金沙江大雪滩群河床演变与滩险碍航特性

胡小庆

(长江重庆航运工程勘察设计院，重庆 401147)

为加快长江干线航道建设，2005年4月交通部提出了长江干线航道近期按“深下游、畅中游、延上游”的系统治理思路，其中云南水富至四川宜宾金沙江河段Ⅲ级航道建设工程是“延上游”的主要组成部分，进行航道整治是提高航道等级、实现“延上游”的有效措施.金沙江大雪滩群碍航严重，对长江干线航道“延上游”工程的水富至宜宾段起着控制作用.由于其紧临金沙江与岷江汇合口，下游受岷江水流顶托的影响，水沙运动规律十分复杂，加上近年来人类活动频繁，河床演变规律发生改变，滩险成因更为复杂，碍航因素更为多变，整治难度极大，进行系统的河床演变规律研究、滩险成因分析显得尤为重要.

通过收集滩段地形、水文及流速比降等资料，充分应用河工模型试验研究成果，采用航道整治、河流动力学、河床演变学等基础理论［1－3］，借用川江铜鼓滩［4－6］、风簸碛滩［7－8］和神背嘴滩［9－12］等类似滩险的成功经验，对大雪滩群河床演变规律和碍航特征进行系统分析，可为研究大雪滩群航道整治方法及类似滩群的治理提供有力参考.

1 河段概况

大雪滩群位于金沙江下游河口段，地处金沙江与岷江汇合口(宜宾)以上2～6km河段，河段整体河势较为顺直，但枯水流路蜿蜒曲折，呈现上宽下窄的平面特性(见图1)，以下分段进行描述.

过渡浅区河段(碛首滩):深泓最浅处的枯水水深不足2.7m，由于其上右岸为三官碛碛坝，深槽位于左侧，其下左岸为宽大的中坝卵石碛坝，深槽位于右侧，致使枯水流路从左到右水流衔接不顺，且河底纵坡达到38‰，枯水最窄处河宽约150m.

中坝至手扒岩河段(大雪滩):左岸为宽大的中坝卵石碛坝，最宽达270m，最长约550m，碛面高程259～260m，稍高于枯水水面.右岸为巫木嘴、手扒岩岩壁和大石包石盘突嘴，大石包伸入河心130m，水流方向长约130m，顶部最高达270.7m，高出枯水水面达12m以上.由于左侧中坝和右侧大石包交错伸入江心、相互挤压及突嘴顶冲，致使枯水流路弯曲，流向改变较大，局部深潭枯水水深达25m.枯水大石包突出端处最窄，河宽约120m，洪水河宽最大可达到580m.

大中坝至捞财坝河段(捞财坝滩):左岸为长直的大中坝卵石碛坝，碛坝长约1300m，宽约170m，碛面高程259～266m，且碛面分布众多礁石.右岸为捞财坝浅碛和灯杆石石梁，捞财坝256m等高线伸出河心较多，与大中坝共同挤压水流，使该河段枯水主要流路集中在左侧约150m的河宽内，加之该河段深泓较高，没有明显深槽，枯期岷江顶托作用较小时，流急坡陡.至灯杆石河段，深泓从左岸突转为右岸，且上下深槽略有交错，水流阻力较大.枯水灯杆石处最窄，河宽约190m，洪水河宽440～490m.

中坝大桥河段(小雪滩):左岸朝天棒等石梁，高程259～274 m，右岸青草坝礁石及石盘，高程260～270m，二者左右对峙，河面较窄.枯水中坝大桥河宽最窄，约170m;洪水河势顺直，河宽370～400m，沿程变化很小.深泓于大桥上游的右岸逐渐左移，至大桥断面靠近左岸，随后又渐右移至铁路桥处居中.

图1 大雪滩群河势Fig.1 River regime of Daxuetan shoals

综上所述，研究河段呈现典型山区河流的河谷特征，深泓高低不平，深槽与浅脊相间，河底纵坡局部陡急，突嘴、石梁、石盘众多，礁石随处可见.枯水河槽弯曲，河宽沿程变化频繁.碛坝宽大，其卵石组成较粗，抗冲性强.

