长江中游牯牛沙水道河床演变及碍航特性分析

李雨晨，李青云

（1.河海大学 港口海岸与近海工程学院，南京 210798；2.长江航道局，武汉 430010）

长江中游牯牛沙水道河床演变及碍航特性分析

李雨晨1，李青云2

（1.河海大学 港口海岸与近海工程学院，南京 210798；2.长江航道局，武汉 430010）

以牯牛沙水道为例，重点分析了弯曲河段的演变过程和碍航特点。通过分析牯牛沙水道的演变过程、演变影响因素、演变趋势及碍航特性等，揭示滩槽演变的规律，探讨航道整治一期工程前后的碍航特性变化，并对一期工程实施后航道条件不稳定的具体原因进行分析，在此基础上，提出二期工程的整治思路和方案。

航道整治一期工程；河床演变；碍航特性；牯牛沙水道

Biography：LI Yu⁃chen（1994-），female.

长江中下游弯曲河段较多，该类河段深槽偏靠凹岸，凸岸有较大规模的边滩。三峡蓄水后，由于来沙量大幅减小，长江中下游弯道段凸岸边滩普遍冲刷萎缩，相应的凹岸深槽普遍淤积［1］，部分弯道出现撇弯现象，河道过渡段断面形态趋于宽浅，从而形成碍航段。因此研究弯曲河段的演变过程、影响因素、碍航特性以及航道条件不稳定的原因等是航道治理的前提和基础。本文以长江中游牯牛沙水道河床演变分析为基础，通过分析其演变过程、一期整治工程前后的碍航成因和特性，最终提出后续工程的整治思路和方案。

1 水道概况

牯牛沙水道位于武汉—安庆段内，上起西塞山，下迄下棋盘洲，全长约15.5 km。牯牛沙水道的河道平面形态以高家湾为界分为上、下两段，上段为受节点控制的弯道，下段为顺直段（图1）。由于20世纪80年代后，牯牛沙边滩冲退，枯水河道放宽，上深槽右偏，上下深槽交错，至2003年开始出浅碍航，2007年成为长江中下游重点碍航水道。

图1 牯牛沙河势图Fig.1 Sketch of Guniusha waterway

图2 一期工程平面布置示意图Fig.2 Layout of the 1st phase regulation project of Guniusha waterway

牯牛沙水道浅区位于水道上段西塞山至茅山港的过渡段内，一般汛期过渡段淤积形成浅埂，汛后水流冲刷不力而发生碍航。为缓解航道维护困难局面，最终解决该水道的碍航问题，2006年该水道航道治理前期工作开始启动，确定了总体治理目标和工程方案，工程分期实施。一期工程由右岸牯牛沙边滩上布置3道护滩带、护岸加固工程和疏浚工程组成［2-3］（图2）。一期工程实施后，制止了牯牛沙边滩的冲刷后退，边滩淤高展宽，浅滩开始由交错型向正常型转化，过渡段航槽向微弯方向发展，航道水深得到提高［4］。

本水道目前航道维护尺度为4.0 m×100 m×1 050 m（水深×航宽×弯曲半径），保证率98%。根据《长江干线航道总体规划纲要》，2015年牯牛沙水道航道尺度达到4.5 m×200 m×1 050 m规划标准，并较大幅度地延长5 000 t级海船的通航期。

2 河床演变及碍航特性

图3 第一阶段平面等深线分布Fig.3 Depth contour of the first stage

2.1 河床演变特点

历史上，本水道河势较为稳定，滩槽形态较好，上、下深槽不交错，航道条件较好，5 m等深线贯通，航道条件较好。但近期滩槽形态发生了不利变化，牯牛沙边滩受冲后退明显，上、下深槽交错，航道条件变差，河道向宽浅方向变化。

2.1.1 各阶段演变特点

牯牛沙水道的演变可分为以下四个阶段。

第一阶段：20世纪90年代以前，牯牛沙边滩高大完整，变化不大，深槽靠左岸分布，5 m等深线贯通，10 m等深线仅在茅山港偏上处断开，深泓变化幅度小（图3）。这一阶段，过渡段断面呈偏“V”型（图4），断面最深点水深约为航行基准面下14.6 m，河道稳定少变，航道条件优良，无碍航浅区存在。

