长江中游界牌河段已建航道整治工程效果分析

刘万利，李旺生，朱玉德，张明进，余新明，陆 英

（1. 清华大学 水利水电工程系水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京100084；2.交通运输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；3. 长江航道局，武汉430010）

长江中游界牌河段航道整治工程于1994 年冬季正式施工，于2000 年枯季完工，该工程包括固滩导流、航道疏浚及丁坝工程。工程实施后，右岸边滩淤高、完整，过渡段缩窄，水流得以集中，使得枯水航深增加；左汊（新堤夹）分流比增加，河槽刷深。

需要指出的是，工程实施后，螺山边滩的下延趋势仍未停止，并导致过渡段水流小范围摆动。同时新淤洲头部鱼嘴工程由于临近主流而常年处于冲刷状态，其稳定状况令人担忧。此外，新堤夹分流比的增加，减少了右汊主航道的分流量，从而可能带来新的航道问题［1-6］。作为长江“黄金水道”上的第一个航道整治工程，其工程效果的分析和总结对于今后其他河段的整治具有十分重要的指导意义。

1 河段概况

1.1 研究河段基本概况

界牌河段位于武汉上游180 km，上起杨林山，下止石码头，全长38 km（图1），左岸为湖北省洪湖市，右岸为湖南省临湘市。该河段整治前为长江中游重点碍航浅滩之一，以河势不稳定著称，河段内还存在较大范围的堤防险工段、港口淤塞等方面问题。

本河段为顺直展宽分汊型河段，以谷花洲为界，上段顺直单一，下段分汊。进口为杨林山、龙头山节点控制，河宽仅1 100 m，以下逐步放宽至新堤一带，最大河宽达3 400 m，出口处河宽又缩窄为1 670 m。其中杨林山至螺山段呈藕节状，河段内两岸交替发育边滩，螺山附近主流摆动，多数年份居左。螺山至复粮洲河宽沿程变化不大，平均宽约2 200 m，通常沿左岸为深槽，右岸为边滩，即右边滩。下复粮洲以下河道逐渐展宽并出现江心洲（新淤洲、南门洲）分汊。一般情况下左汊（新堤夹）为支汊，右汊为主汊，两汊在石码头处汇合。在右边滩尾与新淤洲洲头之间，主流自左岸向右岸的过渡，称为过渡段。

1.2 工程简介

由于本河段顺直段过长，整治前界牌河段河势极不稳定，存在的主要问题是：在顺直段内产生犬牙交错边滩，受边滩下移的影响，过渡段主流易大幅度的下移上提，导致洲、滩极不稳定，航道容易出浅，维护困难；此外还存在因主流常年摆动，顶冲点不断变化，两岸堤防出现较长范围的险工段，防洪压力巨大，新堤夹内常年淤塞，洪湖港作业条件差等问题。因此，首先由交通部门提出的航道整治工程后来发展为交通、水利部门联合进行的综合治理工程。

界牌河段航道整治工程的研究起自1973 年，1989 年完成工可研报告，1993 年工可批复，1994 年完成初步设计并得以批复，1994 年冬季开工，2000 年正式通过了交通部的验收。实施完成了新淤洲洲头的一座鱼嘴、新淤洲和南门洲之间的一座锁坝、右岸边滩上的14 道丁坝、洪湖港进港航道疏浚工程等4 个工程区（图1）。

2 水文、泥沙特征

2.1 三峡水库蓄水运用前来水来沙

螺山水文站位于本河段内，根据螺山站1950～2002 年的资料统计，本河段多年平均流量为20 300 m3/s，历年最大流量为78 800 m3/s（1954 年8 月7 日），历年最小流量为4 060 m3/s（1963 年2 月5 日）；多年平均输沙量为4.13 亿t，最大输沙量为6.15 亿t（1981 年），最小输沙量为2.48 亿t（1994 年）；多年平均含沙量0.65 kg/ m3，最大含沙量5.66 kg/m3（1975 年8 月12 日），最小含沙量0.048 kg/ m3（1954 年2 月1 日）。