2 水文特性分析

研究河段上游约56km设有屏山水文站;金沙江右岸一级支流横江于研究河段上游约25km汇入金沙江，并设有横江水文站;岷江于与金沙江汇合口上游6km设有高场水文站.这3个水文站对研究河段的水文条件形成了较为完整的控制.鉴于滩段地处河口段，分析其独特的汇流特性和水位流量关系是整治工程的首要任务.

2.1 金沙江、岷江汇流特性

设Q屏为金沙江屏山站流量;Q横为横江站流量;Q岷为岷江高场站流量;Q金为金沙江屏山站和横江站流量之和，Q金=Q屏+Q横;Q总为金沙江屏山站、横江站和岷江高场站流量之和，Q总=Q金+Q岷;R为金沙江汇流比，R=Q金/Q总.另定义Rp为频率汇流比，即汇流比R小于等于Rp的天数占统计总天数的百分数.

统计分析金沙江屏山水文站、横江水文站和岷江高场水文站1999—2008年10年日均流量资料(见图2).各种流量情况下，汇流比在 0.65～0.75时出现频率约 51.1%，在0.60～0.80时出现的频率达到 78.26%.不同的流量段，汇流比存在一定差异，如Q金≤1500m3/s时，汇流比0.60～0.70，0.55 ～0.75 时出现频率分别达到 69.31%和 92.05%，Q金＞15000m3/s时，汇流比 0.70 ～0.80，0.65 ～0.85 出现频率则分别为50.00%和88.24%.

图2 金沙江汇流比累计频率曲线Fig.2 Cumulative frequency curve of Jinsha River

通常情况下，航道整治工程选择原则为“不利”和“可能”.金沙江大多为急滩，汇流比较大，即流量偏大，则滩段流速大，对急滩而言则为“不利”;“可能”是实际有可能出现的汇流比，根据实际统计资料获得.研究金沙江大雪滩群代表流量，当Q金≤1500m3/s时，汇流比宜选用0.72左右，因为大于该汇流比出现的频率已不到5%，且0.72出现频率也比较大;当Q金＞15000m3/s时，汇流比宜选用0.80左右，因为该汇流比为该流量区段出现频率最多的汇流比;其他流量区段可参照选用相应值.

2.2 滩段水位流量关系

统计分析固4水尺2008年3—12月水位与金沙江和岷江流量关系(见图3)，固4水尺水位与金沙江流量的关系较为散乱，相关性较差，而与两江总流量的关系相对集中，相关性极强.因此，固4水尺水位与两江总流量具有良好的单一关系，显示了近河口段的独有特性，可作为大雪滩群水位流量关系的基本资料.

图3 固4水尺水位与金沙江和岷江流量的关系Fig.3 Relationships between water level at No.4 water ruler and flow discharge of Jinsha River and Minjiang River

3 滩段流速比降分析

3.1 平均比降分析

根据固3和固4水尺水位观测资料，分析了研究河段平均比降(固3与固4水尺间)随金沙江流量和汇流比的变化(见图4).由图4(a)可见，由于受岷江顶托等影响，水面比降与流量关系不单一，同一流量下比降变幅一般为0.2‰，枯期变幅可达0.4‰.但从整体上可看出，中、枯水期，比降随流量增大而减小，至Q=6000m3/s左右达到最小，而中洪水期则表现出随流量增大而增大的趋势，但增速缓慢.由图4(b)可见，总体上比降随汇流比的增大而增大，但关系仍不单一.经分析发现，比降随汇流比的变化明显反映在不同的流量区段，Q≤2500m3/s时的比降均位于上部，而Q＞2500m3/s时均位于下部，上部的趋势线斜率大于下部.这说明，小流量时随汇流比增大，比降增速较快，而大流量时随汇流比增大，比降增速较慢.

图4 水面比降随金沙江流量和汇流比的变化Fig.4 Slope of water surface with discharges and flow concentration ratio of Jinsha River

3.2 比降沿程变化

根据2008年4月、7月和8月水面线观测资料，分析了各级流量水位的沿程变化(见图5).从图5可见，洪、枯水水面形态有明显差异，洪水沿程水面线上凸，枯水则下凹.枯水出现两处的局部陡比降，特别是河心最为明显，洪水水面沿程变化相对较均匀.

