水时，一旦汛末退水速度过快，石泓水深已不足，而沙泓汛期大量淤积的泥沙又未冲开，航道就会出现紧张局面；另外，毛家花屋—姚港一带枯水比降大、流速急，给上行船舶航行带来很大困难[9]。蓄水后航道问题主要表现为沙泓进口的沙质浅区碍航问题、葛洲坝三江下引航道水深不足对下游水道的水位控制需求问题[10]、推移质落淤形成浅包碍航的问题以及持续存在的毛家花屋—姚港一带枯水跌坎问题。

对此，2014年开展的宜昌—昌门溪河段一期航道整治工程[11]，在芦家河进口实施了鱼嘴工程以及石泓护底工程，缓解了沙泓进口的淤沙问题，也对上游的枝城站水位控制起到了明显的作用。但由于三峡蓄水作用，下游水道的不均匀冲刷，导致枯水跌坎现象进一步加重。笔者探究枯水跌坎形成原因及碍航影响，并提出探索性的航道治理方案，取得较好的治理效果。

1 芦家河水道枯水跌坎特性

芦家河水道位于长江中游山区—平原河流过渡地带，水道上起陈二口、下至昌门溪，全长12 km，属微弯放宽型水道(图1)。河段河心有砾卵石碛坝，将芦家河水道分为沙、石两泓，沙泓为目前主航道所在。本水道岸坡结构主要是基岩质、土砾质和硬土质3种类型，岸线多年来总体稳定，河道格局未发生改变。年内主流洪、枯水期流向在沙、石泓之间左右摆动。沙泓中段毛家花屋—姚港一带枯水比降大、流速急，尤其是在枯水期，容易形成跌坎，是芦家河水道枯水航道瓶颈。

图1 芦家河水道河势

2 枯水跌坎形成原因

2.1 地貌成因

芦家河水道地貌总体格局是，由三峡山地向宜昌东部丘陵，再过渡到松滋口以东的江汉平原。枝城以上河道两岸为丘陵阶地，河岸大部分由白垩第三系砾岩或砂岩、第四系全新统黏土砾石层、晚更新统黏性土及全新统黏性土组成，抗冲能力较强，岸坡均较稳定。枝城以下主要是侵蚀低山丘陵、河流阶地和河漫滩，河段内洪枯水位之间的河床岸坡地质结构主要为硬土质、土石质和基岩质3种类型。其地质构造特征是，淞滋口以上河段处于江汉沉降区边缘宜都隆起地带，而淞滋口以下河段则地处江汉沉降区次一级凹陷的枝江凹陷区，淞滋河附近芦家河水道一道处于平原与丘陵交界带，是我国地质构造运动西部掀升，东部沉陷转折带上的中点部位，在地貌上由低山丘陵向平原的过渡区。复杂的地貌特性使得芦家河水道不同区域河床地质特性、河道高程形态均有所不同，河床沿程连续性减弱，为河道坡陡流急提供了地貌条件。

2.2 河床组成原因

根据芦家河水道钻探取样等资料分析，水道河岸地质构造抗冲性能较好，岸坡稳定，右岸松滋河口以上和左岸毛家花屋以下，分布有临河丘陵山体，其地质构造为基岩质或抗冲性能较好的黏土和砾质土层；百里洲地质构造为二元结构，上层以河漫滩相粉质壤土为主，下层为卵石夹沙层；熊家棚子一带虽为软土质岸坡，但因地处弯道凸岸一侧，岸坡亦稳定。水道河床组成在汛期表层多为淤沙覆盖，左侧沙泓床沙较细，河心及右侧石泓较粗。一般至枯水季节，姚港以上床面除松滋口附近和石泓边滩仍留有一定厚度沙质覆盖层之外，其他区域均已冲刷至卵石层面。姚港以下，紧接卵石碛坝尾部，沉积的中细沙与碛坝连为一体，最大高程35.0 m，厚度6～10 m，构成心滩群，称为碛坝滩尾。沙质心滩的左泓亦冲刷至卵石层面，右泓卵石层面以上尚覆盖1～2 m厚的淤沙。总体而言，芦家河水道河床绝大部分河床为砂卵石组成，河床表层较粗(图2)、稳定性较好。但部分河段仍有粉细砂覆盖，河床可冲刷，不同土质的可冲性差异造成河床的凹凸不平(图3)，束流雍水，大幅抬高卡口上游水位，冲刷性较好的卡口下游，则降低了下游水位，构成了卡口型枯水跌坎，进而导致坡陡流急。