本河段来水来沙年内变化较大，汛期（5～10 月）水量占全年的73%～74%，输沙量占全年的85%～87%。最大流量及最大沙量均发生在7～8 月，最小流量、最小沙量则发生在1～2 月。年径流量主要集中在主汛期7～9月，约占全年的43.2%，而枯水期12～3 月则只占全年的13.6%；与径流量相比，输沙量更加集中，主汛期7～9月输沙量占全年的59.1%，而枯水期12～3 月则仅占全年的6.5%。

根据螺山站1998～2002 年资料统计，悬移质平均中值粒径为0.015 mm，在悬移质泥沙总量中，粒径d＞0.10 mm 的沙重占19%，粒径d＞0.07 mm 的沙重占27%左右。

2.2 三峡水库蓄水运用后来水来沙

据螺山站2003～2009 年资料统计，三峡水库蓄水运用以来，螺山站一直出现中小水沙年份，年均来水量较蓄水前减少约9%，来沙量减少75%，特别是2006 年来水量减少最多，达27%，来沙量减少86%。

三峡水库蓄水运用后，螺山站悬移质级配d50和粒径d＜0.016 mm 部分变化不大，但粒径d＞0.016 mm 的沙重分量增大，其中粒径d＞0.10 mm 的沙重占32%，粒径d＞0.07 mm 的沙量约占总沙重的38%。

由于三峡水库的蓄水运用，使下泄沙量锐减，虽然下游河段沿程含沙量有所恢复，但至螺山站总的来沙量仅是建库前的33.9%，粒径大于0.1 mm 的沙量仅为建库前的57.1%，粒径大于0.07 mm 的沙量约为建库前的47.9%，也就是说，床沙质仅为建库前的一半，远未恢复到建库前的水平。

2.3 泥沙级配

根据长江航道测量中心在2000 年1 月、7 月和10 月，2004 年9 月和12 月，2007 年2 月，2009 年2 月、11 月及2010 年1 月对本河段实测的悬移质和床沙级配资料分析，在三峡水库蓄水运用之前，实测悬移质最大粒径0.5 mm 以上，但粒径大于0.5 mm 的沙量甚微。各测流断面实测悬移质中值粒径在0.016～0.080 mm之间，河床质中值粒径大都在0.16～0.22 mm。悬移质和河床质d50均表现出汛期较细、非汛期略粗。

在三峡水库蓄水运用后，悬移质逐年变粗，至2010 年1 月，断面悬移质中值粒径出现大于0.18 mm 的情况，相应河床质也略有变粗，不少断面河床质中值粒径超过0.2 mm，说明三峡水库蓄水运用后，本河段发生了冲刷变化。

3 工程实施后滩性变化规律的进一步认识

3.1 工程实施前的演变特点

3.1.1 洲滩变化

界牌河段的顺直外形自20 世纪30 年代开始就保持不变，但河道内洲、滩变化频繁。其演变遵循顺直型河段的演变规律，主要以交错边滩平行下移为主要演变特征。

界牌河段的演变具有明显的周期性，对该河段多年的研究中，习惯上以河道左侧的螺山边滩为参照物，来界定演变的周期，每个周期可划分为3 个演变过程：螺山边滩开始下移—螺山边滩消亡—螺山边滩再度形成。从1960～1994 年界牌河段在这段时间内经历了2 个周期的演变。2 个周期的起止时间分别为1961～1974年、1974～1994 年。

3.1.2 汊道变化

工程实施前，界牌河段只在南门洲段具有稳定的分汊河型，多数年份右汊占优，航槽主要走右汊，左汊偶有发展（如1982 年1 月5 710 m3/s 对应左汊分流比达53.8%）；此后过渡段上提，左汊分流比迅速减小，1983年11 月7 540 m3/s 对应左汊分流比仅12%。遇特殊年份，1971 年枯季左汊还曾断流。

归纳2 个周期的演变特点，除了周期时间长短以及洲滩变形速率的差异，界牌河段在这2 个周期内的演变情况相似度较高，演变过程中洲滩变化以及航道条件具有以下几个共同的特点：

（1）周期内呈现出典型的交错边滩平行下移的演变特点。

（2）从历年的河势变化情况来看，深泓、主流也随着边滩的运移而大幅摆动，纵向摆动范围上起皇堤宫，下至南门洲头，幅度达13 km。

（3）当螺山附近主流位于左岸，过渡段位于上复粮洲至谷花洲一带时，各洲滩完整高大，过渡槽口单一，水流相对集中，航行条件较好，20 世纪80 年代末、90 年代初，过渡段深泓在这一位置维持了相对稳定。

