剑潭—横沥河段航道升级措施及模型试验

卿 云，张绪进，刘亚辉，张春泽，谢春航

(1.重庆交通大学 河海学院，重庆 400074；2.重庆西科水运工程咨询中心，重庆 400016；3.重庆西南水运工程科学研究所，重庆 400016)

1 工程概况

剑潭—横沥河段航道扩能工程是东江河源—石龙航道扩能升级工程的重要部分，原航道等级为VI 级，须升级改造为III级航道。按照标准要求，除少数挖沙河段外，该航段水深严重不足，涉及滩险数量多、分布密集、持续距离长，采取挖槽与筑坝的整治措施势必对相邻河段的水位、流速和流态等造成较大影响。此外，多年来东江人为采沙活动频繁，采沙河段多、采沙量和范围大，引起河床泥沙冲淤和河段水文变化大，河床冲淤变化大，沿程水位逐年显著降低。同时，东江又是港深地区和沿江两岸城镇的重要水源地，并具有汛期防洪要求。因此，该项工程影响因素众多，技术复杂。

本文通过分析河段特点与滩险碍航特征，总结河段的整治难点，结合浅滩整治的一般原则与河段整治整体优化的原则，提出该河段的整治原则与整治措施，并开展了定床模型试验与水流泥沙动床模型试验，分析整治后航道沿程水位、比降、流速的变化，明确航道泥沙的冲淤量，研究航槽稳定性，分析改造措施的合理性。

2 改造措施

2.1 碍航特征分析

该河段包含了芦洲、秀岭、沙梨园、鹅塘洲、瘦狗龙、岭下、铁冶派和墨园8个沙质浅滩段[1-2]，如图1所示。芦洲浅滩段河道较窄、水流缓慢、河底出浅、深浅交替，河段最浅处水深仅为0.7 m，丁坝坝头附近的河床多有冲刷。秀岭浅滩紧邻芦洲浅滩，河道微弯，河宽较大，右岸有长丁坝形成的边滩。沙梨园浅段由两个反向弯道组成，转向近180°，弯曲半径仅400 m，河槽较窄，局部有断续深槽，江中有沙梗。鹅塘洲浅滩段走势总体较顺直，宽窄有一定变化，江心有鹅塘洲，江心洲周边建有防洪堤坝。瘦狗龙浅滩段较顺直，人工采沙活动频繁，左岸坝田泥沙几乎被开采殆尽，整个河槽床面显著降低。岭下浅滩段位于上下两个反向弯道的过渡段上，上弯道向右转向，主槽沿左岸分布，右岸边滩发育，出弯后河面渐宽，河床相应变浅。铁冶派浅滩段位于向左转向的弯道上，边滩发育。墨园浅滩段总体较顺直，下段局部微弯，自上而下逐渐展宽，右岸边滩宽阔，河槽、边滩冲淤变化较大。8个浅滩的主要问题是水浅、航深不足，而沙梨园浅滩则存在航道过于弯曲、曲率半径小，浅滩类别、河段河床累积冲刷量等见表1。

图1 剑潭—横沥河段浅滩分布及河势

表1 河段滩险情况

2.2 整治难点

该河道的特点可以概况为河势弯曲、宽窄相间、槽窄水浅、浅滩数量多、浅段长、浅区首尾相接、滩性各异、输沙能力有限、人为采沙活动严重，工程整体性高与河段的联动效应强。该河段相对于单一浅滩的整治工程[3-5]而言，改造难度较大[6-7]。因各浅滩之间相互制约，整治存在相互联动效应，形成浅滩群[8]，整治措施应上下兼顾、整体规划、统筹考虑[9]。同时，沙梨园浅滩不仅河道水浅、河槽狭窄，并且河道弯曲、曲率半径较小，形成了险滩，具有浅险的碍航特性，整治难度更大[10]。

2.3 整治原则

针对研究河段浅滩连片的现状、滩险成因分析，结合航道建设目标，考虑特长浅滩整治的难点，提出在遵循一般沙质浅滩整治原则的基础上，采取“疏浚为主，整疏结合、控制河势，稳定航槽”整治原则。

1)疏浚为主：研究河段受人类活动影响，特别是大量无序采沙对河道生态环境的破坏，造成该河段水位大幅下降，水深明显减小，原有分散的浅滩已上下连成一片，航道条件严重恶化，必须首先采取基建性措施进行疏浚，挖出符合设计要求的Ⅲ级航道。

