大藤峡坝下两江汇流口段航道整治试验研究

王 鑫，江 涛，杨燕华*，刘 洁，金 辉，张 明

(1.交通运输部天津水运工程科学研究所 工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456；2.中交水运规划设计院有限公司，北京 100007；3.重庆交通大学，重庆 400074)

大藤峡水利枢纽及长洲枢纽为支撑西江黄金水道两个关键节点，由于长洲枢纽正常蓄水位仅回水至桂平三江口，大藤峡坝下存在约12 km的枯水期脱水段[1-2]，具有山区河道特性，自上而下分布滩险众多且碍航特性复杂。其中位于来宾至桂平2 000 t级航道工程末端的铜鼓滩、羊栏滩滩段，处于黔、郁两江汇流口，水流特性受两江来水组合和复杂地形条件控制[3](图1)，碍航特性最为复杂，整治难度大。前期羊栏滩曾于1995～2007年历经3次整治，为支撑桂平至梧州段Ⅱ级航道建设，提出开挖宽浅型分流中槽、清除汇流口处碍航礁石的整治方法，使得该段航道通航水流条件初步得到改善，然而中洪水期在黔、郁两江汇流及中槽分流口附近仍存在大流速区[4]。赵家强等[5]指出，造成该现象的原因在于羊栏滩滩前两侧石质边滩未进行整治，仍发育约控水流，致使中洪水期主流集中、汇流段单宽流量分布不均，且分流量大，即由于铜鼓滩与羊栏滩于黔江沿程紧邻分布且滩群联动特性明显，现阶段汇流口段碍航控制滩段由羊栏滩上移至铜鼓滩滩段[6]。加之，现阶段规划将来宾至桂平段航道等级由Ⅴ级大幅提升至Ⅱ级，且与贵港至梧州Ⅰ级航道工程同步建设，并于汇流口段交汇，不同等级的航道工程建设相互影响，加剧了连续滩群的整治难度。

张明等针对西江梯级枢纽运行坝下水沙特点进行系列研究后，指出除自然冲刷外，人为无序采砂对西江干线河道河床形态影响不容忽视，会在短期内产生大范围的剧烈河床变化[7-9]。因此，为有效解决该滩段复杂的碍航问题，本文以2018年实测地形图为依据，通过建立几何比尺1:100的正态铜鼓滩、羊栏滩航道整治物理模型(图2)对汇合口段碍航特性进行分析，从而形成治理思路，并通过多方案试验，寻求合理的技术方案。

图1 大藤峡坝下至两江汇流口河段河势图 图2 铜鼓滩、羊栏滩航道整治物理模型示意图Fig.1 River reach from Datengxia Dam to confluence of Qianjiang and Yujiang Fig.2 Physical model of Tonggutan and Yanglantan

1 碍航特性分析

1.1 上滩能力指标

根据来宾至桂平2 000 t级航道工程初步设计报告，2 000 t级设计船型整治后流速控制指标采用3.00 m/s，比降控制指标采用1.5‰。当局部流速达3.00～3.50 m/s时，比降值按表1中消滩指标K≥1相应栏比降值控制[6]。

表1 2 000 t级船舶消滩指标K值计算表(船舶功率692马力)Tab.1 Rapids suppression hydraulic indexes of 2 000 t ship

1.2 碍航特性

已有资料表明，黔江水面比降主要与黔江汇流比(黔江流量/浔江流量，下同)有关，黔江入汇段水面比降随黔江来流量的增加而增大[10]。因此，为支撑来桂2 000 t级航道工程建设，保证船舶顺利通过两江汇流口沿黔江上下行，选取正常水情下黔江来流明显大于郁江的9级流量工况进行通航水流条件试验。黔江汇流比在0.71～0.9，涵盖黔江流量700～27 000 m3/s，其中Q黔=700 m3/s为来桂2 000 t级航道工程的设计最小通航流量，Q黔=27 000 m3/s为工程河段最大通航流量。

研究河段受地形控制明显，结合工程前现状条件下水流特性试验，提出铜鼓滩中前段、衔接段及羊栏滩中后段分别存在三个碍航控制断面(如图2、图3所示)，碍航特性各异，如表2所示。

3-a 铜鼓滩中前段典型断面CS243-b 衔接段典型断面CS363-c 羊栏滩中后段典型断面CS48图3 各滩段典型碍航控制断面Fig.3 Controlled navigation-obstructing cross-section

