岷江下游典型滩群碍航特性及整治研究

何 熙，邓 涯 ，李顺超，李家世，贾国珍，何修伟

(1. 四川省交通勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610017； 2. 南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029； 3. 南京水利科学研究院 港口航道泥沙工程交通行业重点实验室，江苏 南京 210029； 4. 四川岷江港航电开发有限责任公司，四川 乐山 614000)

山区河流航道在我国西南地区的综合交通运输体系中占据重要地位，其货运量、能耗、运输能力相比公路运输有着明显优势。但由于其河道蜿蜒曲折、滩槽交错，极易形成“多滩并存、上下联动”的复杂碍航滩群段，增加了山区河流航道的治理难度。目前对滩险治理的研究多着眼于单滩[1-3]，基本通过实测水文、地形资料对碍航滩险的河床演变规律及趋势和滩性特征进行分析，进而提出整治方案，但对多个联动性较强滩群治理思路的研究较少。赵志舟等[4]依托金沙江、澜沧江及乌江河段滩群的治理经验提出，在滩群治理时应考虑组成滩群各滩点的碍航特征，同时应顺应整体河势，注意滩点之间的相互影响和输沙平衡；王国富等[5]依托乌江白涛河段复杂滩群，结合实测资料及数学模型对其近期河床演变进行了分析；胡小庆[6]依托金沙江大雪滩群，结合实测资料和河工物理模型试验结果对各滩点的河床演变与碍航特征进行分析，提出各滩点的整治措施。

岷江下游属于典型的山区河流，河道平均比降达0.8‰，整个河段呈现单一河段与汊流河段相间的态势，部分河段受无序采石挖沙影响，航道条件严重恶化，且原有整治建筑物遭到不同程度水毁，航槽淤积，流态变差。该河段涉及滩险21 处，包含一般性浅滩、汊流浅滩、急流滩及河口滩，滩险特点各异。本文依托该段航道中新开河滩群，结合实测资料、河工物理模型试验及水沙数学模型对山区河流“急、弯、险、浅”问题进行综合治理方案研究。

1 滩险概况与碍航机理

新开河滩群为岷江上著名的“急、弯、险、浅”复合型滩险，滩群由两个反向河湾组成，其中上段横梁子滩较为顺直，滩槽形态较为稳定；至新开河滩河道放宽，左岸为巨大碛坝，碛坝高程达设计水位以上7 m，碛翅深入江中，形成暗碛挤压河床，致右岸航道弯曲，设计水位下航槽范围内水深通常在1.2~2.0 m。滩口段坡陡流急，滩中下段向右岸深槽落弯，船舶行至此处有扫尾风险，同时受左岸暗碛影响，枯水期伴有滑梁水，滩尾右岸岩脚处泡漩水肆意；背时滩为上下两个河湾的过渡段，右岸马鞭坝受洪水期水流顶冲，头部崩退形成冲坑，左岸受碛坝尾部凸咀刺入江心形成挑流；令牌石滩为该滩群最下游滩险，两岸边滩形态较好，仅在该滩中段右岸扩宽段航槽内存在出浅。滩群河势见图1。新开河滩群经多次维护整治都未取得明显改善，一般在维护后的一段时间，整治建筑物遭遇水毁，航道条件再次恶化。

1.1 滩性分析

为掌握各滩险的滩性，分析了各滩险平均水面比降随流量变化规律（图2），了解其成滩和消滩水位[7-8]。除新开河上段为中枯水急流滩，其余滩险均为枯水急流滩。同时当来流Q≥5 500 m3/s 时，水流开始上滩，随着水位进一步抬升，滩险平均水面比降变化率明显减缓直至消滩。

图2 新开河滩、背时滩及令牌石滩平均水面比降随流量变化的关系Fig. 2 Variation of the average water surface gradient with dscharge of Xinkaihe rapid，Beishi rapid and Lingpaishi rapid