3.2 工程实施后的演变特点

工程实施以后，虽然下段分汊的格局得到维持，过渡段的摆动范围得到一定的限制，但是，界牌河段新淤洲头部鱼嘴以上的顺直段特性没有改变，演变的主要特点仍表现为交错边滩平行下移，以及过渡段的频繁摆动。目前的演变处于从1994 年开始的第3 个演变周期之中。

3.2.1 洲滩格局变化

（1）螺山边滩。

1994 年螺山边滩在螺山以上生成以后，逐年下移，滩体规模逐年增加，滩面缓慢淤高，到2004 年边滩滩尾抵达新堤夹口门后，滩体中部受到水流切割形成窜沟，目前处于逐步发展之中。窜沟分螺山边滩为心滩与过渡段低滩，心滩近年来向右挤压，左槽冲刷发展，右槽处于萎缩之势，过渡段低滩头冲尾淤。

（2）右边滩。

伴随着螺山边滩的逐年下移，右边滩上冲下淤，这特点一直持续到2000 年汛后，此时右边滩滩尾宽度达到最大；随着螺山边滩的进一步下移，从2001 年开始，右边滩持续萎缩，至今过渡段区域的已建丁坝前沿已无滩。不过，随着儒溪边滩的逐年淤高长大，滩尾逐年下延，右槽进口又开始形成新的滩体。

由此可见，治理工程实施以后，鱼嘴以上河道内洲滩仍未得到有效控制，河段内的主流与深泓也随着交错边滩的平行下移，而频繁摆动。沿程的断面变化也反映了工程实施后，交错边滩下移的过程，边滩经过时，引起了相应一侧河槽的大冲大淤，滩槽格局仍不稳定。尤其是鱼嘴前沿，先是随着右边滩的尾部淤宽，主流走新堤夹，过渡段水深恶化，航路弃走过渡槽；随后螺山边滩下移堵塞新堤夹口门，右边滩尾部冲失，主流与深泓回到过渡段，其水深也逐渐好转。

3.2.2 汊道变化

新淤洲、南门洲将谷花洲以下河道分左右两汊。两汊的变化与上段边滩的下移以及进口主流的相应摆动关系密切，右边滩尾部淤宽造成了新堤夹的发展，而螺山边滩的下移又逐渐堵塞新堤夹进口，导致其近几年逐渐萎缩。

3.2.3 冲淤平面分布

从冲淤的平面分布来看，单一段的冲淤分布较好地反映了螺山边滩的下移过程，2004～2007 年，河道左侧的淤积部位主要集中在伍家墩至孙家墩，孙家墩以下明显冲刷，这与这一阶段新堤夹进口航槽宽深是对应的。2007～2009 年，螺山边滩下移至新堤夹口门后，连续2 a 淤积，但是2009～2010 年，滩面中下部不同程度的冲刷，尤其是贴过渡段的右缘，冲蚀明显。蓄水后，右边滩滩尾的冲刷主要集中在2004～2007 年之间，其后冲淤交替。

3.2.4 已建工程区域的变化

界牌河段航道整治工程自2000 年竣工以来，由于洲滩并未得到有效控制，滩槽格局不断调整，主流的频繁摆动，引起了已建整治工程建筑物不同程度的损坏，尤其是鱼嘴工程头部以及丁坝头部，2008 年以来长江航道局对部分整治建筑物局部进行了维修施工，才基本确保了已建建筑物的安全，维持了已建工程所取得的守护效果，总体整治功能的发挥目前并未受到影响。

考虑到锁坝已完成其整治功能，这里主要就新淤洲鱼嘴与右岸丁坝群破坏情况叙述如下：

（1）新淤洲鱼嘴。在界牌河段新堤夹冲刷发展及主流由左向右转化过程中，新淤洲鱼嘴工程区附近滩面受不良流态的作用淘刷严重，形成了大型水凼，严重威胁到洲头鱼嘴的安全，同时鱼嘴部分功能发生了转化，由防守型变为具有一定挑流作用的整治建筑物，鱼嘴工程头部流态紊乱，流速较大。经过近年来陆续实施的维修工程，目前中滩鱼嘴水凼内已护岸坡相对稳定，水凼面积扩大速度有所放缓。

