安康枢纽回水变动区重点碍航浅滩航道整治研究

2010-07-16张秀芹李一兵刘万利

水道港口 2010年3期

张波，张秀芹，李一兵，刘万利

（交通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）

汉江发源于陕西宁强县，流经汉中、安康，于白河进入湖北后，在武汉市汇入长江，全长1 567 km，其中陕西段长709 km。汉江是长江最大的一级支流，是陕西省最重要的通航河流，也是陕西省通江达海、沟通东部地区的唯一水上通道。汉江安康—汉口是长江水运主通道之一，汉江梯级规划为7级，即黄金峡、石泉、喜河、安康、旬阳、蜀河、白河七级枢纽，其中安康、石泉2座枢纽已建成。

石泉枢纽运用后，下游河道受调峰影响，水位陡涨陡落，碍航情况严重。其中的安康水库回水变动区段的漩涡镇—汉王城成为主要碍航河段［1］。

1 河段概况

1.1 河道概况与滩险自然特性

漩涡镇—汉王城之间为回水变动区，区间长11 km；汉王城以下至安康大坝的108 km河段为常年回水段，当安康水库的坝前水位降至310 m时，回水变动段恢复到天然河流状态。

回水变动段地处汉江上游的山区地段，平面上呈现峡谷与开阔地段相间的特征，峡谷段两岸多为石质悬崖，河床狭窄；而开阔段多为坚质黄土，岸坡相对平缓，部分河段岸坡为垃圾与废渣土堆成。河段内共有6个滩险段，分别为柏果滩、雁子石滩、雁子滩、桐桐滩、桐桐湾滩、汉王城滩。各滩组成不一。

回水变动段的通航水流条件既受上游石泉电站日调节影响，又受下游安康电站水库调度的影响；水流特点既有山区河流滩险特性，又有库区河道的特点。当河道受安康枢纽回水影响时，河道滩险被淹没，水流平缓，水面开阔，具有库区航道特点；而当水库不受安康枢纽调节影响时，河道变窄，比降和流速加大，低水位时滩险出露，航槽多变，水深严重不足，部分浅滩段流速比降过大，滩险流速一般在1.5～3.0 m/s，以柏果滩、雁子滩和雁子石滩最为严重，属于亟待整治的重点滩险。

1.2 水文泥沙特征

建库前的河道呈现典型的山区河道的特征，流量变幅大，大小流量相差几百倍。相应的水位呈现暴涨暴落的特点，最高和最低水位相差约20.0 m。流量年内分配很不均匀，每年的6～10月为汛期，来水量约占全年的70%，而枯水期（12月至次年3月）仅约占全年的10%。

汉江的泥沙主要来自支流，多年的输沙量从上游到下游逐渐增大，安康站的输沙量比石泉站多2倍以上，来沙量主要集中在几次洪峰过程中，汛期的沙量占到了全年的70%～80%，而枯水期含沙量很小。建库后，石泉站的多年平均含沙量基本没有变化，而安康站则明显减小。

1.3 建库后同流量下水位下降

石泉水库于1975年1月正式蓄水运用，水库下泄清水，导致坝下游河段产生长距离的冲刷，水位下降，水库运用后，在设计流量下，至1998年石泉站水位下降约0.7 m，其中建库后的10 a（1974～1983年）间下降幅度较大，约降落0.45 m，而后的16 a间下降了0.25 m。水位降落不仅体现在枯水期，在中洪水流量下，水位也产生了明显的下降。

2 滩险碍航特点及成因

2.1 柏果滩

该滩位于本河段的上段，属于一级滩险，上距漩涡镇3 km，下距汉王城8 km。河床组成为沙卵石浅滩，浅滩段长度约2 000 m，平均比降0.3‰，曲率半径200 m，有效航宽10 m，洪枯水时期水面宽度分别为220 m、90 m。河中有一江心洲，中枯水时期形成左右两汊。左汊为主航道，枯水阶段水浅流急，转弯半径过小，航行条件差；右汊枯水期断流，中洪水才开始过流，但槽内河床高程较高，水深仍然难以达到通航要求，只有到洪水阶段，船舶才可以自由航行。

河道中部左岸岸线突然收缩，使得中洪水时期其上游左岸的水流明显小于主槽流速，并伴有一个回流区域，造成左岸大量泥沙沉积，形成了一个较大的边滩；由于该岸紧靠山体，岸边组成坚硬，成为一个控制节点，在中洪水时期，迫使水流逼向右岸，受微弯河道的环流作用，把泥沙带到河对岸，这也就形成了河中的江心洲和右岸的边滩；其次，河段下游处有一条较大的溪沟从右岸汇入汉江，洪水时期受溪沟水流的壅水顶托影响，本浅滩段水流流速降低，也容易形成大量的泥沙淤积而在宽阔地带形成洲滩（图1）。