2)整疏结合：特长浅滩整治效果的稳定更需要系统地与整治建筑物配合，通过筑坝工程调节水流，束水攻沙，从而维持航槽的稳定。该航段曾历经整治，基本形成了较合理的中枯水航槽走向及平顺、微弯的平面轮廓，以此为基础，对已有整治建筑物布置进行适当调整、补充和完善。

3)控制河势：河势稳定是航槽稳定的基础。研究河段为平原性河流，沙质河床，冲淤变化较明显。经过社会各方的多年治理，沿河两岸堤防已较完善，河道节点受到保护，该河段河势总体基本稳定，在此基础上还应加强对薄弱环节的保护。

4)稳定航槽：减小泥沙回淤，维持航槽稳定是航道整治工程的基本要求。受多种因素的影响，特长浅区疏浚航槽的冲淤变化相对复杂，整治难度大，可借鉴的经验不多。

2.4 整治措施

2.4.1整体措施

整治线走向应充分利用主导河岸和控制节点，顺应河势。航槽轴线沿深泓布置，并尽可能与原航槽保持基本一致，在急弯段适当裁弯以满足最小弯曲半径要求，或按规范要求适当拓宽急弯段航宽；在分汊河段选择稳定的主汊作为航槽。整治工程布置尽可能利用已有整治建筑物，对整治线宽度不满足要求的，将原有丁坝适当调整，其高度按整治水位确定，在须建丁坝的宽浅段或航槽调整的局部河段，应根据河道特征适当新增丁坝，以利航槽的稳定。

针对浅段连续挖槽引起的沿程水位降落和水流归槽造成的航槽水陡流急现象以及河床冲淤造成的航槽稳定性问题，采取以下应对措施：

1)为确保整治后航槽水深满足设计要求，应根据沿程水位降落情况，从下游向上游逐渐增大挖槽深度。

2)在水流归槽、流速较大的河段，挖槽应采用复式断面形式(图2)开挖，即在挖深航槽的同时适当降低边滩高程，扩大过水断面，减小航槽流速，调整流速分布，改善通航水流条件；拟在鹅塘洲及其以上浅段采取复式断面形式进行挖槽，可增大过流宽度和过流断面面积，调整横向流速分布，减小航槽流速，从而达到改善通航条件的目的。

3)充分利用原有丁坝，采用两级整治(原有丁坝多在设计水位上3 m左右，可视为一级，丁坝待加长部分坝高按设计水位以上1.2 m考虑)，以增强对中枯水河势的控制能力，在稳定航槽的同时，减小筑坝工程量。

图2 整治方案典型断面(单位：m)

2.4.2各滩段具体措施

部分典型河段试验整治措施如图3所示。

各浅滩河段具体的整治措施如下：

1)芦洲浅滩河段采用复式断面挖槽形式，疏浚浅段长约4.9 km，疏浚航槽宽60 m，边滩宽0～30 m；左右岸已建有39座丁坝(不含右岸护岸短丁坝)，适当加长25座丁坝，另再新建10座丁坝。

2)秀岭浅滩河段采用复式断面挖槽形式，须疏浚浅段长度约3.0 km疏浚航槽宽60 m，边滩宽10～30 m；利用左岸原有11座丁坝；右岸下段原有4座丁坝(不含护岸短丁坝)，拟在上段新建9座丁坝，在中、下段加长2座原有丁坝，另拆除2座。

3)沙梨园浅滩河段采用复式断面挖槽形式，须疏浚浅段长度约3.0 km，疏浚航槽宽60～66 m，其中上弯顶段航槽宽度逐渐增大至66 m，疏浚边滩宽10～44 m。利用上弯段左岸原有14座丁坝，在其下游的凸岸边滩新建8座丁坝；右岸原有7座丁坝，延长上游的3座丁坝，再新建1座长顺坝，以调顺水流；在下弯段，左岸原有8座丁坝，坝长均较短，因此加长其中1座，再新建6座，右岸原未布置有丁坝，拟增建12座丁坝。

4)鹅塘洲浅滩河段采用复式断面挖槽形式，须疏浚浅段长度约4.7 km，疏浚航槽宽60 m，边滩宽10～40 m；在原有丁坝基础上，新增4座丁坝(主槽左岸)，上游右岸新增2座丁坝；在中下部主槽左岸新增10座丁坝，右岸新建1座、加长2座丁坝；在下游左岸新增5座丁坝、加长7座丁坝，右岸加长3座丁坝。