第二阶段：20世纪90年代～2002年。从20世纪90年代起，牯牛沙水道开始出现一些不利变化，主要是主流右偏，特别是1998、1999年连续大洪水后变化明显。从深泓变化来看，1998、1999年，过渡段深泓大幅右摆，最大幅度达820 m，大水年过后，深泓回摆，但仍未恢复到90年代中期以前水平，2002年相对于1995年，过渡段深泓右摆约375 m。

主流右偏引起滩槽的相应变化。从滩槽平面变化来看，牯牛沙边滩头部开始冲刷后退，上深槽发展，5 m深槽向右展宽并下延；下深槽萎缩，5 m等深线变化不大，但10 m等深线明显萎缩，5 m等深线开始出现交错。从断面变化来看（图4），20世纪90年代起牯牛沙边滩开始冲刷后退，1995年相对于1976年，滩面冲刷下切1～2.3 m，0 m线后退约245 m，虽深槽仍靠左岸分布，但水深淤浅，宽度变窄，而右侧河心随着牯牛沙边滩的冲刷后退，有所刷深，断面形态开始向“W”型发展；受1998、1999连续两年大洪水影响，牯牛沙水道下深槽和过渡段明显淤积，而牯牛沙边滩继续受冲萎缩，滩面下切2.5～3.8 m，0 m线后退约100 m，右侧深槽继续冲刷发展，断面已发展为“W”型，河道内5 m深槽出现交错分布，滩槽形态向不利方向变化；至2002年，左右两侧深槽水深差别不大，左槽略窄，右槽较宽，河床断面较为宽浅。

图4 第一、第二阶段典型横断面形态图Fig.4 Typical cross⁃section shape of the 1st&2nd stages

总体而言，该阶段过渡段断面河床形态变化较大，牯牛沙边滩冲刷后退、下深槽萎缩、上深槽发展、右偏，上下深槽出现交错，过渡段断面由窄深的偏“V”型断面向宽浅的“W”型断面发展。这一阶段河道尽管出现了一些不利变化，但航道条件尚好，未出现碍航浅区。

第三阶段：2003～2009年，牯牛沙边滩继续冲刷后退、高程降低，上下深槽交错范围增大、过渡段宽浅，断面呈“W”型或“U”型（图5），过渡段河床冲淤变化幅度大。这一阶段牯牛沙水道已演变成为碍航浅滩，出现碍航。

本水道右岸有牯牛沙边滩，左岸有团林岸边滩，牯牛沙边滩对航道条件影响较大，团林岸边滩位于河道凹岸，滩型较小，对航道条件影响较小。2003年以后，牯牛沙边滩继续冲刷后退并向下游发展，边滩中上段左缘受冲后退，宽度变窄，面积减小（表1），2004～2006年，累计后退约210 m。造成河道放宽，主流摆动空间增大，不时出浅，航道条件变差。

第四阶段：2009年一期工程实施以来：牯牛沙边滩总体淤积展宽，主流停止右摆，上下深槽分布由交错型演变为相对型，过渡段断面呈“W”型或“U”型，航道条件得到一定程度改善，但过渡段仍然较为宽浅（图5）。

针对牯牛沙边滩持续冲刷后退，造成航道出浅碍航的情况，于2009年9月起开始实施牯牛沙水道一期整治工程，2012年11月通过竣工验收［5］。工程实施后，遏止了牯牛沙边滩冲刷后退的趋势，抑制了枯水河宽的进一步展宽；水道内上深槽右摆的趋势基本得到抑制，上、下深槽由相互交错变为相对，过渡段航槽趋于顺畅。航道条件得到一定程度改善，达到了一期工程整治目标，一期工程的实施为后续工程奠定了良好的基础，但航道条件不稳定，碍航浅区仍然存在，航道尺度未能达到规划尺度。

图5 第三、第四阶段（一期工程实施前后）断面变化图Fig.5 Typical cross⁃section shape of the 3rd&4th stages（before and after the 1st phase regulation project）

表1 牯牛沙边滩宽度、面积统计表Tab.1 Statistical table of the width and area of Guniusha bar

2.1.2 浅滩演变特点

本水道浅区属于过渡段浅区，在演变中一般呈现两种型态：正常型和交错型［1,6-7］。

正常型浅区：1998年以前，上深槽偏靠水道的左岸侧，右岸侧为滩面较高的牯牛沙边滩，主流顶冲茅山港以上岸段，上、下深槽不交错，平面位置比较稳定，一般汛后退水过程中浅区均能自行冲开，航道条件较好。