图1 柏果滩河势Fig.1 River regime of Baiguo shoal reach

2.2 雁子滩与雁子石滩

雁子滩位于柏果滩下游1.3 km处，属于二级滩险，滩段长约1.5 km。进口段主流靠近河道右岸，下游出口段主流逐渐过渡到河道的左岸，在过渡段的河道中间有一个砾卵石堆积而成的凸洲，高程超过315 m，枯水时期突出于河床，中洪水时期被淹没。主流从右岸过渡到左岸时，弯曲半径为200 m（图2）。

在雁子滩段下游出口处有几个礁石滩横立于河槽中部偏左岸一带，为雁子石滩段，主流靠近右岸，为主航道。在中枯水期，本滩段由于相对地形偏高，加之卵石滩凸洲和礁石滩横立于主河槽中间，过水面积突然减小，形成了水浅流急的现象，对汉江上的中小船型的航行造成极大威胁。

3 模型范围及比尺

研究范围自柏果滩上游进口至雁子石滩出口平顺段，原型河道长约4 km，宽为200～300 m。物理模型比尺分别为水平水尺 1∶70，垂直比尺 1∶30，糙率比尺 1 ∶154，流量比尺 1 ∶11 502，流速比尺 1∶5.48［2-3］。

图2 雁子滩—雁子石滩段河势Fig.2 River regime of Yanzi shoal to Yanzishi shoal reach

4 工程前碍航与水流特性试验

4.1 浅滩航道水深观测

在设计流量下，柏果滩水深很小，航槽内最小水深只有0.47 m。即使是在整治流量下，水深情况也不容乐观［4］。在流量为249 m3/s和392 m3/s时，1.2 m等深线才能够贯通。

雁子滩不存在水深不足的情况，在任何流量级下水深均大于1.2 m，弯曲半径为200 m，满足Ⅵ级航道尺度要求（水深×宽度×弯曲半径＝1.2 m×22 m×180 m）。雁子石滩则存在水深严重不足的问题，设计流量下，雁子石滩出浅段在C.S.58～C.S.62（模型断面，下同），航槽内最小水深只有0.28 m（C.S.59处）。从河道地形看，C.S.58犹如一道天然潜坝，是雁子石滩的控制断面。

4.2 滩段水流条件观测

设计流量下，柏果滩段局部最大水面比降为3.04‰，出现在C.S.17～C.S.18（长度约50 m），随着流量的加大，比降逐渐减小。柏果滩最大流速出现在C.S.18处，设计流量下流速值为2.1 m/s，整治流量下流速值为2.3 m/s。

设计流量下，雁子石滩段局部最大水面比降达到15.7‰，出现在C.S.59～C.S.60（长度约50 m）。雁子石滩最大流速出现在C.S.59处，设计流量下流速值为2.4 m/s，整治流量下流速值为2.3 m/s。

5 回水变动区航道整治原则

一般将回水变动段划分为2类，一类不存在幅度较大的泥沙冲淤的回水变动段；另一类存在幅度较大的泥沙冲淤变化的回水变动段。对于泥沙冲淤变化比较大的回水变动段，还可以进一步细分为2种，一种是水库已长期运行多年，回水变动段的河床形态已基本适应变化后水沙条件，即回水变动段河床泥沙冲淤年内已趋平衡；另一种是水库运行时间不长，回水变动段河床为适应新的水沙条件而正处于重建被破坏的平衡状态之中，一般表现为累积性的泥沙淤积［5］。

安康回水变动区河段，其各个滩险段虽呈现不同的碍航特征，但都是枯水碍航。从表象看，该滩段既受安康枢纽回水变动影响，又受石泉下泄流量过程的影响，但从多年河床地形变化特点看，该回水变动区河段可视为清水回水变动段。从这一特点出发，本河段在采取整治工程措施时，遵循以下主要原则：（1）回水变动段的上段主要以修建整治建筑物为主，必要时辅以疏浚或挖槽。（2）宽浅河段或沙卵石河段的浅滩主要采取整治建筑物来缩窄河床过水面积，提高水库消落期或者自然河流退水期的流速，延长退水历时，通过冲刷河槽来达到增加航深的目的。（3）对于基岩河段的浅滩或急流险滩，主要通过挖槽或者爆破手段，来增加航深或者调整比降流速等通航水流条件参数，以满足通航要求。

6 航道整治工程方案试验

6.1 整治原则与目标

本河段碍航原因主要是枯水期浅滩处水深不足、比降过大，因此确定整治原则为中枯水整治，在增加水深的同时，减小滩段局部比降［6］。

通过整治，使本河段航道达到Ⅵ级航道尺度标准（水深×宽度×弯曲半径＝1.2 m×22 m×180 m），航道内表面流速小于3.0 m/s，水面比降小于3.0‰。

6.2 整治参数

由于本河段浅滩碍航的主要原因不是回水变动段的累积性淤积，而是受上游石泉电站下泄水沙和下游安康电站水位调节双重影响，表现为小幅冲淤动平衡状态，和天然河流的沙卵石浅滩的冲淤规律类同，不同的是天然河流沙卵石浅滩的冲淤变化动平衡多在年内进行，而安康回水变动区则往往可能发生在年际，或者说更近似于水文过程的周期性变化而引起的河床冲淤变形的长周期性动平衡变化。因此，就安康水库回水变动段而言，仍可借用天然河流推求整治线宽度和整治流量的计算方法进行推求。