图2 芦家河水道典型河床卵砾石岩芯

图3 芦家河水道地貌

2.3 三峡蓄水影响

三峡蓄水后，坝下河段来沙减少，河床沿程冲刷，河道水位下降。芦家河水道在2008—2014年间单位河长总冲刷量即达172 m3km，随着河床持续冲刷，坝下河段枯水位均出现显著下降(图4)。芦家河水道内陈二口、毛家花屋、姚港和昌门溪4处水尺，5 600 m3s枯水流量下，2017年比蓄水前的2002年水位分别下降0.31、0.46、0.59、0.59 m。

图4 5 600 m3s流量下芦家河水道水位变化

一方面，水位的趋势性下降加剧了芦家河沙泓中段浅区的水深不足，航道条件趋于恶化。另一方面，由于芦家河以上河道为基岩、卵石河床，冲刷较小；而以下河道为沙质河床，冲刷较大。蓄水后坝下水位持续的不均匀下降，也导致芦家河水道水面比降不断增大。这些情况的存在和发展，必然导致芦家河枯水跌坎加剧。

蓄水前，芦家河水道是长江中游长期以来固有的枯水碍航河段，在三峡175 m试验性蓄水前，6 000 m3s左右流量时，天发码头附近400 m范围内比降可达近0.07%，最大流速可达2.8 ms；三峡蓄水后，枯水下泄流量增大，枯水航道碍航进一步严重。经观测统计，2014年后8 000 m3s流量下，局部比降增大至0.08%以上，最大流速达到3.26 ms，2017年来最大流速达3.5 ms，2018年2月15—19日年度最小流量(6 200 m3s)期间，实测水面比降仍为0.04%以上。芦家河毛家花屋枯水卡口，是多种地质、地貌因素急剧转折变化集中发生的部位(河段)，也是构成枯水跌坎的基础条件。

3 碍航特性

由于枯水跌坎的存在，芦家河河段内坡陡流急现象严重，船舶上行压力依然较大。从航迹观测结果看，动力较弱的船舶，上行较为困难。毛家花屋坡陡流急段附近水域的最小航速仅约3.0 kmh。从现场通航情况看，以2017年枯水季节为例，芦家河水道枯水跌坎(图5)和太平口水道三八滩北汊瓶颈，加上三峡大坝船闸检修单闸过船(图6)，共3处瓶颈均单向通航，且时而断航，导致3处区域待航船舶数量较多，通常情况下有200多艘，高峰期达400多艘，绵延数十公里，船舶等待时间最长多达17 d，且由于瓶颈水道窄浅多弯，轮船只能在多个距离较短的红白浮标之间随折弯缓行，容易搁浅。

图5 芦家河水道积压船舶

图6 三峡大坝附近等待过闸船舶

4 治理方案

芦家河水道的碍航问题较为复杂，除了沙泓中段坡陡流急等问题，还包括上游船闸通航对水位的需求、持续下降的枯水位影响、砂卵石推移质落淤出浅等问题，对此，在2017、2018年度开展了芦家河水道探索性的疏浚。

2017年度疏浚思路为：针对急需解决的水浅问题，清除宁化码头前沿浅包，提高水深，平顺航槽，并在保障航道尺度的同时，预留一定的淤积空间，为后续坡陡流急等问题的解决打好基础。疏浚工程挖槽区域位于芦家河水道沙泓航槽，对三宁化工码头前沿浅包进行维护性疏浚。工程挖槽区长约780 m、宽20～220 m，疏浚挖槽底高程为设计水位下4.0 m(航基面下4.5 m)，即29.2 m(1985国家高程基准)，疏浚工程挖槽边坡取1:3。