1.2 水沙特征

岷江下游洪水一般发生在每年6—9 月，此时含沙量也相对较大，枯水期一般为每年11 月至次年4 月，此时输沙量也相对较小。根据高场水文站2006—2020 年共计15 年实测资料统计，多年平均流量为2 582 m3/s，最大日均流量为31 000 m3/s，多年年均径流量均方差σ=410 m3/s。2006—2020 年高场站多年悬移质平均含沙量0.284 kg/m3，多年平均悬移质输沙量0.232 亿t，多年悬移质年均输沙量均方差σ=0.148 亿t。岷江推移质主要产于上游大渡河，且具有粒径大、年内集中、年际变化大的特点，岷江流域以大渡河为主要产沙区。图3 为高场站各年径流量、悬移质输沙率与多年均值的偏差分布，按1 倍均方差以内为中水中沙年进行分析，可得各年的水沙特征情况。在综合考虑2010—2020 年时段内泥沙输移量、沙水比、洪峰峰值及出现时段基础上，模型选取小水小沙（2015 年）、中水中沙（2010 年）及大水大沙（2020 年）3 组典型水文年为代表工况，其中卵石推移质输沙率按悬推比3%考虑[9]。

图3 高场站各年水文泥沙特征Fig. 3 Hydrographic and sediment characteristics of Gaochang hydrologic station

1.3 河床演变规律

图4 为新开河滩群2010—2017 年及2017—2021 年年际冲淤变化。2010—2017 年河道受人为因素影响明显，在横梁子滩右岸边滩滩唇、新开河滩滩口、碛翅及碛尾处受采砂影响，河床下切明显。枯水河槽内主要在新开河滩中部、背时滩凸咀位置及令牌石滩滩口处航槽内存在一定淤积。2017—2021 年河道采砂活动基本禁止，河床基本为自然演变，特别是经历2020 年岷江特大洪水后，原采砂坑发生明显淤积。在新开河滩左岸碛坝处有冲有淤，碛尾冲刷明显，部分泥沙被携带至背时滩航槽内，导致该滩中段有明显回淤。背时滩至令牌石段，右岸马鞭坝受中洪水顶冲呈崩退趋势，碛首泥沙一部分被携带至碛尾淤积，另一部分被携带至令牌石滩航槽内。

图4 新开河滩群2010—2017 年及2017—2021 年冲淤变化Fig. 4 Erosion and deposition changes in Xinkaihe during 2010-2017 and 2017-2021

1.4 碍航缘由

岷江新开河滩群主要表现为新开河滩滩口流急，滩中下段航槽落弯，泡水及滑梁水肆意；背时滩至令牌石滩段航道弯曲且水深较浅，同时背时滩左岸碛尾深入江中与右岸马鞭坝对峙，流态紊乱；令牌石滩两岸均为冲积台地，中洪水水流取直后将右岸开阔而低矮的马鞭坝滩面卵石带至下游航槽内。整个滩群自上而下形成“急、弯、险、浅”的碍航特征。

1987 年岷江扩建工程时，在新开河滩进口修建3 座丁坝，并延长右岸顺坝，但该滩下段弯、险问题并未消除；2002 年再次对该滩群实施整治，基本理顺了航槽，并对该滩右岸顺坝实施加固，之后左岸碛坝发育，碛嘴深入河心与右岸岩壁对峙。1996 年背时滩至令牌石滩整治工程中，在令牌石滩右岸修筑顺坝1 座；2000 年为限制左岸退缩，修筑2 座短丁坝。上述整治措施仅针对单滩碍航问题提出整治方案，并未从根本上消除新开河滩群的碍航问题，且经自然演变后整治建筑物基本水毁，航槽碍航问题仍然突出。

2 平面二维水沙数学模型

在2017 年4 月实测1∶2 000 河床地形基础上，建立岷江下游新开河滩群平面二维水沙数学模型。模型上起泥溪镇，下至古柏固定水尺，全长约10 km。计算网格采用三角形网格和四边形网格的混合网格，最小网格尺度为4 m，最大网格尺度为30 m，工程区内网格进行适当加密处理。

利用实测枯水流量Q=1 101 m3/s，中水流量Q=3 400 m3/s 以及洪水流量Q=9 680 m3/s 三组工况条件下沿程8 个水位测点以及两个测流断面分别开展模型的水位验证（图5）以及断面流速分布验证（图6）。验证结果表明水位、断面流速分布精度均符合《水运工程模拟试验技术规范》（JTJ/T 231—2021）的要求。

图5 水位验证Fig. 5 Water level verification

图6 流速验证Fig. 6 Measured flow velocity in verification

岷江下游河段河床变形主要集中在涨、落水两个特征时期，依托2017 年洪中枯3 次地形测量结果开展冲淤量验证，2017 年4—7 月底为一个涨落水期，8 —11 月为另一个涨落水期。

