长江江都段嘶马弯道丁坝改造研究

陈长城

（安徽省淮南市寿县张李乡农技站，安徽 淮南 232200）

稳定的河势是防洪安全和航运发展的基础保障[1]。长江江都段嘶马弯道河床冲刷势态的变化及部分地质条件恶劣时常引起河段内发生崩岸险情。丁坝作为典型的岸线保护和河道整治水工建筑物，其主要作用是控制主流、保护河岸、改善航道、稳定河势、改善河道生态环境等[2]。本文以长江下游江都段嘶马弯道为研究对象，对弯道现状及存在的问题进行分析，并对弯道处丁坝不同的改造方案进行对比研究，以期为嘶马弯道丁坝改造提供依据。

1 嘶马弯道段概况

嘶马弯道自三江营至高港灯凸咀，为太平洲汊道左汊上段，全长约14 km，河宽2.5～3.8 km，为典型的弯曲河道。由于河势不稳，江岸坍塌，一百多年来已累计崩退达1 500 m，其中1951—1976年后退750 m；上世纪70年代修建10座丁坝，80年代以来又在相邻丁坝间陆续实施抛石和软体排护岸。目前，工程损毀及岸线后退严重，仍是险情重点岸段。嘶马弯道及重点整治丁坝如图1所示。

图1 嘶马弯道示意

经过长期的运行，上世纪70年代建设的10座丁坝中，仅有西七坝和东二坝较为完整，西六坝、西二坝、西一坝和东一坝坍塌严重，其余4座丁坝已基本坍失。其中，西七坝和东二坝坝身较长，阻水比均超过1.0%，其他丁坝坝身较短、阻水比在0.4%以内，主要集中在0.2%左右。西七坝和东二坝对水流流态的影响相对较大。

2 嘶马弯道段丁坝治理现状

2.1 主要存在问题

嘶马弯道由于长期迎流顶冲，岸坡陡峻，丁坝护岸会对河床水流进行限制，使河流上游产生壅水形成水流高压区。水流沿坝头绕流造成流线相对集中，流速较大，则形成水流低压区。高水位区水体中一部分回流向河岸，另一部分水流会流向低压区，同时在丁坝挡水作用下会形成绕坝头的涡流，易对坝头处河床形成冲刷，进而导致窝崩。

2.2 前期工程概况

自上世纪70年代开始实施嘶马弯道强崩段丁坝群护岸，1991—1997年，对嘶马弯道岸段进行河势控制节点应急整治工程，对抛石护岸进行平顺，在崩塌部位形成了较长的整体护岸带。2015年实施长江扬中河段嘶马弯道（江都段）崩岸整治工程，护岸长度5 040 m，共抛石326 485.81 m3。

通过对河段一期的整治，嘶马弯道水面形态基本保持稳定，但在遭遇特殊水文年情况下，有进一步崩坍的可能性。嘶马弯道（江都段）岸线的崩退强度虽有所遏制，但由于长期迎流顶冲，导致近岸-50 m深槽发育，滩槽高差达55 m左右，岸坡陡峻，需加强护岸工程的维护和部分丁坝的改造。

3 治理方案研究

正态模型是目前用于研究局部冲刷等问题的可靠手段，即对实际河道进行缩尺后建立物理模型，研究实际流态，其主要包括正态系列物理模型、整体正态物理模型和局部正态物理模型。

结合目前丁坝具体情况，对西七坝和东二坝的局部改造进行局部正态物理模型试验研究。根据重力相似准则确定长度相似比尺λ1为60，模型范围为丁坝上游200 m，至丁坝下游250 m。利用局部正态物理模型分别比较西七坝和东二坝在平摊流量下拆除、高度减半和长度减半三种方案对丁坝的改造效果。现状条件下，局部流态如图2所示，西七坝阻水面积约1.36%，东二坝阻水面积约1.18%。