2018年度疏浚思路为：通过维护疏浚，清除宁化码头前沿浅包，保障芦家河河段枯水期航道水深，以缓解坡陡流急段通航安全隐患为目标，对毛家花屋航槽右缘一定范围内的乱石堆进行清除，适当拓宽缓流航槽宽度，改善通航条件。相应的疏浚方案主要包括2部分：浅包清除和乱石堆清除。浅包清除区：对三宁化工码头前沿浅包进行整体清除，工程挖槽区长约500 m、宽30～150 m；乱石堆清除区：对沙泓中段毛家花屋航槽右缘乱石堆进行清除，最大清除宽约50 m，长约1 000 m，清除区上段航槽与枯水位控制卡口以斜线衔接，下段以喇叭口形式逐渐拓宽与宁化码头前沿航槽衔接。

5 治理效果及后续治理建议

5.1 治理效果

疏浚工程实施后，增加了浅区航槽深度，保证了2017和2018年度芦家河水道4.5 m航深，工程实施后枯水水面比降变化见表1。从表1可知，芦家河枯水跌坎段(2#～3#)之间的枯水大比降显著减小，当三峡水库枯季最小下泄流量为6 000 m3s左右时，最大比降由疏浚前的4.60锐减至2.22。跌坎段的大比降分散转移到上下游相邻河段：上段陈二口—2#由1.6增至2.02，增幅23.2%；下段3#—枝江(马家店)由0.806增大至1.73，增幅高达115%。其他河段变化较小。

表1 芦家河枯水跌坎扩卡前后比降变化

5.2 建议

芦家河水道是我国地质构造运动西部掀升、东部沉陷转折带上的中点部位，又是地质组成转换的连接区，在地貌上由低山丘陵向平原的过渡区，使得在芦家河沙泓中段形成了跌坎，且在芦家河沙泓中段尤其显著，致使芦家河水道枯水碍航。特别是三峡枢纽运行后，芦家河以上河道为基岩、卵石河床，冲刷较小；而以下河道为沙质河床，冲刷较大，且随枢纽运行时间递增，造成水位持续降低，比降不断增大。这些情况的存在和发展，导致芦家河跌坎进一步加剧。

短期内河道地形地貌以及河道地质特点难以改变，造成沙泓中段枯水跌坎短期内难以自然改变，三峡蓄水逐步深入的趋势也将进一步持续，跌坎现象有可能进一步加剧，但同时，芦家河水道兼具上游水位控制的功能，因此，不可能大规模开展疏浚等调整工程，因此，目前较好的措施仍然是依据河道逐年变化情况，开展试探性治理。

2017、2018年度在控制上游水位的基础上，对沙泓中段开展了探索性治理，取得了较好的效果，若继续适当疏浚，跌坎段的大比降将进一步减小，并继续向上、下游河段转移，使邻近河段比降略微增大后再向上、下游较远河段转移。届时，芦家河枯水跌坎段大比降将进一步减小，但不会从根本上消失。因此，建议结合上游水位以及本河段航深变化情况，进一步开展浅区疏浚，在不影响上游水位的情况下，改善本水道枯水跌坎状况，为水道长远航道条件改善奠定基础。

6 结论

1)芦家河水道是我国地质构造运动西部掀升、东部沉陷转折带上的中点部位，又是地质组成转换的连接区，在地貌上由低山丘陵向平原的过渡区，导致沙泓中段枯水跌坎的存在。三峡枢纽运行后，芦家河以上河道为基岩、卵石河床，冲刷较小;而以下则为沙质河床，冲刷较大，水位持续降低，比降不断增大，加剧了枯水跌坎问题。

2)由于枯水跌坎的存在，芦家河河段内坡陡流急现象严重，此外，芦家河水道还包括上游船闸通航对水位的需求、持续下降的枯水位影响、砂卵石推移质落淤出浅等航道问题，对此，2017和2018年度均开展了疏浚维护，在综合考虑各因素影响下，开展芦家河水道疏浚。

3)疏浚工程实施后，增加了浅区航槽深度，保证了2017和2018年度芦家河水道4.5 m航深，工程实施后，枯水跌坎段水位大比降显著减小，且分散转移到上、下游相邻河段。建议进一步结合上游水位以及本河段航深变化情况，在不影响上游水位的情况下，开展疏浚治理，改善水道枯水跌坎状况，为长远航道条件改善奠定基础。