长江张家洲南港浅滩航道整治工程试验研究及整治效果分析

李文全 张 伟 邓晓丽 雷家利

(长江航道规划设计研究院,湖北 武汉 430011)

张家洲水道曾是长江下游枯水期碍航最突出的河段,该水道上起九江市锁江楼,下止八里江口,全长约 32km。江中张家洲将河道分为左右两汊,左汊习称北港,河道弯曲,平面形态呈弓背状;右汊习称南港,河道较顺直,航程比北港短约 6km。南港内有官洲和新洲上下交错而立,出现二级分汊,南港下段右岸有鄱阳湖入汇(图1),现行航道维护尺度4.0m×100.0m×1050.0m(水深 ×航宽 ×弯曲半径),保证率 98%,通航代表船队为2000t驳船组成的2～3万吨级船队。1989年以前,北港为枯水期主航道,南港由于枯水期水深严重不足作为中、洪水期主航道。1989年后,枯水期南港分流比增大,遂辟为全年通航的主航道。南港内存在上、下两处浅区,1998年长江大洪水之后,南港下浅区航道条件急剧恶化,严重影响航运事业和沿江工矿企业的发展。为了从根本上改善该河段的通航条件,必须首先对南港下浅区进行整治。

1 航道概况与碍航特征[1]

主航道南港内主要有上、下两处浅区。上浅区位于新港对开处,位置较稳定,出浅范围较短,碍航问题并不十分突出;下浅区位于官厂至鄱阳湖口之间长约 4km的过渡段上,枯水期河宽由 800m逐渐增大至1300m左右,河道平面形态呈喇叭状,沿程流速减小,输沙能力降低,主泓左右往复摆动,加上鄱阳湖出流影响,为下浅区的产生提供了条件,年内呈现“涨淤落冲”的演变规律。

下浅区枯水航道条件的好坏与浅区过渡段主流位置有关。当下浅区过渡段主流摆至左侧时,流路趋直,新洲右侧边滩冲刷,河道沿程展宽,水流分散,流速减小,浅区过渡段普遍淤积,枯水碍航严重,这种情况在1967～1982年间表现得较为明显,此时浅区一般位于过渡段下口,例如1978年2月(图2a),浅区下口 4m深航槽断开1000余米,几乎呈散乱型浅滩。20世纪末长江连年大洪水后,下浅区航道条件恶化的原因也在于此。

当新洲边滩发育,过渡段主流逐渐由官厂一带摆至右侧梅家洲尾部时,流路微弯,枯水航槽单一、稳定,碍航问题有所缓解。例如1997年11月(图2b),新洲边滩向右淤长,滩体宽大完整,而相对处于凸岸一侧的官洲尾部和梅家洲边滩也淤积增高,浅区过渡段滩槽高差明显增大,束水作用加强,水流相对集中,有利于汛后退水期浅区提前冲刷,加上鄱阳湖出口深泓右移,湖口出流对长江的顶托作用有所减弱,航道条件相对好转。这种情况曾出现于20世纪50年代末和1990～1997年间,此时即使出浅,浅区位置也仅限于下浅区上口,但上下深槽接近,呈现单一型浅滩,航道维护较易。

图1 张家洲水道形势

在过渡段主流位置左右摆动的过程中,浅区位于上、下口,4m深航槽两次断开,呈现复式型浅滩,这种情况曾出现于1983～1990年间,从1989年5月份测图中也可看到这种情况(图2c)。

从以上分析可以看出:当深泓左移,新洲边滩(下边滩)冲刷甚至消失,断面扩宽,水流顺直且分散,同时官洲边滩(上边滩)滩尾下移,滩面冲刷变低,水流漫滩,过渡槽流量减少,流速降低,航道出浅,且浅区长;当深泓右移,新洲边滩淤长,断面缩窄,同时,主流微弯,有利于航道输沙,浅区冲刷,水深改善,且浅区变短。因此,下浅区浅滩内在因素的恶化,使江面放宽、流量分散,是南港下段出浅的主要原因。1998年长江大洪水后,南港下浅区新洲边滩部分冲失,浅区上深槽贴近新洲边滩,下深槽紧靠梅家洲尾,呈现交错态势,航道条件恶化,1998年枯水期有长达 31d的航道维护水深不足4.0m,1999年枯水期碍航形势更加严峻。