交错型浅区：1998年以后，牯牛沙边滩受冲后退，上深槽右偏，上、下深槽交错，同时下深槽淤积后退，两深槽间形成过渡段浅埂，浅区类型由正常型转化为交错型。汛后退水期，浅埂（除特殊水文年外）一般都不能自行冲开，并与两岸边滩连为一体，形成范围较大的碍航浅区。

2.2 航道条件不稳定性原因分析

上述分析表明，一期工程实施后，航道条件得到一定程度改善，但航道条件不稳定，主要表现为：航道时好时坏，2010年航道条件较差，发生出浅碍航情况，2011年航道条件较好，未发生碍航现象。为此，针对这一情况就2010年和2011年水沙条件进行了分析。

2.2.1 2010年水沙情况

（1）2010年来水量是三峡蓄水运用后来水量较大的一年。

2010年汉口站年平均流量为23 700 m3/s（多年平均流量为22 316 m3/s，三峡工程蓄水运用以来平均流量20 543 m3/s），略高于多年平均流量。2010年径流量为7 472亿m3，为三峡工程蓄水运用后径流量最大的一年。但从三峡蓄水运用后汉口站来水来沙特征统计来看，2010年为三峡工程蓄水运用后退水期较为正常的一年。

（2）悬移质来沙量正常。

2010年悬移质输沙总量为1.110亿t（蓄水后多年悬移质输沙总量为1.13亿t），与蓄水后多年悬移质输沙总量基本持平。

（3）洪峰流量较大，洪水期淤积时间长。

该年10 000 m3/s以下发生的天数为10%、15 000 m3/s以下发生的天数为41%、20 000 m3/s以下发生的天数约为50%，全年大于30 000 m3/s流量的天数为36%。可见，2010年水文过程属于三峡工程蓄水后来水量大、来沙量正常的水文年，年内洪季淤积时间较长，枯季冲刷时间正常。

2.2.2 2011年水沙变化情况

（1）2011年枯水时间持续时间长，径流量为近年较少的一年。

2011年汉口站年平均流量为15 240 m3/s，仅为多年平均的68%，为三峡蓄水运用后平均流量的74%，全年大于30 000 m3/s流量的天数为34 d，小于15 000 m3/s流量的天数为197 d（达半年以上），长时间的枯水冲刷无疑对浅区是有利的。

（2）悬移质来沙量比小。

2011年悬移质输沙总量为0.710亿t（蓄水后多年悬移质输沙总量为1.13亿t），仅为蓄水后多年平均的63%。

（3）洪峰流量小，有利浅滩冲刷的中枯水持续时间长。

该年10 000 m3/s以下发生的天数基本没有，15 000 m3/s以下发生的天数为46%、20 000 m3/s以下发生的天数约为70%，即中枯水流量占主要地位。15 000～16 000 m3/s约占8%，16 000～17 000 m3/s约占9%，为发生天数较为密集的两个流量段。

综合上述分析可知：在2010年来水量略大的正常来水来沙量及过程的情况下，牯牛沙水道都会出浅碍航，可见，在一般水沙条件下该水道过渡段浅区冲刷能力不足；2011年属小水小沙年，且中枯水持续时间长加之悬移质含沙量小，特别有利于平面形态较为稳定的过渡段浅滩的冲刷，因此，2011年航道好是在特别有利的水沙条件下产生的，在自然条件下难以长期维持。

3 碍航分析及整治二期工程

3.1 航道整治一期工程实施前的碍航特性

牯牛沙水道航道整治一期工程实施前，牯牛沙水道内牯牛沙边滩受20世纪80年代中期以来来沙量减少和三峡蓄水运用后河道来水来沙条件发生变化影响，牯牛沙边滩持续冲刷后退，致使河道展宽，上深槽右摆，枯水期过渡段内存在较大范围的浅埂，航道水深时而不足，航槽不稳定，航道不畅，航道维护部门通过采取调标和疏浚措施才能维持通航。

3.2 航道整治一期工程实施后的碍航特性

一期工程实施后，制止了牯牛沙边滩的冲刷后退，但滩型仍不完整，局部区域掩护不够，边滩中上部仍然较低，由于一期工程属于守护工程，不可能对已经形成的宽浅的浅滩形态有大的改善。受水沙条件影响，断面呈现宽浅的“U”型或“W”型，断面形态不稳定，遇不利水文年作用会出浅碍航，影响通航。

