乌江狮子口滩群河段航道演变与整治

赵 健，刘兆存，张晓明，傅 华，赵世强

(重庆交通大学水利水运工程重点实验室，重庆400016)

为实现重庆航运发展规划，决定对乌江白马—涪陵河段进行开发和整治。乌江河床狭窄，滩险密布，小半径、大比降、高流速、恶劣流态是其航道的基本特点。白马—涪陵河段既处于三峡水库回水变动区，上游又紧邻大型电航工程，使该河段不仅受到下游较大的水位变幅，同时上游受到电站日调节非恒定流的影响，对于此类河道特性，国内外研究较少［1－5］。笔者重点探讨该河段狮子口滩险的演变与整治过程。从水沙运动、河段演变的角度阐述其碍航机理，总结山区河流在弯曲航道段复杂滩群碍航整治时应遵循的一般原则。

笔者在本文中，首先介绍整治河段的自然地理概况，然后应用已有的河流动力学理论分析河段的水沙运动特性，兼顾河段共性与个性的统一，为寻找针对性的整治方案提供基础。在分析多组物理模型试验结果的水沙运行特点后，将理论和工程实践相结合，试图归纳复杂滩群弯曲航道整治的共性。

1 河段的水沙特征

乌江是长江上游的重要支流，干流全长1 070 km，流域面积8.79万km2。乌江流域为降水补给河流，洪水主要由暴雨形成，暴雨集中在5—10月，年最大洪峰流量出现在6—7月，尤以6月下旬发生的机会最多，洪水陡涨陡落。武隆水文站资料表明，乌江多年平均流量1 600 m3/s，汛期6—10月平均为2 390 m3/s，最大流量21 000 m3/s，最小流量218 m3/s。乌江洪、枯水位最大变幅约36 m，水位最大日涨幅8.10 m，最大时涨幅0.98 m。乌江输沙量年内集中在5—10月，占全年输沙量的90%以上，第1次大洪水的输沙率可占年输沙率的30%以上，沙量最大月份与水量最大月份均为6月份。6月份输沙率占全年输沙率的30%，输沙率年际之间的变化较年径流变化大。多年平均含沙量为0.633 kg/m3;多年平均输沙率为1 120 kg/s。

白马—涪陵段为乌江的下游河段，该河段内峡谷总长约30 km，占该河段总长的2/3。河道平均比降0.374‰，枯水期局部最大比降12‰，最大流速4.5 m/s，河面最窄处仅55 m，最宽处320 m，最小弯曲半径90 m。峡谷上、下游河道宽浅，水流分散，平面形态宽窄相间，两岸多有溪沟汇入，溪口泥沙淤积，挤占主河道，形成急流险滩，该河段内有大小滩险43处，平均1.05 km有一滩，碍航严重的滩险16处。研究河段位于涪陵境内乌江河口段，范围上起大溪河口下游(距河口里程32 km)，下至网背沱(距河口里程22 km)，长约10 km。该河段平面呈90°的弯道，弯道顶点在冉家沱，弯道上下游则较顺直。河段两岸为平缓台地，有岩层裸露，边滩交错，航道弯、窄、浅、险兼具，是白马以下航道中滩险最复杂、碍航最严重、整治难度最大的滩段。该河段滩险主要有郭母子滩，紧邻下段有古眼碛、横梁子、瓦厂坝、冉家沱和狮子口(称为狮子口滩群)6个滩组成。