2 航道整治方案模型试验研究

下浅区航道整治模型试验分为定床和动床两个阶段,在定床模型试验阶段,主要通过观测不同浅滩整治方案实施后水流条件的变化情况,初步分析判断航道整治效果,从中筛选出较好的方案,然后再在动床模型试验阶段进一步研究。

图2 南港下浅区航道形势

2.1 整治原则与整治参数的选择[2,3]

根据对本水道河道演变及碍航特性的认识,综合外部环境等因素考虑,选择南港作为全年主通航汊道加以整治,依据因势利导、低水整治的原则,针对南港下浅区出浅原因和特点,采取工程措施,使主流从左岸官厂一带逐渐过渡至梅家洲尾一带,将航槽规划成微弯形,束水攻沙,改善枯水通航条件。整治线宽度为 800m,整治水位为湖口航行基面上 4m(湖口航行基面为黄海高程4.20m),相应整治流量长江为11770m3/s。航道整治标准为 4.0m×100.0m×1050.0m,通航保证率为 98%。

2.2 整治方案模型试验研究

模型定床范围上起九江市锁江楼,下迄八里江口,全长约 32km,鄱阳湖出口河道长约2.5km。动床范围上起九江市锁江楼,下至八里江口上游5km两汊汇流处。由于本河段护岸后岸线已趋稳定,因此岸线为定床,仅黄海高程10m以下的河床及洲滩做成动床。模型平面比尺 λL=420,垂直比尺 λH=120,变率 η=3.5。模型沙选用重率 γs=1.05t/m3的苯乙烯二乙烯苯聚合物塑料沙[4]。

2.2.1 定床模型方案试验[5]

在定床模型试验研究阶段,提出了两大类 8个整治方案,整治思路是恢复航道条件较好时的航道走向与滩槽形势,提高汛后退水过程中水流冲刷能力,满足枯水通航条件。第1类方案工程布置为左岸新洲一带边滩上修建丁坝群工程,新洲夹尾建一道锁坝,促使主流右摆和新洲边滩的淤长;右岸官洲尾部至梅家洲建护滩带和丁坝,以利于稳定航槽和减弱江湖之间的相互影响。第2类方案为在第1类方案的基础上,加强对官洲尾部及梅家洲的守护力度。两类代表方案见图 3及表1、2。

表1 两类方案布置

在定床模型中,对上述各方案进行洪、中、枯水流量,试验结果表明,从新洲头部至新洲尾部,下浅区航槽内流态平顺,主流南移,流速普遍增大,在整治流量下,断面流速增大20%～50%,且流速沿程递增,说明整治工程对于提高下浅区汛后水流输沙能力有明显作用。整治工程对试验河段洪水位、近岸流速影响甚微,对鄱阳湖出口水位几乎不产生影响,不改变南北港分流现状,也不对上浅区产生不利影响。经比较并充分考虑整治方案实施的可能性,推荐方案1和方案5为动床模型深入研究方案。

图3 定床模型试验代表方案工程布置

表2 方案工程布置

2.2.2 动床模型方案试验[6-8]

动床模型试验初始地形为1999年 4月,试验水文过程为1999年 4月 ～2000年 3月,该年下浅区淤积最为严重。在模型验证相似的基础上,对定床模型试验阶段推荐的2个方案进行对比试验。试验结果表明,2个方案实施后,下浅区河床经过一个水文年的冲淤调整,至枯水期航行基面下4.2m航槽均能够上下贯通,最窄宽度达到200m,满足现阶段航道维护尺度。但方案1左岸上段丁坝群挑流作用较小,下段丁坝受力较大,使下段坝头冲刷坑较深,水流过渡段下移,在过渡段航槽中间出现沙埂。方案5工程布置与方案1差别不大,航道存在的问题与方案1基本相同,而官洲夹尾堵坝工程枯水期影响地方小轮行驶,与地方利益发生矛盾。因此,其后仅对方案1进行优化调整和试验研究。

通过对方案1左岸丁坝工程长度、方位、坝头高程、整治线宽度和有无新洲夹下段锁坝工程,以及对右岸丁坝和护滩带的反复调整试验研究,最终确定的下浅区航道整治施工设计方案如图 4所示。