模型采用2017 年4 月实测地形为起始地形，每天为1 个计算时段，起止时间为2017-04-01—2017-07-15；然后以2017 年7 月的实测地形为起始地形，每天为1 个计算时段，起止时间为2017-07-15—2017-09-04；并分别对两个时段主槽内冲淤量的实测值与计算值进行对比。统计结果显示，2017 年4—7 月主槽内实测淤积量为0.22 万m3，计算值为0.19 万m3，偏差17.33%；2017 年7—9 月主槽内实测淤积量为0.16 万m3，计算值为0.14 万m3，偏差13.78%。冲淤沿程分布趋势总体一致，说明沿程冲淤规律基本相同，2 个时段的冲淤量实测值和计算值也较接近，偏差在±20%以内，符合《水运工程模拟试验技术规范》（JTJ/T 231—2021）的要求。

3 整治方案研究

针对新开河滩群碍航成因、滩点关联性、滩性特征及河段水沙动力条件，可将新开河滩群自上而下归纳为两个具有明显特征的航段，即：横梁子至背时滩段表现为“急-弯-险”特征，背时滩至令牌石滩段表现为“弯-弯-浅”特征。结合该滩群历史整治方案，在分析治理经验基础上，采用疏浚和整治相结合的手段，一方面依靠疏浚等措施增深航槽，同时对大流速陡比降区域实施航道拓宽；另一方面采用整治建筑物调顺水流流路，消除不良流态，同时增强浅段水沙动力，维持挖槽区稳定。

岷江下游龙溪口枢纽至宜宾合江门河段按照内河Ⅲ-（3）级航道标准进行整治，航道尺度为2.4 m×60 m×500 m（水深×直线段宽度×弯曲半径），设计代表船型为1 000 t 级机动驳及2×1 000 t 级分节驳，设计最小通航流量为900 m3/s，上水通航标准：水面比降0.5‰、1‰、2‰、3‰、4‰时对应的流速分别为3.9、3.8、3.5、3.2、3.0 m/s[10]。

3.1 整治方案

基于以上整治思路和原则，提出两套方案。方案1 为老槽方案，即依托现有深槽规划航线（图7）。该方案在新开河滩滩口左岸布置2 座丁坝，引导水流进入规划航槽；对新开河滩中下段原水毁顺坝实施修复；在背时滩右岸马鞭坝碛首修筑1 座顺坝以导顺水流，并防止马鞭坝头部受水流顶冲后继续崩退，在该滩凹岸处布置1 处护滩工程，防止弯道环流淘刷左岸边滩；修复令牌石右岸原有顺坝；按设计水位以下2.8 m 浚深规划航槽内的浅区，同时切除新开河滩及背时滩航槽外凸咀和碍航浅点。

图7 新开河滩群方案1 及方案优化示意Fig. 7 Regulation scheme 1 and optimization scheme of Xinkaihe serial rapids

方案2 为新开槽方案（图8），即在新开河滩左岸碛坝处开辟1 条新航槽，并在碛坝碛首布置2 座丁坝及1 座丁顺坝用以引导水流进入新开槽；在背时滩右岸马鞭坝碛首布置1 座勾头丁坝调整水流过渡至背时滩，并在该滩凹岸处布置1 处护滩工程，保护左岸边滩；修复令牌石右岸原有顺坝；按设计水位以下2.8 m 浚深规划航槽内的浅区。

物模[10]和数模对比分析发现，方案2 实施后总体效果欠佳，新开槽槽口局部水面比降达到6.1‰，槽内流速在整治流量下基本达到4.0 m/s，且随流量增加，流速呈增加趋势，同时新开槽还存在稳定性问题。因此，在方案1 上进行优化。

3.2 急-弯-险滩群

横梁子至背时滩航段方案1 实施后，新开河滩右岸长顺坝效果明显，其水流流路与航槽曲率基本一致，消除了滩下口的滑梁水，基本解决了弯和险的问题，但新开河滩滩口的流急问题仍存在。在整治流量Q=2 250 m3/s 时最大流速、比降组合达3.72 m/s×3.02‰，超过船舶上滩限值。在背时滩卡口段亦存在流速接近3.5 m/s，比降达2.26‰的区域。针对上述问题，对背时滩右岸顺坝向岸侧移动40 m，大流速区基本消除。针对新开河滩滩口流急的问题，对急流段航槽实施拓宽，同时取消进口处2 座丁坝。由于背时滩右岸顺坝向岸侧移动后，上游水位进一步降低，且传递至新开河滩，导致滩口流急问题进一步加剧，因此在多次对新开河滩疏浚区及拓宽段开挖底高程和范围进行优化调整后，上段流急的问题得到解决。但优化方案实施后，水位降落传递至泥溪水尺处，致使该处航深不足，故在此处增加1 处疏浚。新开河滩滩口段物模结果[11]流速为3.20~3.50 m/s，最大比降为2.41‰，数模结果流速为2.86~3.35 m/s，最大比降为1.86‰；背时滩物模结果流速为2.80~3.02 m/s，数模结果流速为2.41~3.00 m/s，物模与数模结果基本一致。随着流量进一步增加，新开河滩群基本消滩，船舶可依托水深适宜的缓流区上行。