2 河床演变、滩险成因及碍航特点

2.1 天然情形下的本段河床演变及弯道浅滩演变的一般特性

狮子口滩群位于涪陵白涛镇，下距乌江河口25～27 km，自上而下由古眼碛、横梁子、瓦厂坝、冉家沱和狮子口等5滩组成。滩段总长2 km。河段两岸地势平缓，为两峡间开阔台地。滩段枯水期平均纵坡 1.4‰，平均流速 2.8 m/s，最大局部比降3.96‰，最大流速 4.1 m/s，江面宽 80 ～330 m，河床为沙卵石覆盖，沙卵石粒径d50=60 mm。本滩为枯水弯、窄、急险滩，为乌江下游重点碍航险滩。本滩段右岸为原涪陵区白涛镇所在地，三峡成库后，已在左岸陈家嘴复建新镇。816化肥厂化肥专用码头及大件码头位于狮子口滩下段右岸，下段凸岸为卵石滩，与冉家沱封弯顺坝对峙，枯水期河宽仅80 m。正在修建的白涛公路大桥位于古眼碛附近。乌江主流通过白涛公路大桥后，自左向右岸过渡，主流沿右岸扫湾而下，进入816化肥码头江段。狮子口河段为单行控制河段。

滩险演变具体情形为:该滩1968年以前，除冉家沱、狮子口两滩水急、困弯、航道弯曲(弯曲半径150 m)和古眼碛滩水深不足(枯水水深仅0.8～1 m)外，其余江段航道条件尚好，能满足船舶航行要求。自1968年起由于多种原因，河道逐渐变弯、窄、浅、水流急湍，航行条件恶化，据实测在前20年期间，本滩段航道发生了纵横演变。横向变形主要表现在边滩的变化。右岸:1967年前，古眼碛至冉家沱沙卵石边滩长1 470 m，平均宽120 m，靠岸边的中洪水漏浩长800 m，平均宽40 m，枯季浩底干涸，1989年时该边滩长650 m，平均宽90 m，滩顶高度下降约1 m左右，古眼碛至白涛沟口右岸边滩大部消失，仅剩下零星心滩或暗碛。左岸:横梁子沙卵石淤积并向江心展宽，航道更趋弯曲，狮子口下边滩向河心推移40 m，河宽由130 m缩窄为90 m。纵向变形表现为航道变深、变弯、变窄。在航道整治时，厘清本河段河道演变的共性与个性是寻找其有效治理的前提。

航道整治需要深入了解阻力、河流水沙输移规律及河床演变特性。由于狮子口滩群在平面上呈现近直角形的弯道，根据“大水趋中，小水坐弯”的河流特性，小水时易冲刷冉家沱右岸，而大水时冲刷部位向狮子口右岸转移，淤积部位在河道左岸。水位超高造成的螺旋运动的水流容易把泥沙挟带至更远的地方，在河流纵向上分布范围更广。枯水时，环流的作用主要是塑造临近断面的河床形态，对于局部的冲淤的影响相对更大。从滩险演变反演水沙的相互关系以及水流的运动特性可知，由于水位超高等因素造成的环流对狮子口滩群河道演化的影响不能忽视。从河流动力学方面来看，弯道的形态不仅在丰枯水时对挟沙能力、流路变幅和环流强弱的影响程度不同，由于和流速联系密切的糙率是流量和河道形态的函数，因而弯道河道的河床演变表现非均匀和非恒定的特性［6－7］。目前以物理模型试验结果并结合理论的定性预测以此反推的水沙运行特性比较可靠。

当河床形态和水沙条件达到一种动态平衡时，浅滩及其他各种类型的泥沙淤积体演变规律从微观层面上反映了河床形态与水流输沙状况之间的关系。国内外观测表明，过去存在浅滩的河段，在相当长时期内浅滩很少自行消失。河段的河床形态影响浅滩的产生位置与消亡。浅滩演变的影响因素主要是来水来沙和边界条件。狮子口滩群河床形态并不稳定，航道流态复杂，水流呈现螺旋形前进，来沙和河道边界耦合后，泥沙输移更趋复杂。弯道附近纵、横向泥沙运动同时存在，加上窄、浅的河道滩险，使得水沙和河道条件不匹配，引起河床变形。航道整治的最终目的是使碍航部位的泥沙输往不影响航运的部位(最好是输往深海或沉积在三角洲)。由于螺旋水流是漩涡运动造成的，而漩涡有很强的保持结构稳定的特性，这为人们抓住主要矛盾，创造条件以水输沙提供了可能，这首先需要分析由于冲淤引起的浅滩形态变化的特性。相对于洪冲枯淤型浅滩，洪淤枯冲型浅滩只是近来才引起更大的重视。本滩以洪淤枯冲为主，但两种特性兼具，主要与上游银盘水库调节和三峡运行方式以及来水条件有关。由于弯道发育并未停止，天然的边滩束水呈现杂乱特性，整治时宜采用水工建筑物，借鉴深槽河段特性，消除滩脊位置带来的不利影响。分析狮子口复杂滩群整治的影响因素时，笔者认为河道的水流动力轴线对整治有特别的意义，虽然不同时期的动力轴线位置不同，处于变化之中，采用水工建筑物使之接近于流线并使它们接近于互相平行，便于保持河床形态的稳定。