图4 南港下浅区航道整治施工设计方案

该方案在下浅区三百洲附近增加1道丁坝,使汛后主流提前向右岸过渡,左岸共布置 6道丁坝,前4道丁坝主要起挑流作用,设计为下挑勾头丁坝,坝头高程为设计水位上 3m,后2道丁坝主要起固滩作用,坝头高程为设计水位上2m和1m。因丁坝已基本控制了新洲夹的发展,所以取消了新洲夹下段锁坝工程。下浅区右岸官洲右缘护岸长 970m,梅家洲尾部布置2道护滩带,加强对官洲及梅家洲边滩的守护。整治线宽度为750m。该方案在整治流量下,主流从老官厂以下开始平顺地向右过渡,经过一个最不利水文年(1999年)试验,过渡段内航行基面下4.2m航槽全程贯通,航宽超过200m,上下深槽衔接平顺,右岸边滩淤积,岸线稳定,且基本不对本河段防洪、南北两港分流比和鄱阳湖出流等产生影响,达到了下浅区航道整治目标。

3 航道整治效果分析

南港下浅区航道整治工程于2001～2003年实施,实践证明,航道整治工程是成功的,完全达到了预期的整治目标。

从2003年12月河道观测图(图5a)可以看出,工程实施后河床经过一个汛期的冲淤调整,下浅区基本消失,新洲夹和新洲边滩丁坝群间普遍淤积,主流右摆,航槽内流速加大,汛后浅区过渡段冲刷,航行基面下4.2m航槽上下贯通,航宽超过200m,航道变化情况与模型试验结果基本一致,达到了设计航道尺度。之后,由于三峡水库蓄水运用,来沙量减少,长江中下游河床普遍冲刷,南港下浅区航道条件进一步改善,从2005年 6月航道图(图5b)可以看出,下浅区航道水深达到5m,航宽超过200m,航槽稳定,水流平顺,直至目前,整治工程已运行了 6个水文年,一直保持着这种优良的航道形势,不仅满足现行航道维护尺度,而且也达到《长江干线航道发展规划》的近期航道建设标准。同时,整治工程对上浅区及对北港、鄱阳湖的出流条件等均无明显影响。

图5 南港下浅区整治后航道形势

南港下浅区航道整治的成功经验归结如下。

(1)因势利导是河道或航道整治应该遵循的重要基本原则,欲达到预期的整治效果,必须根据河床或浅滩演变规律,朝着有利于建设要求的方向、目标加以治导。特别是对于分汊河段、通航汊道的选择,应建立在对汊道和浅滩演变特征以及国民经济发展需求进行认真分析研究的基础上。张家洲水道整治,正是以此思想作指导,合理地选择南港作为全年通航的主航道,首先对枯水碍航最严重的下浅区加以整治。

(2)合理选择浅区整治线和整治参数。整治线的选择是另一个重要和复杂的问题,它决定了整治水位下航槽的基本走向和航道整治工程的投资与效益,甚至于关系到整治工程的成败。张家洲水道南港下浅区整治线,是在对浅区演变规律分析的基础上,针对浅区出浅的原因和特点,根据历史上枯水期曾经出现过的航道条件较好时期的主流流路,并考虑工程实施的可能性等因素来确定的,这是整治工程取得成功的关键。在整治线方位确定之后,至于整治线宽度、整治水位等参数问题,可参照类似河段航道整治成功的经验和计算分析结果做出初步选择,最终需通过模型试验研究来确定。

[1]谢鉴衡,丁君松,王运辉.河床演变及整治[M].北京:水利水电出版社,1990.

[2]黄召彪,等.长江下游张家洲南港航道整治工程工程可行性研究报告[R].武汉:长江航道规划设计研究院,2001.

[3]黄召彪,等.长江下游张家洲南港航道整治工程初步设计[R].武汉:长江航道规划设计研究院,2001.

[4]谢鉴衡.河流模拟[M].北京:水利水电出版社,1990.

[5]李文全,等.长江下游张家洲河段航道整治定床模型试验研究报告[R].武汉:长江航道规划设计研究院,2000.

[6]李文全,等.长江下游张家洲河段航道整治动床模型试验研究报告[R].武汉:长江航道规划设计研究院,2000.

[7]李文全,等.长江下游张家洲南港航道整治工程初步设计阶段动床模型试验研究报告[R].武汉:长江航道规划设计研究院,2001.

[8]李文全,等.长江下游张家洲南港航道整治工程施工图设计方案模型试验研究报告[R].武汉:长江航道规划设计研究院,2002.