表2 现状条件下各滩段碍航特性Tab.2 Current navigation-obstructing characteristics

铜鼓滩中前段滩段地处弯道，弯顶有担干石横亘阻隔于河道中右侧，在枯中水期(700 m3/s≤Q黔≤4 280 m3/s)，受其挑流作用，主流蜿蜒曲折，且在其后形成大片深入设计航槽的回流，为该段碍航控制断面(CS24)，呈枯、中水险滩碍航，Q黔=4 280 m3/s为最汹流量级，当Q黔>4 280 m3/s时，水位漫过担干石，不再受其挑流控制。

铜鼓滩滩尾向羊栏滩过渡的衔接段，水流受两岸边滩限制明显，水流被束窄至设计最小流量下仅约100 m宽的深槽中，形成碍航控制断面(CS36)，其下游形成剪刀水，同时卡口左侧边滩滩头高程较低，形成滑梁水，呈中、洪水急险滩碍航，最汹流量级为Q黔=4 280 m3/s，滩段平均比降达最大值0.75‰，局部断面达6.18‰，对应流速3.60 m/s，当Q黔>4 280 m3/s时，水流逐渐漫过两侧边滩，河面放宽，对水流收缩的作用减弱。

羊栏滩中后段，滩段左岸依附较大边滩压缩河床，右有散乱分布的礁石(CS48)，水流湍急紊乱，当8 600 m3/s≤Q黔≤11 358 m3/s时主槽集中且分流量大，滩段进入3 m/s以上大流速区，呈洪水期流急碍航。

2 整治方案研究

2.1 设计方案整治效果

由于羊栏滩滩段同时涉及来桂2 000 t级航道工程及贵梧3 000 t级航道工程，设计方案水流特性试验研究应对两段航道工程综合考虑。来桂2 000 t级航道工程设计航道尺度为3.5 m×80 m×550 m(水深×宽×弯曲半径，下同)，为避免现有航线弯道较多且转弯半径较小，设计方案将铜鼓滩中前段设计航道中心线向河道左侧偏移，首个弯道(铜鼓滩转弯段)顶点上提且增大弯曲半径至910 m，出弯后顺接1 425 m顺直航道，酌情作局部石角的切除或炸除航道边线附近的礁石。贵梧3 000 t级航道工程设计航道尺度为4.1 m×90 m×670 m，设计方案航道线路布置是在满足航道最小弯曲半径的前提下，河段航道平面布置在现状航道宽度基础上进行拓宽，并针对主要滩段航道线路进行礁石清除。

研究表明，设计方案实施后，设计航道布置有所调顺，铜鼓滩中前段航道偏离担干石，使得深入航道内回流范围有所减小，枯、中水险滩碍航特性有所改善。但设计方案仅对局部石角进行切除或炸除航道边线附近的礁石[11]，无法改善由于边滩挤压限制产生的不利碍航水流条件[12-14]，衔接段及羊栏滩中后段碍航特性依然存在。

2.2 优化思路

针对设计方案实施后，研究河段内仍存在中洪水期航道流速大、局部滩段水流紊乱的碍航问题。考虑各滩段碍航水流形成的条件并根据前期羊栏滩整治经验，在设计方案实施的基础上，各滩段整治思路见表3。

表3 设计方案下各滩段碍航特性Tab.3 Navigation-obstructing characteristics of design scheme

2.3 优化方案布置

针对设计方案实施后，研究河段中洪水期仍存在的碍航问题，针对衔接段为减小衔接段坡陡流急的碍航现象，考虑到衔接段碍航控制断面为CS36断面，最不利流量级为Q黔=4 280 m3/s，保证在该流量级下有效增大过水断面面积，对航边线左侧边滩进行挖深，并与上下游地形顺接，布置1#清炸区，整治工程典型断面见图4-a。针对羊栏滩中后段为有效减小羊栏滩汇流段流速，对位于滩头的棋盘石进行局部切滩，有效增大过水断面面积，分散主流，并与上下游地形顺接，布置2#清炸区，如图4-b。

4-a 衔接段CS364-b 羊栏滩中后段CS424-c 铜鼓滩中前段CS24图4 优化方案典型断面示意图Fig.4 Optimization scheme of navigation-obstructing cross-section

与此同时，由于试验研究河段中铜鼓滩、羊栏滩紧密相邻，滩群联动特性明显，衔接段及其下游滩段的开挖(1#清炸区与2#清炸区)，使得铜鼓滩中前段比降、流速较设计方案有所加大，对担干石碍航点中枯水险滩碍航特性有所加重。因此，为了保证船舶下行安全，一方面该段弯曲半径再次进行增大，弯顶段航道中心线弯曲半径调整至1 000 m，减少设计航道内转弯段，同时对担干石进行进一步清除，布置3#清炸区，清炸底高程与航道底标高一致，使得当Q黔≥4 280 m3/s时设计船队行至担干石断面保持船队相对滩边线足够富裕宽度，可以提前调整舵角以减小漂角，如图4-c所示。整治工程平面布置见图5。

