边滩嵌入式码头对河段航道条件的影响——以临湘港区鸭栏码头为例

张 健，倪春飞，许 慧，陈 珺

（1.南京水利科学研究院，南京 210029；2.河海大学水利水电学院，南京 210098；3.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州 311100）

0 引 言

长江作为我国内河航运最发达的河流，沿江经济发展迅速，两岸规划建设了众多港口码头、取排水口、跨（穿）江设施等，占用了大量的长江岸线资源。在“共抓大保护、不搞大开发”的长江流域发展新形势下，一切涉及长江的经济活动都要以不破坏生态环境为前提，涉河项目得到整治、整改，国家和流域内各省市制定了相关岸线开发利用与保护规划，划定的岸线保护区、保留区、控制利用区继续开发利用的难度加大，而河势基本稳定、水流条件较好的岸线开发利用区长江干流内只有108个，长度987.1 km，占岸线总长度的11.9%，可供开发的优良岸线资源变得相对紧张［1］。

岳阳港鸭栏浮码头目前存在水域污染、岸线利用率低等问题，但限于岸线规划只能在原址进行提质改造。工程分布在界牌河段儒溪边滩和上边滩之间的水域内，有儒溪窜沟与主航道相连通，平面布置类似挖入式港池，但挖入式港池多是嵌入岸线内的人工港池，鸭栏码头是一种嵌入边滩之间的码头，边滩上往往又有整治建筑物进行守护，码头选址较为不利，有可能影响到河段航道条件，包括通航水流条件、河床冲淤及整治建筑物的稳定与功能等，随着水运行业的快速发展，深水岸线越来越紧缺，未来这种边滩嵌入式码头将有更多的应用空间，因此有必要对这种特殊码头的工程影响进行研究。目前国内外学者关于码头工程对河道行洪、附近流场变化、河床冲淤、周边涉水工程影响的研究取得了丰富成果，陈珺等［2］研究了典型潮洪条件下甬江上下游码头群对河道行洪的联合影响，分析比较了单段码头群和全河段码头群的洪水位、流速变化，结果表明码头群之间存在相互影响，全河段码头群对水流特性影响程度大于单段码头群；叶成华等［3］研究了水库变动回水区的白石滩翻坝码头对通航水流条件的影响，数学模型结果表明，码头在较高水位下运行满足通航水流条件要求；万华等［4］研究了武汉王家巷轮渡码头改造方案的通航安全影响，经方案不断优化，最终实现了码头改造工程对通航环境影响最小、通航风险最低的目标；但边滩嵌入式码头对航道条件的影响研究较少。本文以临湘港区的鸭栏码头为例开展了边滩嵌入式码头对航道条件影响的模型试验研究，研究成果可为类似工程提供参考。

1 工程概况

界牌河段上起杨林山，下至石码头，全长38 km。河段为顺直放宽分汊河型，以谷花洲为界，上段顺直单一，右岸发育有儒溪边滩和上边滩，主流多数年份居左，主航道位于沿岸深槽；新洲脑附近有螺山心滩将河段分为左右槽，规划航槽为左槽，但左槽尾部航槽经常大面积断开，右槽水深优于左槽，故实际航道位于右槽，而右槽水流贴靠丁坝而下，存在安全隐患；心滩尾至新淤洲头，水流逐渐过渡到右岸，称为过渡段；下段河段被新淤洲和南门洲分为两汊，左汊新堤夹为支汊，右汊为主汊。界牌河段是长江中游著名碍航浅段，河势调整频繁，航道条件变化很大［5］，从20世纪90年代开始，航道及水利部门先后实施了两期治理工程（表1），目前，航道尺度满足3.7 m×150 m×1 000 m（水深×航宽×弯曲半径）的标准。