在定床阶段的优化方案上，开展了小水小沙、中水中沙及大水大沙等3 组典型水文年的水沙数学模型研究。整体表现为：整个滩群的原有采砂坑均有明显淤积，新开河滩挖槽区总体稳定性较好，但在新开河滩滩尾至背时滩段淤积较为明显，在中水中沙及大水大沙年2.4 m 等深线不连续。为进一步研究淤积原因，开展了汛期5 570、8 650 及15 000 m3/s 共3 组流量下的定床输沙试验（图9）。3 组工况下输沙路线差异较小，本文以Q=8 650 m3/s 工况下新开河滩群定床输沙路线为例，对比该级流量下输沙路线和水流流路。由于背时滩为上下两个河湾的过渡段，表现为输沙路线和汛期水流流路存在较大交角（图10），即在退水过程中只能依靠中枯水以下流量冲槽，因此相对而言冲刷历时缩短，泥沙淤积明显。

图9 新开河滩群优化方案定床输沙路线（Q=8 650 m3/s）Fig. 9 Fixed bed sediment transport of Xinkaihe serial rapids (Q=8 650 m3/s)

图10 新开河滩群工程前后定床输沙路线及优化方案流场（Q=8 650 m3/s）Fig. 10 Fixed bed sediment transport and flow field after the regulation project of Xinkaihe serial rapids (Q=8 650 m3/s)

3.3 弯-弯-浅滩群

背时滩至令牌石滩航段方案1 实施后，该段通航水流条件改善明显，但从航道内泥沙冲淤变化情况来看，在中水中沙及大水大沙年令牌石滩均存在约100 m 范围内2.4 m 等深线断开的情形，但相对天然情况下改善明显。一方面其右岸顺坝修建后浅段水沙动力增强，另一方面顺坝对马鞭坝滩面输移至航槽内的泥沙起到拦截作用。优化方案中调整了航线以避开该段淤积带，依托左侧冲刷带布置航线，减小航道日常维护工作（图11）。

图11 令牌石滩航线调整示意Fig. 11 Chart of route adjustment of Lingpaishi rapid

3.4 输沙率分析

对于山区河流复杂滩群的治理，一般需保证下游浅滩的输沙能力略大于上游浅滩[12]。本文采用沙莫夫推移质输沙率公式[13]并结合物模和数模资料计算整治流量下各段的推移质输沙率gb。

式中：U为水流平均流速（m/s）；为泥沙止动流速（m/s）；d为泥沙中值粒径（m）；h为水深（m）。

优化方案实施后，新开河滩疏浚区上段推移质输沙率0.104 5 kg/s，下段推移质输沙率0.106 3 kg/s；背时滩疏浚区推移质输沙率0.109 5 kg/s；令牌石疏浚区推移质输沙率0.236 4 kg/s。计算结果表明滩群下游浅滩输沙率基本大于上游浅滩输沙率，但背时滩段推移质输沙率与上游浅滩输沙率较为接近，且该段冲槽历时较短，更易发生淤积，这也与水沙数学模型计算的趋势较为一致。

4 结 语

山区河流“急、弯、险、浅”复杂滩群往往是该段航道的控制性工程，整治思路及原则上既要掌握组成该滩群的各滩险自身滩性特点、河床演变的关联性，又要统筹协调好滩群之间水沙动力特性。对于自上而下“急、弯、险、浅”的滩群治理，需遵循自下而上且有针对性的治理原则。对于下“浅”的问题，需采用整、疏相结合的手段，重点放在整治建筑物的位置及相关整治参数上；对于中“弯、险”的问题，需选择控制性节点并依托主导河岸采用整治建筑物调整水流流路，改善水流流态；对于上“急”问题，应重点拓宽航槽，增大过流面积，减缓流速，但同时需避免下游滩险的整治措施对上游的“急、险”有所恶化。此外，在综合考虑整个滩群输沙平衡的基础上，一般需保证下游滩险的输沙能力略大于上游滩险。