枯水最大河心比降出现在碛首滩浅区，局部约2.06‰，邻近最大流速3.06m/s;其次出现在捞财坝段，局部比降1.69‰，邻近最大流速2.69 m/s.洪水期水面明显分为3段，第1段为三官碛至大石包，水面相对平缓，河心平均比降0.25‰;第2段为大石包至青草坝，水面相对较陡，7月9日实测河心平均比降0.58‰，随汇流比不同有所变化;第3段为青草坝以下，水面基本水平.

图5 各级流量水位沿程变化对比Fig.5 Water level with different flow discharges

3.3 流速沿程变化

根据2008年4月、7月和8月表面流速流向观测资料，分析了各级流量最大表面流速的沿程变化(见图6).可以看出，洪枯最大流速沿程变化差异较大，洪水流速均大于枯水流速.

枯水最大流速沿程分布存在2个高速区和3个低速区;碛首浅区到手扒岩流速最大，一般在3m/s左右，最大为3.06m/s;其次为捞财坝段，流速一般在2.6～2.8 m/s，最大2.83m/s;3个低速区为三官碛、大石包和铁路桥段，流速一般在1.2m/s左右.

洪水最大表面流速沿程可分为3段，三官碛至捞财坝段流速沿程变化不大，流速值居中，大多在3.5m/s;捞财坝至铁路桥段流速最大，一般在4～5m/s内，最大达到4.78 ～5.47m/s;铁路桥以下段流速迅速减小至2.2m/s左右.

图6 各级流量最大表面流速沿程变化Fig.6 Maximum surface velocity with different flow discharges

4 河床演变规律分析

4.1 多年河床演变分析

对比1966年、2003年和2008年水深地形图，40余年来研究河段因受城市建设等人为因素的影响，左侧岸线变化较大，但深泓平面整体上变化不大，边滩、深槽、浅脊等布置格局基本未变，其特点是:(1)左侧岸线大幅右移，右侧岸线基本固定;(2)深泓平面变化不大，上段深泓线高程变化较小，而下段明显冲刷;(3)中坝碛面普遍刷深，碛首冲刷小而碛尾冲刷大;(4)大中坝边滩的高程和形态基本稳定;(5)中坝碛首浅区、手扒岩弯段和捞财坝直槽段，其枯水河槽的形态、高程和宽度基本稳定.

4.2 年内河床演变分析

根据2008年3月、7月和8月水深地形图，分析了研究河段年内深泓平面、深泓纵向和横断面(见图7～9)变化.

从图7可见，自三官碛始，深泓平面有3处左右过渡，分别于碛首滩浅区、灯杆石和青草坝段.整体上看，深泓平面年内未出现大范围以及大幅度的变化.在中坝至手扒岩段深泓洪期有所左移，最大约50m(3—7月移动30m，7—8月移动20m)，但深泓移动是枯水深槽淤高，水深相对变浅形成，并非洪水主流另刷深河床而致;另在大中坝至捞财坝段约有15m右移，但主要体现在7—8月，而3—7月的深泓基本一致.

Fig.7 Changes of thalweg in plane图7 深泓平面变化

图8 深泓纵向变化Fig.8 Change of thalweg in longitudinal

从图8可见，滩段洪、枯期深泓浅脊、深槽的布置格局基本未变.三官碛至碛首滩、大石包至青草坝段深泓线上下交错、相互交织，冲淤变化不大，基本保持稳定.变化最大的为手扒岩深槽段，从碛首滩至大石包约850m河段内，洪期深泓有不同程度的淤高，大石包上游深潭内最大淤高达15.4 m;变化较大的为铁路桥窄深段，深泓出现明显冲刷，最大冲深8.1 m.

图9 横断面变化Fig.9 Changes in cross section

从图9可见，整体上冲淤变化主要体现在深槽内，而边滩、碛坝基本保持稳定.洪期在碛首滩浅区、捞财坝和中坝大桥段冲淤变化很小，三官碛段也仅在三官碛碛面存在约3m的冲刷.手扒岩沿岸深槽存在明显淤积，最大淤积达到20m，3—7月和7—8月各淤10m，淤积方式主要为平行抬升式，而中坝、大中坝滩面基本稳定.在天心窝和铁路桥段存在明显冲刷，最大冲深约9.2m，3—7月和7—8月冲刷幅度基本相同，冲刷方式主要为平行刷低式.另外，在大石包矶头处也存在2～8 m的局部冲刷.