表1 界牌河段已建河道治理工程Tab.1 River regulation projects built in Jiepai reach

拟建码头工程位于界牌河段儒溪边滩右汊、螺山水文站对岸，工程建设内容主要包括高桩梁板码头和港池、进港航道的疏浚（图1），码头顺岸布置3 个3 000 t 级泊位，码头前沿线布置在15.0～16.0 等高线附近，设计低水位16.18 m，码头平台长361 m，宽28 m，分为6 个结构段，每个分段有8 榀排架，排架间距均为8.0 m，每榀排架设置5 根φ1 500 mm 钻孔灌注直桩。码头与堤顶道路通过3 座固定引桥连接，1 号引桥长为260.03 m，宽为9 m；2 号引桥长为205.83 m，宽为12 m；3 号引桥长为205.42 m，宽为9 m，引桥主排架间距为16 m，1 号和3 号引桥每榀排架下设2 根φ800 mm 直桩，2 号引桥每榀排架下设3 根φ800 mm直桩［6］。

图1 界牌河段河势及码头工程布置Fig.1 The river regime of Jiepai reach and wharf engineering layout

码头前沿布置港池水域，包括停泊水域和回旋水域，港池设计底标高为11.88 m，新建进港航道与长江主航道夹角59°，长约868 m，单向航道设计，宽度为50 m，设计底标高为12.18 m。由于港池水域及进港航道范围内水深不足，为满足船舶进出港要求需要疏浚，疏浚方量53.8 万m3，挖深1～4 m。

2 河床演变

2.1 自然演变特性

界牌河段平面形态多年不变，但河道内洲滩调整剧烈，演变具有明显周期性，顺直段交错边滩复归性平行下移，分汊段受上游滩槽变化而发生相应汊道调整，过渡段随边滩的变化大幅上提下移，纵向摆幅可达14 km，主流摆动、滩槽不稳，航道易出浅碍航，过渡段航道条件的不稳定是制约界牌河段的重要因素。

2.2 综合治理工程实施后～航道整治二期工程前

综合治理工程实施后，丁坝、鱼嘴工程限制了主流横向、纵向的摆动空间，起到了固滩稳槽作用，锁坝工程封堵了新淤洲串沟，中洪水河势得以初步稳定［7］。三峡水库2003年蓄水运用后，流量过程坦化明显，坝下河段来沙锐减，泥沙沿程补给增加，水沙条件的显著改变引起河床冲淤的响应性调整，心滩北槽冲刷发展，过渡槽深泓摆动幅度较大，心滩尾下延淤堵新堤夹，水流集中在右汊，河段总体表现为纵向冲刷下切，减弱了洲滩的恢复性淤积，一定程度上延缓了演变周期的进程，冲刷主要集中在枯水河槽，断面形态朝窄深型发展，在两岸多个天然节点及大规模护岸的作用下，岸线边界保持稳定［8-10］。

2.3 航道整治二期工程以来

鱼嘴和鱼刺形式的护滩带守护了新淤洲前沿低滩，有利于过渡段航道边界的稳定［11］。二期工程以来，界牌河段总体河势基本稳定，新堤夹萎缩、右汊发展的态势不变，儒溪边滩、上边滩及新淤洲高滩的变化均不大，螺山心滩头冲尾淤，心滩右槽进口淤积，2019年维护性疏浚工程量达97.86万m3，左槽冲刷发展［12］，码头所在位置的河床基本稳定，2016-2021年，河床变化幅度在1 m 左右，进港航道年内冲淤规律表现为洪水期以淤积为主，退水期以冲刷为主。

3 物理模型设计及验证

3.1 模型比尺和模型沙

定床模型上起杨林山，下至上篾洲，模拟河长23 km，动床模型范围为儒溪～新洲脑，模拟河长约15.7 km，进出口均与工程保持足够的距离。根据模拟河段长度、场地限制等因素，平面比尺λL=280，考虑模型水深、紊流条件限制，垂直比尺λH=100，模型变率为2.8。界牌河段推移质泥沙输沙量远较悬移质输沙量为少［13］，泥沙模型主要模拟悬移质泥沙，模拟粒径范围为0.062～0.5 mm，模型沙选用聚丙烯甲酯轻质沙，其容重1.22 t/m3，干容重0.43～0.46 t/m3，模型沙呈现米黄色，具有粒径范围广、物理化学性能稳定、亲水性强等优点，粒径大于0.05 mm 的沙样基本无黏性。导出的其他模型比尺见表2。