图5 研究河段优化方案平面布置图Fig.5 Layout of optimization scheme

2.4 优化效果

2.4.1 铜鼓滩中前段

铜鼓滩中前段，一方面增大弯曲半径，另一方面担干石被进一步清除(3#清炸区)，现状条件下受担干石挑流而在航道内形成的碍航回流已被消除，Q黔=4 280 m3/s时CS27断面航道内横向流速分量最大值减小至0.30 m/s，流速与航道中心线夹角为9°，铜鼓滩中前段枯、中水险滩碍航特性得以消除(图6)。

6-a 现状条件6-b 优化方案图6 铜鼓滩担干石局部水流条件(Q黔=4 280 m3/s)Fig.6 Local flow conditions of Danganshi cross-section(Q黔=4 280 m3/s)

2.4.2 衔接段

衔接段左岸挑流滩头、右岸限制边滩均进行了切除，起到了平顺水边线、减弱两侧边滩对水流的限制作用，Q黔=4 280 m3/s时航道内局部最大比降由现状条件6.18‰(CS36)减小至1.50‰(CS41)，对应航道中心线流速最大值由3.65 m/s下降至2.75 m/s(图7)，同时由于两侧边滩的清除，现状条件下的剪刀水与滑梁水碍航水流被消除，航道内水流被调顺(图8)，满足来桂2 000 t级航道设计船型上滩能力指标。

图7 衔接段局部比降及航中线流速沿程分布Fig.7 Local gradient and velocity distribution along the midline

8-a 现状条件8-b 优化方案图8 衔接段局部水流条件(Q黔=4 280 m3/s)Fig.8 Local flow conditions of transitional reach(Q黔=4 280 m3/s)

2.4.3 羊栏滩中后段

羊栏滩中后段对棋盘石局部及子沙进行了清炸，使得来桂2 000 t级航道范围内流速减小明显，Q黔=8 600 m3/s及Q黔=11 358 m3/s时来桂2 000 t级航道范围内航道中心线均已基本降至3.00 m/s以下，满足2 000 t级代表船型上滩能力指标，如图9所示。

图9 各滩段航中线流速沿程对比关系图Fig.9 Velocity distribution along stream centerline

3 结论

文章以实测地形图为依据，采用水流定床物理模型研究手段，开展了来桂2 000 t级航道整治工程铜鼓滩、羊栏滩滩段物理模型试验研究，得到主要结论为：

(1)现状条件下，研究河段滩险碍航特性受地形及来流控制明显，自上而下存在铜鼓滩中前段、衔接段及羊栏滩中后段三个碍航控制断面，碍航特性各异。铜鼓滩中前段，受深入设计航槽内担干石的挑流影响而形成的中枯水险滩；衔接段，受两岸石质高滩限制而形成的中洪水急险滩，局部比降最大值达6.15‰，航道内最大流速达3.60 m/s，且同时具有碍航的剪刀水与滑梁水。羊栏滩中后段碍航特点总体表现为中洪水急流滩，汇流段航道内局部表面最大流速达3.30 m/s。

(2)物理模型试验河段同时涉及来桂2 000 t级航道工程与贵梧3 000 t级航道工程建设，两段航道工程于羊栏滩中后段交汇后汇入贵梧3 000 t级航道；设计方案实施后，通过设计航道调顺及航道开挖，研究河段枯水期浅滩碍航得到明显改善。然而仅对局部礁石进行清除，无法改善由于边滩挤压限制产生的不利碍航水流条件，中洪水期衔接段及羊栏滩中后段碍航特性依然存在。

(3)结合各滩段碍航特性，铜鼓滩衔接段应以消除左岸挑流点、平顺水流边线，有效增大过水断面面积为整治思路，布置1#清炸区；羊栏滩滩段应在保证中槽分流量的前提下，以扩大汇流口过水断面面积为整治思路，布置2#清炸区；为消除铜鼓滩中前段枯、中水险滩碍航特性及船舶下行安全，对担干石航边线右侧部分进行进一步清炸，形成3#清炸区。优化方案布置下，研究滩段水流条件满足代表船型上滩能力，碍航特性得到有效改善。