总体看来，年内冲淤变化与水流条件密切相关，手扒岩沿岸深槽枯水期为主流区，而洪水期为回流和缓流区，主流趋直走中坝碛中，所以呈现洪淤枯冲的特点.天心窝和铁路桥段窄深，枯水水流缓慢，水面平缓，泥沙落淤，而洪水流速增大、比降变陡，冲刷河床，所以体现为洪冲枯淤的演变规律.其他如过渡段、边滩以及深泓平面等基本保持稳定，航道整治可根据这一特点分别选用适当的方法.

5 滩险成因及碍航特性分析

为全面分析滩险成因及碍航特性，利用1∶100河工模型进行了流量为1250，1720，2547，4875，8300和12400m3/s等11级特征流量的水流特性试验.依据试验资料分析，研究河段存在碍航的滩段主要有4处，即碛首滩、大雪滩、捞财坝滩和小雪滩.

5.1 碛 首 滩

碛首滩位于三官碛深槽与大雪滩深槽过渡段，受左侧中坝和右侧卵石突嘴限制，枯水河面狭窄，加之深泓高突，河床底坡陡、组成粗难以下切，致使水深浅、流速急、比降陡，为枯水卵石浅急滩.碍航特点具体表现在:(1)水浅:Q＜1720m3/s枯水期，3m水深线不贯通，不满足设计通航水深的要求.(2)坡陡流急(见图10):枯水比降最大达4.76‰，后逐渐减小，至Q=8300m3/s后稳定在0.8‰左右;流速呈现枯、洪水大，中水小的规律，枯水流速最大达4.17m/s，Q=4875m3/s时流速最小，然后又随流量增大而逐渐增大，至 25700m3/s时为 4.02m/s.Q=1250～2547m3/s的设计航线比降达3.04‰ ～4.76‰，流速达3.65 ～4.17m/s，远超消滩水力指标.

5.2 大 雪 滩

大雪滩紧接碛首滩，左岸宽大碛坝边滩和右岸大石包石盘相错突入河心，致使枯水航槽极为弯曲，枯期下行船舶出三官碛后，受阻于中坝边滩，调向右岸穿斜流浅区至巫木嘴，刚调顺航向又紧急调向避让大石包突嘴，稍有不慎即有触礁危险.加之碛首到深槽、深槽至大石包等处航线斜流旺盛，航域选择余地小，弯岸突嘴连连，流态紊乱，泡漩频发，航行十分危险.可见，大雪滩为弯急、水乱的弯险滩，碍航特点具体表现在:(1)弯急:该段枯水最小弯曲半径约260m，水流流路局部弯曲半径更小.(2)水乱:图11显示流速、比降满足水力指标要求，碍航的主要问题是存在横流、回流、泡水等不良流态.弯道枯水进口水流流向与设计航行交角达到20°～40°，航线附近横流速度最大可达2.0m/s.进、出口段在航槽两侧出现双向回流，回流强度达到1～2m/s.在大石包附近冲坑泡漩强烈.可以看出，该段流速出现枯、洪水大，中水小的规律，而比降则为枯水稍大，约1‰，然后逐渐减小至中水和洪水，稳定在0.2‰左右.

图10 碛首滩设计航线流速、比降随流量变化Fig.10 The velocity and slope changes in design waterway with flow discharge change at Qishoutan shoal

图11 大雪滩设计航线流速、比降随流量变化Fig.11 The velocity and slope changes in design waterway with flow discharge change at Daxuetan shoal