表2 模型主要比尺汇总Tab.2 Main scale summary of the model

3.2 码头桩群模拟

三百余根桩伸入江中，势必引起区域的水流和泥沙冲淤变化。为能使桩群影响区域水流和泥沙运动模拟真实，模型需考虑到桩群的模拟。如果模型桩柱按照河道几何比尺进行缩制，则模型的桩径雷诺数将大大减小，其阻力系数与原型不相等，达不到阻力相似［14］，而桩群阻力是桩群影响水流泥沙运动特性的内因，必须满足其阻力相似条件（式1）。

式中：A0为桩群外包线在垂直于水流方向平面上的投影面积；A为桩群在垂直于水流方向平面上的投影面积。单桩阻力系数CD值与桩柱径向雷诺数有关，CD可根据Hunter Rouse的CD与Re的关系曲线确定［15］。

从方便制作、不易变形的角度，本文选用铅丝制作模型桩柱，先假定模型桩径为4 mm，桩群顺岸布置，近似垂直水流流向，不考虑迎流角作用，按原型平滩流量42 500 m3/s 条件下计算相应投影面积，码头附近平均实测流速约为1.07 m/s，可计算原型、模型的单桩雷诺数及阻力系数。利用共线力系叠加原理，用模型单桩模拟原型顺水流方向的排桩，采用桩群综合阻力系数Cp′代替原型桩阻力系数［式（2）］，对码头桩群进行简化，取10 倍桩径距离内码头桩数n=2，进行相关计算后，得模型桩数为3.13，考虑安全系数，实际采用4 根桩，原型桩群基本均匀布置，顺水流方向桩距8 m，垂直水流方向有5根桩，总桩距22.8 m，则码头模型桩的分布为：顺水流方向桩距2.9 cm，垂直水流方向上简化为每排架4 根桩，桩距2.7 cm；引桥类似布置（图2）。

图2 整体与局部模型Fig.2 Global and local models

式中：n为顺水流方向4～10倍桩径距离内桩的根数。

表3 码头桩群概化计算Tab.3 Generalized calculation of wharf pile group

3.3 模型验证

根据2021年2月（流量12 000 m3/s）和2019年8月（流量31 000 m3/s）的实测水文资料，对模型的水面线、断面流速分布、汊道分流比等进行了验证，水位偏差在+0.05 m 之内，各断面流速偏差在+0.01～0.12 m/s以内，流速分布规律基本一致，汊道分流比最大偏差为0.40%；动床阶段进行了2019-02-2020-04、2020-04-2021-02 两个时段的河床变形验证，模型平面冲淤分布与原型基本相似，全河段冲淤总量最大偏差为19.2%，上述验证偏差均符合《水运工程模拟试验技术规范》（JTS/T 231-2021）的要求，模型能够复演天然河道水流泥沙运动规律。

图3 典型断面流速分布验证（12 000 m3/s）Fig.3 Verification of velocity distribution in typical section（12 000 m3/s）

4 航道条件影响分析

4.1 试验条件

为充分反映不同水流条件下码头工程的影响，选取洪、中、枯多级流量进行水流定床试验，对码头工程实施前后水位、流速、汊道分流比等方面进行观测分析。不同水沙组合对河床冲淤的影响较大，分析近10年螺山站的水沙资料（图4），选取大水大沙的2020年作为不利典型水文年，中水中沙的2018年作为平常水文年，2016-2020年作为系列年，按实际水沙概化后在动床模型上进行施测。地形采用2021年2月实测1：10 000 界牌河段地形，港池、进港航道疏浚后局部地形按设计底标高开挖处理。

图4 螺山站近期流量和输沙量Fig.4 Recent discharge and sediment transport of Luoshan station

4.2 通航水流条件

4.2.1 水 位

工程实施后，左岸水尺水位不变，右岸除码头上游5号、5-1号水尺外，其余区域水位不变，工程对主航道内水位无影响（水尺位置见图1）。右岸5 号、5-1 号水尺距码头前沿分别为2 500 m、260 m，受进港航道疏浚影响，枯水流量条件下，局部水位下降4～5 cm，随着流量增加，水位下降程度减小，在洪水流量时，水位不变。

4.2.2 流 速

码头工程对河道水流的影响主要体现在两方面，一是码头及栈桥桩群阻水的影响，造成码头工程上下游流速降低；二是码头桩群对水流有导流作用；进港航道疏浚后，疏浚区域流速减小，疏浚区域下游流速有所增加。码头及进港航道疏浚对水流的影响是两者综合作用的结果。