5)瘦狗龙浅滩河段采用梯形挖槽断面形式，须疏浚浅段长度约3.0 km，疏浚宽度60 m；该河段右岸原有15座丁坝，左岸原有10座丁坝，全部利用，并在左、右岸分别新增1、2处丁坝，原有丁坝长度不足的适当加长(共14座)。

6)岭下浅滩河段采用单一航槽断面形式，须疏浚浅段长度约1.8 km，疏浚航槽宽60 m；在右岸新增9座丁坝。

7)铁冶派浅滩河段采用单一航槽断面形式，须疏浚浅段长度约2.2 km，疏浚航槽宽60 m；利用河段右岸原有3座丁坝；左岸原有5座丁坝，加长其中的4座，并在上段新增1座，下段新增2座丁坝。

8)墨园浅滩段用单一航槽断面形式，须疏浚浅段长度约2.7 km，疏浚航槽宽60 m；在右岸边滩新建9座丁坝，并在左岸弯段处新布置5座丁坝。

图3 部分典型河段整治措施

3 模型概况

选定模型的平面比尺λL=100、垂直比尺λH=60，模型变率η=1.67。模型按照重力相似和阻力相似准则进行设计，确定流速比尺λv=7.75、比降比尺λJ=0.60、糙率比尺λn=1.53、水流运动时间比尺λt1=12.91、流量比尺λQ=46 475.8。试验段模型雷诺数Re> 1 000，表明模型水流处于阻力平方区，属紊流状态，与天然水流结构相似。模型最小水深大于2 cm，满足模型水流不受表面张力影响的要求。

本文涉及的定床与动床模型试验，动床模型试验重点考虑模拟沙质推移质泥沙运动，并兼顾悬移质造床部分泥沙，须满足推移泥沙起动相似、输沙率相似和冲淤时间比尺相似，确定起动流速比尺λvc=7.75。

模型平面误差在±0.5 cm以内，高程误差在±1.0 mm以内，符合几何相似要求。根据原型实测资料对模型水面线、表面流速、流向、分流比等进行了验证试验，精度符合JTJT 232—1998《内河航道与港口水流泥沙模拟技术规程》的要求，可在此基础上进行工程前后水流条件及整治方案的试验研究。

4 试验分析

4.1 现状条件下的水流特性

现状条件下的水流特性试验表明：河段具有显著的平原河流特性，全河段水流平缓，流速、比降较小，流态良好。设计流量时航槽流速多在1.0 ms左右，比降在0.2‰左右，除急弯段(沙梨园浅段)存在扫弯斜流外，其余河段水流平顺，无明显碍航流态，水流条件总体较好。该河段的主要问题是受人类活动影响显著(尤其是过量、无序采沙对航道条件的严重破坏)，造成水位大幅下降，航深明显减小，浅滩上下相连，航道尺度远不能满足Ⅲ级航道要求。

4.2 定床试验

整治后，设计流量时，全河段水位降幅范围为0～1.3 m，最大降幅发生在沙梨园河段下弯道下段，上游的槟榔潭河段水位降低了0.8 m。整治流量时，全河段水位降幅范围为0～0.87 m，最大降幅均发生在鹅塘洲河段，上游的槟榔潭河段水位分别降低了0.49 m。中洪水流量时，沿程水位变化范围为-0.44～0.34 m，最大降幅发生在沙梨园下弯道，最大涨幅发生在岭下—铁冶派河段，上游的槟榔潭河段水位降低了0.03 m，如图4所示(含动床试验结果)。

图4 沿程水位

各浅滩大部分河段中、枯水期水流动力轴线与挖槽走向基本一致，顺直段主流方向与挖槽轴线夹角较小，整治流量时，航槽流速均大于泥沙止动流速，绝大多数河段的航槽流速较整治前有所增大，有利于减少泥沙回淤，维持航槽的基本稳定。但在芦洲浅滩下段、秀岭浅滩上段，沙梨园浅滩上弯道至下弯道段及铁冶派浅滩段因河势导致挖槽轴线与主流夹角较大，存在泥沙回淤的可能。

4.3 动床试验

按照丰水—中水—枯水年(2008—2014—2009年)组合顺序循环施放，一个循环后暂停放水，观测挖槽的冲淤情况、冲淤分布等，并在此基础上施放了设计流量(238 m3s)、整治流量(700 m3s)和中水流量(1 360 m3s)3级流量。