5.3 捞财坝滩

大雪滩绕过大石包后即为捞财坝滩.该滩左侧大中坝高边滩和右侧捞财坝浅碛突嘴相对突出河中，致使枯水航槽狭窄，过水断面过小，流速湍急;加之滩口枯水水面突然收缩，局部比降较大.可见，捞财坝滩为槽窄、坡陡、流急的枯水卵石急滩，碍航特点具体表现在:(1)槽直:通航水域较窄，枯水3m水深宽约70m，流速分布较均匀，无缓流区水域借用.(2)坡陡流急:Q＜2547m3/s的枯水期(见图12)，设计航线水面比降达到3.03‰～5.69‰，Q=4875m3/s时迅速降到1.19‰，然后中水期基本稳定在此比降附近，至洪水期比降小于 1.00‰;航线流速枯水期最大，为4.17～4.87m/s，至 Q=4875m3/s时降为3.65m/s，随后又逐渐增大至Q=12000m3/s时超过4.0m/s，大于此流量时流速基本在4.0～4.2m/s范围变化.捞财坝滩段已与小雪滩相接，用消滩水力指标判定，难以寻找明显的消滩流量，但是当Q=4875m3/s时，3m水深宽度已达到230m，左侧具有足够的缓流水域.所以，可认为Q=4875m3/s时甚至更小时已然消滩.

5.4 小 雪 滩

小雪滩碍航主要有两段:上段灯杆石段和青草坝段，左岸大中坝卵石、礁石边滩挤压河槽，洪水泄流不畅，形成超过2000m的高速河段，实测洪水最大流速沿程均超过4 m/s，右岸斜卧灯杆石石梁，突入河中约40m，与左岸大中坝相互对峙，致使河面更为狭窄，水流更为湍急，实测最大流速达4.49 m/s，比降约1.66‰.下段右岸青草坝礁石与左岸朝天棒等石梁相对，河宽相对更窄，致使中水期水流急，流态乱，实测最大流速达4.78 m/s，比降约1.00‰.由于滩段流速普遍较大，灯杆石和青草坝段更甚，稍缓区需避让碛坝、礁石，上水船舶难于寻找安全的缓流航线，下行船舶行于急流之间，上滩困难，下行危险.可见，小雪滩为流急的中洪水基岩急滩，碍航特点具体表现在:

图12 捞财坝滩设计航线流速、比降随流量变化Fig.12 The velocity and slope changes in design waterway with flow discharge change at Laocaibatan shoal

(1)滩长:在Q≥8300m3/s以后，灯杆石以下超过2000m的河段均为中、洪水高速段，主流带流速均超过4 m/s，局部超过5m/s(见图13).鉴于青草坝与朝天棒对峙以及礁石等原因，中坝大桥以下航宽相对较窄，且主流偏向于左侧习惯上水航线，船舶上行借用缓流水域的余地不大.

(2)流急:航线流速从Q=2547m3/s的2.47m/s开始直线上升(见图13)，Q=8300m3/s时达到4.20m/s，到Q=12400m3/s时流速超过5m/s.水面比降一般在2‰以下，变化规律为从枯水到洪水缓慢上升.

通过对以上4个滩段的分析可见，大雪滩群水流条件复杂、碍航原因多样，集卵石滩、基岩滩，洪、中、枯水滩，坡陡型、流急型以及坡陡流急型滩，突嘴滩、峡谷滩，浅、弯、急、险滩等于一体，包含了山区河流大多碍航特点，在山区河流碍航滩群中具有极强的代表性.

图13 小雪滩设计航线流速、比降随流量变化Fig.13 The velocity and slope change in design waterway with flow discharge change at Xiaoxuetan shoal

6 结语

大雪滩群河段因受城市建设等人为因素的影响，数十年来左侧岸线变化较大，但深泓平面整体上变化不大，边滩、深槽、浅脊等布置格局基本未变.年内深泓平面摆动较小，冲淤变化主要出现在深沱内.

大雪滩群由碛首滩、大雪滩、捞财坝滩和小雪滩等4个滩险组成，集浅、弯、急、险于一体.碛首滩为坡陡、流急、水浅的枯水卵石浅急滩;大雪滩为弯急、水乱的弯险滩;捞财坝滩为槽窄、坡陡、流急的枯水卵石急滩;小雪滩主要为流急的中洪水基岩急滩.

大雪滩群上段碛首滩、大雪滩和捞财坝滩枯水期碍航，整治措施主要是沿枯水河势，疏浚碛翅并辅以整治建筑物，即利用原有航槽方案和沿中洪水河势，碛坝开槽并辅以整治建筑物，即新开航槽方案两类，以解决航道尺度为主，为下阶段整治方案研究的重点;下段小雪滩中、洪水期碍航，受地形条件限制，彻底治理难度较大，整治措施主要是疏炸捞财坝浅碛和灯杆石石梁，以改善流态为主，适当加大通航流量.

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