2.2 本河段滩险成因及山区弯曲航道碍航滩群整治的一般分析

本滩段滩险成因主要是4点:①狮子口滩群位于桐麻湾峡与小溪峡之间开阔河段，洪期江水携带泥沙出峡进入宽敞河段，流速变小，泥沙落淤沉积;②汛期长江高水位时，本滩受回水顶托影响，流速减缓;③狮子口弯曲河段右岸受扫湾水冲刷，弯曲段凸岸(左岸)边滩向河心位移，形成弯、窄、浅滩;④人为因素。20世纪60年代后期，816厂建设期间，于右岸边滩大量采掘沙卵石，挖至设计低水位以下0.2～0.5 m，大面积边滩荡然无存，造成水流散漫，水面降低，流速减缓，泥沙沉积，航槽水深不足，日趋窄、弯，这是本滩恶化的重要原因之一。当时由于航道维护资金缺乏，为维持通航，采取两岸筑顺坝束水攻沙、增加水深的权宜之计，虽然逐滩解决了水深不足的矛盾，但由于沙卵石逐滩下移和左岸原来的一些顺坝布局不合理，过分束窄河床，并在左岸某些原顺坝坝头产生淤积，狮子口下边滩扩大、增高，使狮子口航槽更趋弯窄，成为乌江下段严重碍航的滩段。厘清狮子口河段和天然山区河流滩险演变的关系，对寻找消除狮子口河段碍航措施有重要意义。

山区河流常因地质、地貌原因出现许多险滩，或因航道尺度不足表现为浅滩碍航，或因水流湍急表现为急滩碍航，或因流态恶劣而表现为险滩碍航等。其中，泡漩水的产生与水流的动力因素有关，水深是必要条件，地形是基本条件。扫湾水主要与河道弯曲半径有关。滑梁水的产生和河道底边界关系密切。河湾浅滩的水流特征是形成螺旋状向前推进的环流;在环流作用下弯道容易发生横向变形。本滩段虽无明显的泡漩水等流态态性，但复杂的地形是产生各种碍航水流的内因。对比国内以往山区河流，特别是川江航道整治的经验教训，发现本河段恶劣流态的产生和泡漩水与滑梁水的产生在机制和原理上没有区别，整治措施应从改善流态入手，利用水流结构加强输沙效果的同时，防止恶劣流态的出现，配合边界条件的作用，维持尽可能长时段的航槽稳定。

在通常的情况下，弯道凹岸是一系列的弧线组成，当这些弧线是流线的时候，水流会贴着凹岸流动，由于汛、枯期流量和含沙量的不同，水流会以螺旋流前进。由于水流有洪水取直的特性，因此，洪枯水时的中泓线并不重合，加上枯水有坐弯变横的趋势，会出现主流偏离深槽的状况，导致泥沙在槽内落淤。对山区河流，由于河道的抗冲性，当河弯发展受到限制，虽然不会发生“一弯变，弯弯变”的现象特征，但会引起含沙量以及水流旋涡在横断面的变化，实质是能量调整的一种方式。加上不同的来水来沙条件，发生冲淤现象。河道的平面形态与来水来沙条件和地质条件相适应，形成稳定的河型，能够满足航行方面的要求，主流线弯曲段往往是深槽所在位置。借鉴山区河流的整治经验，本滩段采用丁坝和疏浚等相结合的工程手段改变流场结构，效果等同于断面的开挖和回填。合理设计整治水工建筑物的布置，有利于加强形成的螺旋水流和维持局部的漩涡结果，提高整治效果的稳定时效，是本滩段有复杂边界和弯、浅、窄滩险整治的可行性方法。