因工程距离长江主航道较远，试验发现，工程对水流的影响集中在工程区附近，流速增加的区域是进港航道下游侧局部区域（2 号丁坝前沿上边滩），其余区域流速以减小为主。流速影响范围是随着流量的增大而增加，位置也有所下移（表5）。工程对主航道流速流向影响很小（图5），枯水流量时，主航道流速在2 号丁坝对开的区域增加0.01～0.02 m/s，中洪水流量时，流速无变化；流向变化在0.2°以内。

图5 码头工程附近典型断面流速变化Fig.5 Velocity variation of typical section near wharf engineering

表4 试验条件Tab.4 Test conditions

表5 工程实施后流速影响范围（0.02 m/s）Tab.5 Influence range of velocity after engineering implementation（0.02 m/s）

4.2.3 汊道分流比

码头桩群侵占了部分过水断面，具有一定的阻水作用，但因阻水比很小，且整体作为透水结构，工程实施对儒溪边滩右汊过流影响较小，对螺山心滩左右槽分流比无影响。枯水流量下，儒溪边滩右汊分流比增加0.4%，相应主航道所在的儒溪左汊减小0.4%，中洪水时，儒溪边滩左右汊分流比无变化。

4.3 河床冲淤变形

工程实施改变了局部水流结构，流场的变化导致局部河床变形调整。由图6可知，工程引起的河床冲淤主要集中在工程区附近，对主航道内泥沙冲淤无影响。码头前沿及进港航道开挖区域淤积为主，淤积幅度在1～2 m；上边滩有冲有淤，冲刷主要位于2号丁坝上游侧，幅度0.2～0.5 m，2号丁坝附近上边滩0 m线附近冲刷幅度0.1～0.7 m。

图6 不利水文年时工程引起的河床冲淤Fig.6 Riverbed scouring and silting caused by the engineering in adverse hydrological years

5 补偿方案及效果

鉴于2 号丁坝附近的上边滩滩体局部有所冲刷，冲刷位置距主航道右边线较近，且一定程度上影响2 号丁坝护滩功能发挥，为保持上边滩稳定，根据模型试验成果，拟对工程引起的上边滩冲刷区域进行守护，实施补偿工程。

守护范围：2 号丁坝上游16.0 m 等高线至18.0 m 等高线间的区域，起点布置在码头桩群掩护范围内；河槽内水下护底至10 m等高线，终点布置在进港航道倒套转折点下游约184 m处。结构形式方面，进港航道右侧边界16.0 m 至17.0 m 等高线间区域摆放两层透水框架，17.0 m 至18.0 m 等高线间区域铺设一层无纺布和17 cm厚钢丝网格，2号丁坝前沿河槽从17.0 m等高线向河心侧宽45 m的范围水下护底采用抛1 m厚钢丝网石笼。

为研究补偿工程实施后的效果，进行了系列年泥沙试验，图7给出了初始以及系列年末码头及进港航道附近边滩形态，由图7可见，与初始地形相比，系列年末补偿工程实施后，2 号丁坝附近上边滩滩体有所淤积，淤积幅度在1～3 m，上边滩设计水位上0 m 线和3 m 线均上延外扩，说明补偿工程起到了守护效果。

图7 补偿工程实施后等深线变化Fig.7 Change of contour after implementation of the compensation engineering

6 结 论

（1）临湘港区鸭栏码头位于边滩之间的窜沟内，工程实施对界牌河段主航道通航水流条件影响较小，流速变化集中在工程区附近，受码头桩群阻水、导流和进港航道疏浚的叠加影响，2 号丁坝附近的上边滩左缘流速有所增加，幅度0.02～0.04 m/s，码头前沿及下游侧流速减小。

（2）泥沙试验表明，流速增大的上边滩头部区域受到冲刷，冲刷影响了2号丁坝的促淤护滩功能，为此实施了补偿方案，考虑到方案的长效性以及自身的结构稳定，方案扩大了守护范围，起点伸入桩群掩护区内，并布置成拐头形式，最大程度上平顺水流。经系列年泥沙试验后，上边滩左缘开始淤积，补偿方案起到了守护效果，消减了码头工程带来的不利影响。