图2 现状条件下西七坝和东二坝的局部流态

3.1 阻水面积及阻挡流量变化

由于丁坝拆除方案下不存在阻水面积和阻挡流量，因此只考虑高度和长度减半情况下西七坝和东二坝的阻水面积及阻挡流量，如表1所示。

表1 丁坝阻水面积及阻挡流量

丁坝高度减半，阻水面积除枯水外基本减少一半，其阻挡流量基本减少一半左右；丁坝长度减半，其剩余一半长度阻水面积不足原来的三分之一，其阻挡流量也不足原来的三分之一。

3.2 沿岸水位变化

平滩流量下，拆除前后沿岸水位变化如表2所示，当高度和长度减半方案实施后，西七坝和东二坝沿岸水位趋势基本一致，影响范围有所减小。

表2 拆除方案沿岸水位变化 cm

西七坝坝长约60 m，平均高度在12 m左右。拆除方案实施后，上游水位略有下降，下游略有抬升。上游最大降低2 cm，下游抬高约2 cm。东二坝相对较长，约110 m左右，平均高度约9 m。拆除方案实施后，水位影响范围主要在丁坝上游300 m至下游300 m。

3.3 丁坝改造对流态的影响

3.3.1 丁坝整体拆除方案

西七坝与东二坝附近沿岸地形类似有多个凸出矶头及上下崩岸形成的半月形凹岸，沿岸形成锯齿形，不管丁坝是否拆除，沿岸仍存在回流区；但丁坝拆除后原丁坝阻水部分过流，上下回流区的强度局部会有所减弱，回流区范围局部会有所减小。

3.3.2 丁坝高度减半方案

西七坝高度减半时其阻水面积及阻挡流量基本减半，原坝处上下局部范围流速增加，西七坝上下仍有回流区，回流区范围大于西七坝拆除，但小于现状回流强度。西七坝上游回流区位于西七坝上游50～200 m，长约150 m，宽约90 m。下游回流区位于西七坝下游130～430 m，长约300 m，宽约160 m。

东二坝高度减半，其阻水面积及阻挡流量也基本减半，高度减半，坝顶过流增加，但上下游仍存在回流区，回流区范围较现状条件下范围为小，上游回流区长约300 m，宽约140 m，下游回流区长约400 m，最大宽约180 m。

3.3.3 丁坝长度减半方案

丁坝头部高度相对较高，丁坝长度减半时阻水面积减小超2/3。由于西七坝根部高程较高，河床地形也相对较高，长度减半时其阻水面积及阻挡流量不足原来的1/3，对丁坝上下游流场影响较小，可知，西七坝对上下游流场的影响主要是坝头前1/2长度。丁坝长度减半上游回流区主要位于西七坝上游60～200 m，回流区长约140 m，宽约85 m，丁坝下游回流区为下游140～420 m，回流区长约280 m，宽约150 m。

东二坝长度减半方案，其阻水面积及阻挡流量仅为原来的1/3左右，但丁坝上下游处仍存在回流区，上游回流区长约260 m，最大宽度约130 m，下游回流区长约370 m，最大宽度约160 m。可见丁坝拆除影响大于丁坝长度减半，丁坝长度减半影响大于丁坝高度减半方案。

3.4 丁坝改造对流速的影响

3.4.1 丁坝整体拆除方案

西七坝拆除后上下游近岸回流区范围及回流流速有所减小，平滩流量水位约3.35 m，西七坝大部分淹没于水下，丁坝拆除后位于丁坝上游约80 m至下游约120 m范围内流速增加约0.3～0.6 m/s，原坝体处流速最大增加约0.6 m/s。

东二坝拆除后上下游近岸回流区范围及回流流速有所减小。平滩流量上游回流区流速由0.3 m/s左右减小至0.2 m/s左右，下游回流区流速由0.4 m/s左右减小至0.25 m/s左右。丁坝拆除原坝址上下游一定范围流速增加，坝址上下游一定范围内流速增加，坝址上下一定范围近岸无回流区，平滩流量流速增加0.02 m/s，范围一般在坝上游300 m至下游550 m。原坝址处平滩流量流速最大增加约0.6 m/s。

3.4.2 丁坝高度减半方案

西七坝高度减半，其阻水面积及阻挡流量基本减半。高度减半坝顶过流增加，坝上下一定范围流速增加，坝前深槽流速有所减小，近岸回流区回流强度、回流范围也有所减小。上下游流速增加0.02 m/s，坝址附近最大流速增加约0.4 m/s。坝高度减半西七坝前深槽流速减小约0.02 m/s，坝头外深槽流速最大减小约0.15 m/s。上游回流区最大回流流速由0.3 m/s左右减小至0.25 m/s左右，下游回流区最大回流流速由0.4 m/s减小至0.35 m/s左右。可见西七坝高度减半影响小于长度减半。