2.3 三峡和银盘溪水库运行后对本河段滩势和碍航的影响分析

三峡工程的兴建将改变该河段在天然情况下的水沙条件，当三峡水库按175－145－155 m运行时，乌江回水里程分别为80 km，22 km和46 km，此时乌江河口至网背沱22 km河段为水库常年回水区，网背沱至中咀64 km河段为回水变动区，中咀以上为天然河道。三峡水库运行后，整治工程河段位于乌江回水变动区的下段，枯、中水期河道水位大幅度提高，流速迅速减小，对船舶航行条件有较大改善。在汛期该河段泥沙将淤落，由于汛末蓄水，走沙期缩短，淤积的泥沙不能完全被水流带走，河道将呈现累积性泥沙淤积，直到泥沙淤积平衡。根据变动回水区河道的淤积特点，泥沙淤滩落槽，河床将普遍抬高。根据已有研究成果知，三峡成库正常运行30年后，工程河段上游江段江心洲普遍淤高2～3 m，洲尾将向下游延伸，郭母子滩左汊逐渐淤塞，河道右汊深槽部位淤积较少。

银盘溪水库运行后，河段泥沙冲淤受上游径流与水库运行的双重影响，泥沙冲淤变化极为复杂。已有的经验表明，泥沙输移在横向分布上，总的情况是边滩淤得多、主槽淤得少，但在发生倒槽时原主槽将发生严重淤积。纵向上淤沙粒径的分布是上游粗、下游细，细颗粒主要淤在高滩上。水位变幅越大，冲刷量越大;变幅时间越长，冲刷量越大。航道整治以增强航道中低水位时的水流输沙能力为原则，延长束水攻沙的时间。

三峡和银盘溪水库的影响，使得本滩段的河道演变具有明显的非恒定、非均匀流的性质，泥沙输移相对于水流变化有滞后性。由于问题的复杂性，目前没有理论解，需要靠实验最终确定具体影响程度。

3 物理模型设计

3.1 物理模型设计思路与整治原则

由于研究河段具有天然河道和水库的双重特性，但库区水流特性历时较长，仅汛期河道基本为天然状态。根据河道目前现状，需要结合郭母子滩整治情况对下游狮子口滩群水沙运动、通航条件的影响，把郭母子、狮子口滩群的整治综合在一起考虑，并注意弯道水流的特性，进行狮子口滩群不同整治方案间的试验比较，优化整治措施。从航道整治角度分析弯道碍航滩群的演变规律，归纳山区河流此类滩群整治的特点。在平衡多方面的矛盾现实前提下，针对整治河段的滩险特性，整治原则如下:

1)因势利导，充分利用河道有利条件，综合考虑河势、河床特征及水沙运动规律，确定投资省、效果好的航道整治方案;

2)筑坝和炸礁相结合，合理布置疏浚挖槽和整治建筑物，充分发挥整治建筑物在三峡水库蓄水前和消落期束水导流和攻沙的作用;

3)综合考虑整治工程对上下游河段的影响，避免滩险整治后，其上、下游河段又出现新的碍航滩险。

因此，模型试验的目标主要是:

1)研究白涛河段狮子口等滩群整治前的成滩原因，根据初步整治方案进行全面试验并作出评价;

2)在全面分析初步方案优缺点的基础上，结合滩险特性及设计要求，拟定若干修改方案进行试验，优选出最佳整治方案;