（2）右岸丁坝群。界牌河段右岸侧共建有14 道丁坝（#2～#15），在右边滩冲刷下移的过程中，丁坝坝头的依次受损，个别坝体损坏较为严重。目前，大部分丁坝受到不同程度的破坏，具体表现为：#2～#5 丁坝受儒溪边滩下移掩护的影响，破坏情况相对较轻；而#6～#12 丁坝受心滩右移挤压和水流冲刷影响，丁坝坝头及坝身高滩（为护滩带结构）冲毁塌陷比较严重，如#8 丁坝；#13、#14、#15 丁坝受水流淘刷强烈，破坏也比较严重，窜沟段坝体均形成较大缺口，不过经过近年来的局部维修，坝体无明显破坏。

4 演变影响因素分析

（1）河道边界条件及平面形态决定了河段的总体演变特点。

河道两岸天然矶头、人工护岸的共同作用下，多年保持长顺直河型。在顺直外形下，交错边滩周期性的平行下移是本河段最为显著的演变特征。边滩的平行下移造成了主流、深泓发生相应的频繁摆动。流路的不稳定反过来又作用于洲滩，使得洲滩滩形多变，且易被水流切割，与河道内的其他滩体重新组合。

（2）来水来沙对本水道的演变影响较大。

从年际变化上看，几十年来界牌河段经历了不同水文年，河道交错边滩平行下移的周期变化规律一直保持不变，可见，河道平面形态是决定河道总体演变规律的根本因素，不同水文年水沙条件差异对其影响是促进或延缓该演变的主要因素，主要表现为以下几个方面：①大洪水有利于新堤夹的分流条件，在一定滩槽条件下将促进河道的演变进程。②来沙减少对本河段的影响较为明显。20 世纪80 年代以前，长江来沙量较大，河床变化剧烈、冲淤变幅较大，周期演变进程较快，2003 年三峡水库蓄水运用进一步减少了本河段的上游来沙，来沙的减少在一定程度上也起到了延缓演变周期的作用。③顺直河道洲滩演变与水流运动规律关系密切。从总体上看，历来界牌河段存在交错边滩平行下移的周期演变规律，相应地顺直河道内主流、深泓也频繁摆动，过渡段呈现一次或多次弯曲的过渡形式。④蓄水后不同水沙年份对洲滩演变的影响也存在差异。水量相对较大的年份，有利于促进心滩左槽的发展，也将加速心滩滩头冲刷、右槽的淤积，且将加大过渡段低滩的冲刷下移。水量相对较小年份，右槽进口又略有冲刷，左槽及过渡段低滩滩头仍在冲刷发展，但发展速度相对减缓。

（3）上游河势对本水道的演变影响较小。

界牌河段上游为道人矶至杨林岩河段，该段顺直分汊，杨林山以上段多年来主流靠右下行，走南阳洲右汊。该河段在下荆江裁弯至20 世纪80 年代初期，由于裁弯引起下荆江河道泥沙冲刷下移以及江湖水沙分配变化，其来沙量加大，造成该段发生淤积，其后上游来沙逐渐减少，又开始冲刷。近几十年来，虽然上游来水来沙对河道演变影响较大，但总体上河势格局是稳定的，仅局部洲滩有所变化。由于受杨林山、龙头山两侧矶头的节点控制作用，上游两汊分流小幅变化的情况下，节点以下主流变化不大，且经过龙头山至儒溪段的调整，进入下段水流条件基本没有变化。因此，上游河势对本河段的影响是有限的，且近期上游总体河势的稳定有利于本河段进口入流的稳定。

5 工程效果分析

5.1 工程效果

长江中游界牌河段航道整治工程对于航道的整治目标是：采用整治建筑物固定边滩和洲头，限制过渡段航槽的摆动范围，适当束窄过渡航槽，使枯季水流集中归槽，以利通航。要求设计水位下的航道尺度达到3.7 m×80 m×1 000 m。