3.3 航道整治二期工程思路及方案

根据本河段航道存在问题的分析，二期工程重点是对牯牛沙水道过渡段浅区进行治理，在已实施一期工程的基础上，通过工程措施，恢复牯牛沙边滩规模，束窄过渡段枯水河宽，以利浅滩退水归槽冲刷，提高航道尺度，使航道尺度达到规划标准。结合总体方案考虑，航道整治二期工程的方案可在右岸一期护滩带工程基础上进一步建设成丁坝，并对左岸受丁坝影响的区域进行护岸加固。

4 结论

牯牛沙水道为弯曲河型，受地质和边界条件控制，多年来河道岸线稳定变化不大，总体河势格局变化不大。河床演变分析表明，牯牛沙水道2003年以前，航道条件优良，浅区段航道条件对来水来沙条件变化不敏感，但三峡蓄水后，坝下游冲刷自上而下沿程发展，牯牛沙水道滩槽形态所面临的形势较为严峻，在水道右岸牯牛沙边滩冲刷后退明显、河床边界条件已发生变化情况下，本水道发生碍航与否，与水沙条件以及退水期冲刷时间长短密切相关。

牯牛沙一期工程护滩建筑物结构稳定完整，左岸护岸加固工程稳定了岸线。一期工程实施后，抑制了牯牛沙边滩的冲蚀后退，制止了航道条件向不利方向变化，实现了一期工程的目标。鉴于一期工程护滩建筑物对牯牛沙边滩的作用有限，在不实施后续工程的情况下，牯牛沙水道滩槽形态仍难以长期稳定。因此，针对目前过渡段浅区的碍航问题，提出二期工程在已实施一期护滩带工程的基础上进一步建设丁坝，并对左岸受丁坝影响的区域进行护岸加固，来恢复牯牛沙边滩规模，束窄过渡段枯水河宽，以利浅滩退水归槽冲刷，使航道尺度达到规划标准。

［1］李义天,唐金武,朱玲玲,等.长江中下游河道演变与航道整治［M］.北京：科学出版社,2012.

［2］闫军.长江中游牯牛沙水道河床演变及治理措施［J］.水运工程,2012（8）：136-140.

YAN J.River⁃bed evolution and regulation measures of Guniusha waterway in the middle Yangtze River［J］.Port&Waterway En⁃gineering,2012（8）：136-140.

［3］蔡大富.长江中游牯牛沙水道航道整治一期工程设计［J］.水运工程,2009（12）：114-123.

CAI D F.Design of Phase I project of the Guniusha waterway channel regulation in the middle Reach of the Yangtze River［J］.Port&Waterway Engineering,2009（12）：114-123.

［4］蔡大富,邹祝,闫军,等.长江中游牯牛沙水道航道整治一期工程效果分析［J］.水运工程,2011（3）：97-102.

CAI D F,ZOU Z,YAN J,et al.Effect analysis of Guniusha waterway first phase channel regulation project in the middle reach of the Yangtze River［J］.Port&Waterway Engineering,2011（3）：97-102.

［5］蔡大富.长江中游牯牛沙水道航道整治二期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,2012.

［6］钱宁,张仁,周志德.河床演变学［M］.北京：科学出版社,1989.

［7］谢鉴衡.河床演变及整治［M］.武汉：武汉大学,2000.

Study on river bed evolution and characteristics of navigation⁃obstruction of the Guniusha waterway in Middle Yangtze River

LI Yu⁃chen1,LI Qing⁃yun2
（1.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing210098,China;2.Changjiang
Waterway Bureau,Wuhan430010,China）

Taking Guniusha waterway as an example,the fluvial processes and navigation obstruction problem of curved reaches were emphasized in this paper.The fluvial processes,influencing factors,tendency of channel variation of Guniusha waterway,the characteristics of navigation⁃obstruction and causes of instability in channel conditions after implementing the 1st phase regulation projects were mainly analyzed and studied.Based on the above⁃mentioned analysis,the 2nd phase regulation scheme was proposed in order to provide references for engi⁃neering practice.

phase I of waterway regulation project;river bed evolution;characteristic of navigation⁃obstruc⁃tion;Guniusha waterway

TV 147；U 617

A

1005-8443（2014）02-0154-05

2013-04-02；

2013-07-31

李雨晨（1994-），女，湖北省武汉人，主要从事水流泥沙及航道整治研究。