3)在定床模型试验的基础上，进行推移质泥沙输移试验，进一步研究整治方案的可行性，然后提出优化方案。

3.2 整治研究试验方案

根据研究河段的河床特点、滩险情况、整治要求及整治河段特性等条件，模型采用正态水流定床模型和推移质定床输沙相结合的方式，结合模型沙选配、场地、供水条件，采用λL=λH=100的正态模型。模型各项比尺为10;λt==10;λn==2.15;λQ==100 000，根据实测资料计算，模型满足紊流和阻力平方区条件和张力限制等规范要求的条件。制模完成后，对模型几何相似、水面线和断面流速分布进行了验证，结果满足相关规范的相应要求。在完成模型水流条件相似验证和天然状态下各级流量水力要素试验观测后，即进行航道整治方案试验。由于本河段缺乏冲淤地形验证资料，无法进行严格的定量的泥沙试验，为定性观察试验河段整治后推移质泥沙运动状况和对航道的影响分析提供参考，在模型推荐整治方案的布置上进行了推移质定床输移试验。经过5组实验方案比较后发现，最终推荐方案实施后，具体布置见图1。郭母子滩右汊进口斜流强度减弱，航槽流速分布均匀;狮子口滩群水流归槽，航槽内流速增加，有利于保持航槽稳定;整个滩段比降减小，通航条件有明显改善。达到预定整治目标，满足通航要求。

图1 乌江郭母子—狮子口滩最终整治方案示意Fig.1 Accepted regulating scheme of Guomuzi－Shizikou Beachs，Wujiang River

3.3 实验结果及分析

最终推荐方案实施后，瓦厂坝—冉家沱一带弯道水流特征明显，由于弯道环流的作用，推移质泥沙在瓦厂坝尾断面明显偏离主航道，大量推移质泥沙向冉家沱左岸边滩运动。而冉家沱—狮子口一带新开航槽除槽左侧有少量泥沙落淤外，未见成片淤积泥沙。郭母子—狮子口滩群弯、浅、急、险兼具，本次整治在考虑上下游水库影响的条件下，将目前Ⅴ级航道等级提高至Ⅲ级，充分利用已有建筑物来布置航槽疏浚轴线和丁坝、顺坝等整治建筑物。推移质定床输移试验表明，工程后航槽能够维持稳定。根据该河段航道演变历史和滩险成因过程，试验表明，主航槽在未来相当长时段内能够维持整治目标的要求。

分析实验结果［8］可知:①狮子口滩航道整治模型经过几何相似性验证、水面线验证及流速分布验证，模型设计合理;②滩群的整治采用疏浚与筑坝相结合的治理方法是合理的。本次整治充分利用已有建筑物来布置航槽疏浚轴线和丁坝、顺坝等整治建筑物。推移质定床输移试验表明，除郭母子航道左侧滩唇开挖部分有少量泥沙落淤外，大部分泥沙都输移至下游，航槽内未见成片泥沙淤积，工程后航槽能够维持稳定。采用整治方案工程实施后，能够达到预定的要求;③根据我们分析的山区河流航道，尤其是弯道水流整治的一般原理，对于该河段的整治措施是适宜的，达到了预期效果。

3.4 实验结果的讨论

山区河流的整治，要针对不同河道具体分析，但实践表明，同一条河流，处于相同的外界影响条件下，在自身条件，如河床组成等，相似的情形下，河道演化形态也表现出统计意义上的自相似性。Chang［9］认为河流的动力平衡必须满足如下的3个条件:

1)输沙率沿程相等。

2)在满足约束的条件下单位河长内的水流功率最小。由于Q是已知，所以最小的γQJ意味着最小的河道比降J。

3)在满足约束的条件下水流功率损失或能耗沿程均匀分布。在满足给定的约束条件下，流量沿程不变的某一河段将按最小水流功率损失的方向调整其水力几何形态，以便达到平衡状态。

Yang［10］从能量观点提出的适用于砾石的无量纲单位水流功率的输沙公式为:

式中:Sg为沙的重量浓度;ω为泥沙的沉速;d为泥沙的粒径;u*为摩阻流速;v为断面平均流速;J为坡降;υ为运动黏性系数。

平均流速的泥沙起动准则是:

由此可见，泥沙起动与平均流速，切应力和水流功率密切相关，根据水力学理论可以知道，他们和阻力系数密切相关。根据Yang最新的研究结果表明，泥沙输移和平均流速以及流量的关系并不密切，和切应力以及水面比降的关系一般，而和水流功率关系密切，其中和单位水流功率关系最为密切。结合本实验结果，发现泥沙运动在水流现象上和涡运动关系密切。

在河流包括山区河流整治中常用的丁坝，对它的作用已经有较详细的研究，有专著出版并对它的作用有了进一步的了解。一般而言，坝头的冲刷造成下面河道地形的改变，反过来会影响水流的结构;另一方面，天然河道一般是弯曲型的，丁坝水流会和河道边界耦合，并和其他整治建筑物作用，形成复杂的流场，泥沙的输移往往有非恒定、非均匀的特性。在本实验中，设计具体丁坝时，还注意到了丁坝头附近水流的非恒定特性，从实验过程可知，丁坝作用和地形的开挖与填充的作用类似，都是改变边界对水流的影响。

理论和工程实践均表明，横向环流的流速虽然不是很大，但它引起的能量损失，不少时候和流向因为水流和泥沙的相互作用而造成的能量损失系一个数量级。在山区河流中，在满足给定的约束条件下，流量沿程不变的某一河段将按最小水流功率损失的方向调整其水力几何形态，以便达到平衡状态。

本滩段的碍航从能量观点来看，是河流水头在空间上分配形式和人们预期的不一致;从流场观点来看，是流速场的分布情形和优良航道要求的形式之间有偏离;从阻力观点来看，是消耗于挟带泥沙的比例和消耗于边界的比例与优良航道要求的不一致。由水流能量的级串过程可以知道，总的能量是由重力势能转化而来的，除了一部分由于黏性作用而转化为热能最终耗散掉外，其余部分只是在总量不变的前提下分配过程的不同。航道整治的过程是对河道施加影响使得水流向人们预定的目标转化，而预定的目标是根据已有的航道整治知识人为确定的。无论是国内广泛使用的基于优良航道或是基于动力平衡河流建立的整治目标，事实上河流有其自身的演化规律，这种规律通过随机性和确定性耦合的形式表现出来。基于水流功率的输沙公式(1)表明，在满足通航要求的前提下，河道可以发生淤积。泥沙淤积仅仅是水流能量在时空分配上带来的一种结果，对于洪冲枯淤型或洪淤枯冲型浅滩，浅滩的存亡是水流流场结构，亦即能量分配形式发生变化时的一个指标，类似流场能量的储存器和转换器。从这个意义上而言，浅滩的存在可以认为是与任何航道相伴的一部分。由于漩涡是河流流场的基本结构，泥沙输移和边界冲淤都是通过涡完成的，航道整治工程与非工程措施的目的，是创造出满足整治目标的涡结构并使其保持稳定的过程。另外，本滩段的水流仅仅在某一适当的时段可以用均匀流的结果经过修正近似代替，这要靠实验来确定结果的合理性，这是在模型设计中需要特别注意的。

4 结论

从水沙运动与河道演变的关系研究乌江狮子口滩群弯曲航道演变与碍航机理，首先针对要整治河道的具体特点和整治目标，综合采用工程和非工程的措施，在满足给定的约束条件下，改变水流能量在时空上的分配，使得流量沿程不变的河段按最小水流功率损失的方向调整其水力几何形态，以便达到平衡状态，最终使得以水冲沙的目的满足预定的设计目标，并能够维持相对长久的时间。经过多次物理模型试验，最终推荐的整治方案，能够满足预定的整治要求，理论上合理，工程效果较好，实际上可行，达到了预定的整治效果。

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