工程从1994 年冬开工，1998 年竣工，至今已十多年，其间经历了1995、1996、1998、1999 年几次特大洪水的考验，整治建筑物总体上维持了稳定，对于界牌的航道建设来说，主要取得了以下几个方面的成效。

（1）中、洪水河势得到了初步控制。

界牌河段整治前，河势动荡，过渡段周期性上提下移，由此产生浅滩严重碍航，两岸大范围崩岸。20 世纪60 年代以来，界牌河段过渡段已出现3 个摆动周期。1961～1968 年为第一周期，下移位置在复粮洲，上提位置在皇堤宫至新洲脑一带，上下摆幅达8 km；1968～1982 年为第二周期，下移极限在南门洲头，上提极限与第一周期相同，摆幅达13 km。第三周期始于1982 年，1988 年以前，过渡段在新洲脑与谷花洲之间徘徊，以后恢复下移，到整治工程实施前的1994 年，过渡段已下移3 km，至下复粮洲附近，已接近第一周期的下限位置，按界牌河段的演变规律，整治前的河势已具备了突发性上提的条件，当时新淤洲头全线崩退，上游边滩中、上段出现多处窜沟，并有发展趋势，航道条件恶化，出现多个槽口，水流分散。

整治工程实施后，及时阻止了中、洪水河势的恶化趋势，表现为：

①鱼咀工程制止了新淤洲洲头的崩退，维持了谷花洲以下分汊格局的同时，阻止了过渡段继续下移；

②右岸丁坝工程守护了右边滩的一部分，一定程度上缩窄了谷花洲以上河道，主流横向摆动的空间得到一定的限制，防止了右边滩的切割，河道内低矮滩体密布的情形不再出现，复式、散乱等恶劣浅滩形态的出现也得到了遏制；

③护岸工程守护了受水流顶冲部位的岸壁，河道不再崩塌展宽，河道的两岸边界得以稳定。

因此，整治工程通过固滩护岸，基本控制了原先动荡的河势，堤岸、江心洲趋于稳定，保持了上段单一，下段分汊的基本河道格局。

（2）航道条件明显改善，航道尺度基本达到了设计标准。

整治前界牌河段素以航道条件恶劣，航槽多变而著称，每年需花费大量的人力、物力、财力进行维护。除采用常规调标、清障手段外，自20 世纪70 年代以来，每年需挖泥守槽。

由于左、右两岸均有堤防险工段，浅滩疏浚往往与当地堤防部门发生纠纷，甚至挖泥船被迫停止施工，航道无法正常维护。

整治工程实施后，界牌浅滩航道条件得到了明显改善，仅2002 年航槽中心水深与设计水深差0.2 m 外，其余年份均达到了3.7 m×80 m×1 000 m（水深×航宽×弯曲半径）的设计标准，与整治前相比，航道尺度得到了很大提高。

从航道的流速流态来看，2000 年1 月27 日，长江航道局组织了实船试验，数据表明，界牌河段整治后，航道尺度及流速、流态达到了设计标准。枯水季节航道能靠自然水深维护，结束了年年要疏浚、爆破的局面。从治理后近年的维护情况看，相对治理前其航道尺度和流速、流态都得到了较大改善。

5.2 存在的问题

工程方案经历了较长的研究过程，于1989 年完成工可报告，报告推荐“枯水双槽方案”：以丁坝群固定右边滩，新淤洲头建鱼嘴守护，维持枯水分汊。然而随后到1994 年，界牌河段又发生了一些不利的调整，主要表现为过渡段下移，新淤洲头后退，原有低滩完全冲失，相应的过渡段也下移3 km，正好位于放宽的喇叭口。“工可”方案所依托的滩槽格局已经发生调整，最佳时机已然丧失，因此治理工程开工之时，工程方案也只能进行相应的调整，并且已不是对界牌河段进行整治的最佳方案，使得界牌河段仍存在滩槽没有得到有效控制的问题。存在的问题表现以下两个方面：