根据《安康水库回水变动区河段自然特性与通航条件分析报告》［6］提供的数据，柏果滩整治参数初定为设计流量74 m3/s，整治流量150 m3/s，整治水位316.62～317.09 m，整治线宽度80 m。雁子滩和雁子石滩整治参数初定为整治流量150 m3/s，整治水位315.596～316.21m，整治线宽度80 m。

6.3 方案1

由于水流由右岸过渡到左岸时，过渡段河底高程过高，导致柏果滩水深不足，比降过大，在设计流量下柏果滩的比降达到3‰。须通过整治工程增加水深，减小水面比降。该滩碍航位置主要在C.S.15～C.S.20。挖槽以C.S.20设计水位下1.4 m的高程点为基点，向上游按照1.8‰的底坡挖槽，槽宽22 m。在设计流量下，工程前，柏果滩最大比降为3.04‰，超过3‰；工程后，比降均有所减小，水位也有所下降，航槽内流速有所增大。

雁子石滩水深较浅，同时由于C.S.58～C.S.60的比降很大，超过12‰，在设计流量下根本无法通航。挖槽以C.S.62设计水位下1.4 m的高程点为基点，向上游按照5‰的底坡降挖槽，槽宽22 m。雁子石滩天然状态下如同潜坝，是上游水位的控制点，对下游而言是跌坎；水深严重不足，比降大；工程后，水深增加，比降减小很多，水位也随之有所下降，航槽内流速有所增大。

该方案实施后，在设计流量下，工程前其他河段航槽内水深一般较深，工程后水位虽有所下降，但仍满足1.2 m航深要求；流速略有增加，但一般不超过2 m/s，比降也在0.5‰以下。

总的来说，工程实施后，柏果滩的通航条件得以改善，工程前C.S.14～C.S.21河段航深不足1.2 m，工程后达到了1.2 m的设计标准，C.S.14～C.S.17虽然仍未达到1.2 m航深要求，但较工程前的航深有所增加，工程前柏果滩局部位置比降超过3‰，工程后该滩段所有比降均在2.3‰以下，工程后各级流量下流速也都在2.4 m/s以下；雁子石滩的通航条件得以改善，原来C.S.58～C.S.62航深都不满足1.2 m，工程后只有C.S.58～C.S.60航深未达到1.2 m，流速由原来最大2.4 m/s增加到3 m/s左右，比降下降到6‰左右，工程后的流速和比降还很大，需进一步研究解决；工程后其余河段的航深、流速和比降均满足要求。

6.4 方案2

针对方案1实施后部分位置航深仍不够的问题，柏果滩方案2以C.S.20工程前设计水位下1.4 m的高程点为基点，向上游按照1.5‰的底坡挖槽，槽宽22 m。该方案的试验结果表明：（1）方案2工程实施后，设计流量（Q=74 m3/s）下，柏果滩水位与工程前相比下降了0.17～0.39 m，与方案1实施后的水位相近，由于方案2的挖槽底坡降比方案1略小，方案2航深大于方案1，能够满足1.2 m航深要求。随着流量的加大，航深也越深。（2）方案2工程实施后，流速有所增大，与方案1的流速相近。设计流量下很少超过2 m/s；整治流量下最大流速出现在C.S.18航槽内，为2.4 m/s；Q=249 m3/s和Q=392 m3/s时，最大流速同样出现在C.S.18航槽内，各级流量下流速均小于3 m/s要求。（3）工程实施后，最大比降为2.2‰，小于3‰，满足要求。

针对方案1实施后部分位置航深仍不够、流速增大及比降大的问题，雁子石滩方案2以C.S.62方案前设计水位下1.4 m的高程点为基点，向上游按照3‰的底坡挖槽，槽宽22 m。方案2的试验结果表明：（1）雁子石滩的航槽水深均达到1.2 m的航深要求；（2）航槽流速均在2.2 m/s以下，流速满足要求；（3）工程实施后，C.S.57～C.S.58的比降为3.2‰，略大于3‰，需进一步研究解决。

总的来说，工程实施后，柏果滩航槽内的水深均达到1.2 m航深要求，流速符合要求，比降降到3‰以内；工程实施后，雁子石滩航槽内的水深均达到1.2 m航深要求，流速符合要求，比降略大于3‰，需进一步研究以降低比降；其他位置均满足通航要求。

6.5 方案3

方案3针对方案2雁子石滩局部比降略大于3‰进行局部调整。在方案2的基础之上，将C.S.58～C.S.59挖槽宽度由22 m拓宽至30 m，为防止水位进一步下降，在航槽右侧开挖复式航槽。结果表明，除个别水尺水位稍有下降，其余水尺基本没有变化。也就是说方案3解决了方案2中C.S.57～C.S.59比降大的问题，使全河段都满足通航要求。