东二坝高度减半，其阻水面积及阻挡流量基本减半。高度减半坝顶过流增加，坝上下一定范围流速增加，坝址上下近岸回流区回流范围及回流强度也有所减小，坝头前深槽局部流速减小。坝上下流速增加0.02 m/s，范围位于坝址上游约200 m至下游约400 m。坝址外流速最大增加约0.4 m/s。坝头前深槽流速减小0.02 m/s，范围位于坝头上游200 m至下游400 m，流速最大减小约0.2 m/s。东二坝上游回流区最大回流流速由0.3 m/s减小至0.25 m/s左右，下游回流区最大回流流速由0.4 m/s减小至0.32 m/s左右。可见东二坝高度减半影响要小于长度减半。

3.4.3 丁坝长度减半方案

西七坝丁坝长度减半，其阻水面积及丁坝阻挡流量仅为原来的1/3，坝头前流速增加，拆除丁坝处上下游一定范围流速增加，丁坝上下近岸回流区范围减小，回流流速减小。西七坝流速增加0.02 m/s，范围位于坝上游约160 m至下游约400 m。原丁坝头前深槽流速减小0.02 m/s，范围为上游160 m至下游约400 m，最大宽度约140 m。原坝址处流速最大增加约0.5 m/s，坝头外深槽流速最大减小约0.2 m/s。丁坝长度减半，西七坝上游回流区最大回流流速由约0.3 m/s减小至0.2 m/s左右，下游最大回流流速由0.4 m/s减小至0.3 m/s左右。

东二坝长度减半后其阻水面积及丁坝阻挡流量也仅为原来的1/3，丁坝长度减半，东二坝坝址上下游一定范围流速增加，坝上下近岸回流区范围及回流强度减小。坝址上下游流速增加0.02 m/s，范围为坝上游约250 m至下游约450 m，原坝址处流速最大增加0.5 m/s。原坝头前深槽流速减小0.02 m/s，范围为坝头上游250 m至下游约450 m，流速最大减小约0.25 m/s。上游回流区最大回流流速由0.3 m/s减小至0.22 m/s，下游回流区最大回流流速由0.4 m/s减小至0.28 m/s左右。

4 结论

以长江下游江都河段嘶马弯道为研究对象，分析了弯道现状，对弯道处丁坝的不同改造方案进行了研究，比较不同改造方案的优劣，主要结论如下。

（1）现状条件下西七坝、东二坝附近岸线呈现犬牙交错的锯齿状，丁坝上下游附近均存在汇流区，流态较为紊乱，不利于通航安全以及岸线的综合利用，有必要对西七坝和东二坝的改造开展相关研究。

（2）西七坝、东二坝等丁坝拆除后上游沿岸局部范围内水位将有所下降，坝下回流区近岸水位将有所回升，由于丁坝长度相对河宽很小，且丁坝阻水面积及阻挡流量一般不足1%，丁坝拆除对水位影响一般在上游300 m至下游300 m范围内，上游水位降低一般在2 cm以内，下游水位抬升在2 cm以内。丁坝高度减半及长度减半，水位影响小于丁坝拆除，其对水位影响范围一般在上游200 m内至下游200 m内，水位变化幅度一般在1 cm以内。

（3）西七坝拆除后流速变化幅度和范围有所增加，但深水航道内无明显变化。东二坝拆除后上下游近岸回流区回流流速由0.2 m/s左右减小至0.15 m/s左右。平滩流量上游回流区流速由0.3 m/s左右减小至0.25 m/s左右。

（4）丁坝高度减半时其阻水面积及阻挡流量基本减半，影响范围小于丁坝拆除方案。丁坝长度减半，其阻水面及阻挡流量仅为原来的1/3，丁坝长度减半影响要大于丁坝高度减半，但小于丁坝拆除的影响。

综上，西七坝、东二坝等丁坝拆除改造总体有利于岸线的平顺和流态的改善，拆除丁坝的方案有利于减小回流对沿岸的淘刷作用，而丁坝长度减半以及丁坝高度减半等方案实施总体效果和影响均不如丁坝拆除方案。