一是由于过渡段位置偏下，河道内主流及洲滩未得到有效控制，航槽位置很不稳定，频繁在新堤夹与过渡段之间转换。工程实施后，谷花洲以上交错边滩平行下移的规律没有改变，主流与深泓仍有大幅摆动，尤其是由于过渡段位置偏下，鱼嘴前沿主流仍有较大摆动空间，1994 年到1998 年汛后，过渡段主流下移紧贴鱼嘴，随后新堤夹加速发展，主流大幅左摆进入新堤夹，2007 年以后，主流又回到过渡段。主流大幅摆动过程中，过渡段很不稳定，航槽频繁摆动，在过渡槽、北槽、横槽间转换，当前的左槽和右槽的过渡槽口也很不稳定，浅滩处于恶化之势。另外，螺山下边滩有可能切滩，主流夺左汊。

二是主流的频繁摆动，洲滩的不断调整，引起了已有整治建筑物不同程度的损坏，严重威胁到中滩鱼嘴的安全，同时鱼嘴部分功能发生了转化，由防守型变为具有一定挑流作用的整治建筑物。任其发展，将削弱已取得的工程效果，界牌河段将再度产生新的碍航问题。一方面，在界牌河段新堤夹冲刷发展及主流由左向右转化过程中，新淤洲鱼嘴中滩滩面受不良流态的作用淘刷严重，形成了大型水凼，严重威胁到中滩鱼嘴的安全。另一方面，在右边滩冲刷下移的过程中，丁坝坝头的依次受损，个别坝体损坏较为严重。2008 年以来长江航道局对部分整治建筑物局部进行了维修施工，才基本确保了已建建筑物的安全，暂时维持了已建工程所取得的守护效果。然而，任其发展，过渡段一旦下移，主流大幅摆动过程中将引起建筑物的损毁，削弱已建工程对洲滩的控制效果，界牌河段将可能再次出现设计尺度无法满足的不利局面。

6 结论

（1）界牌河段航道整治工程实施后，航道条件明显改善，如河段中、洪水河势得到了初步控制，航道尺度和流速、流态基本达到了设计标准，工程实施后河段航道条件基本达到了治理目标。

（2）由于多方面的原因，整治工程实施时机偏晚，过渡段位置偏下，导致河道内主流及洲滩未得到有效控制，目前界牌河段航道仍存在两方面的不足：一是河道内螺山边滩未得到有效控制，在螺山边滩下移过程中，鱼嘴工程受强烈顶冲，其稳定受到威胁，同时鱼嘴部分功能发生了转化，由防守型变为具有一定挑流作用的整治建筑物；二是过渡段位置偏下、河道过宽，主流在鱼嘴前沿摆动空间较大，过渡段航槽不稳定，主支汊易位。在两汊转化的过程中，过渡段进口易出浅，给航道维护带来一定的困难。鉴于界牌河段航道仍存在的问题，有必要开展后续治理工程研究，从而实现长治久安的目的。

［1］刘万利. 长江中游界牌河段航道整治工程效果分析与评估研究报告［R］.天津：交通部天津水运工程科学研究所，2010.

［2］刘万利，朱玉德. 长江长河段系统治理技术研究总报告［R］. 天津：交通部天津水运工程科学研究所，2011.

［3］沈惠漱，曹洪济，刘中惠，等. 长江中游界牌河段综合治理方案的研究［J］. 长江科学院院报，1990（4）：54-60.SHEN H S，CAO H J，LIU Z H，et al. Comprehensive Regulation Scheme for Jiepai Reach of the Middle Yangtze River［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，1990（4）：54-60.

［4］毛北平. 长江界牌河段近期河床演变分析［J］. 人民长江，2005，36（11）：20-22.MAO B P. Alluvial process analysis for Jiepai Reach of the Middle Yangtze River［J］. Yangtze River，2005，36（11）：20-22.

［5］吴作平，曾庆云，段文忠，等. 长江界牌水道整治效果分析［J］. 泥沙研究，2003（3）：53-57.WU Z P，ZENG Q Y，DUAN W Z，et al. Effect Analysis of the Renovating Project in the Jiepai Reach of the Yangtze Rive［J］.Journal of Sediment Research，2003（3）：53-57.

［6］周晓进，何广水，姚仕明. 长江界牌河段近期河势稳定性分析［J］. 水利水电快报，2007，28（15）：29-31.ZHOU X J，HE G S，YAO S M. Regime stability analysis for Jiepai Reach of the Middle Yangtze River ［J］. Express Water Resources & Hydropower Information，2007，28（15）：29-31.