试验表明，全河段挖槽3年累计淤积总量约12万m3，年均泥沙回淤量约4.0万m3，年均最大淤积厚度0.1～0.2 m。各浅滩的3年累计淤积量、最大淤积厚度、最大淤积宽度、主要淤积部位、年均淤积量见表2。可以看出，各浅滩段航槽基本稳定，尤其岭下浅滩段航槽稳定性较好。工程河段各滩段航槽整体呈微冲刷状态，但在一些过渡段、急弯段等局部航槽仍存在一定的泥沙淤积问题，应及时清淤，以保航道畅通。

表2 典型年系列动床试验航槽淤积分布

试验河段各级流量沿程水位见图4，水面比降和沿程水面流速的变化情况见图5、6。当设计流量时，动床试验水位变化规律与定床试验基本一致，只是由于冲淤试验后河床以冲刷为主、航槽底高程进一步降低，导致沙梨园浅滩以上河段的水位比定床方案降低了0.11～0.27 m，尤其是芦洲浅滩上段水位降幅多在0.2 m以上，此时槟榔潭河段水位15.67 m，较整治前降低了1.06 m；沙梨园下弯段—瘦狗龙河段水位较动床方案抬高0.01～0.10 m；岭下浅滩及以下河段，除铁冶派和墨园浅滩段水位较定床方案降低0.10～0.14 m外，其余河段水位较定床方案变化不大，变幅多在0.04 m以内。当流量增大至整治流量和中水流量时，模型进口河段水位较定床方案的降幅逐渐减小，此时芦洲浅滩段水位较定床方案的降幅分别为0.15～0.21 m和0.07～0.11 m，其余河段的变幅多在0.08 m以内。

图5 沿程比降

图6 沿程流速

在3级试验流量下，工程河段水位随流量的增大逐渐升高，水面线较光滑，呈往下游沿程递减趋势，水面较平缓，无不良流态，其中除芦洲浅滩上段水面比降超过0.4‰外(最大值0.46‰)，其余河段多在0.3‰内。工程河段总体呈冲刷趋势，但在一些过渡段、急弯段等局部航槽尚存在一定量的泥沙淤积问题，可能导致在低水位时淤积河段航深不足2.5 m，应根据实际情况，对水深不足2.5 m的河段及时清淤，以保证工程河段的通航安全。试验河段各级流量相应的主航道中心线流速分别为0.57～1.35、0.81～2.07和1.11～2.13 ms，最大的流速分别出现在沙梨园下弯道出口段、沙梨园上下弯道过渡段和墨园浅滩入口段。各级流量相应的水面比降为0.06‰～0.42‰、0.05‰～0.39‰和0.04‰～0.43‰，较大比降多出现在芦洲浅滩上段、沙梨园及铁冶派弯道附近。

各级流量下动床试验主航道中心线流速定床试验同位置减小0.2～0.3 ms，这是由于试验后航槽及边滩多被冲刷，底高程降低、过流面积增大的缘故，也存在局部河段少数断面流速比定床方案同位置的流速变化较大的情况。在比降方面，动床试验沿程比降与定床试验相比变化较小，多在0.06‰以内，仅个别河段变化达0.1‰左右。总体来说，在试验流量下，优化方案航槽内水流较平顺，无不良流态，通航水流条件能满足设计船舶的航行要求。

5 结论

1)本文提出了“疏浚为主、整疏结合、控制河势、稳定航槽”的整治原则，航槽应沿河道深泓布置，挖槽纵向采用变底坡设计，横向采用梯形断面或复式断面形式，应完善整治建筑物，充分利用已有丁坝、新建丁坝和加长旧坝。

2)开展定床模型试验，整治后航槽水流平顺，水深满足设计要求，通航水流条件良好，设计水位时航槽流速多在0.8～1.3 ms，水面比降0.1‰～0.4‰。

3)开展水流泥沙动床模型试验，研究改造后河床的冲淤变化规律，分析航道沿程水位、比降、流速的变化，整治后河段仍处于微冲状态，挖槽总体保持稳定，整治方案基本可行。

4)由于河势条件复杂、各浅段输沙能力不一等多种因素影响，在一些过渡段、急弯段等局部航槽尚存在泥沙回淤问题，河段挖槽年均泥沙回淤量约4.0万m3，年均最大淤积厚度0.1～0.2 m。