黄河上游双旋沟滩航道整治方案模型试验研究

杨振华，王平义，喻涛

（重庆交通大学河海学院，重庆400074）

黄河上游双旋沟滩航道整治方案模型试验研究

杨振华，王平义，喻涛

（重庆交通大学河海学院，重庆400074）

摘要：为确定黄河上游龙湾至南长滩河段碍航最为严重急险浅滩——双旋沟滩的航道整治工程方案，进行了定床河工模型试验研究。其中定床水流试验研究滩段水力要素，定床输沙试验研究挖槽稳定性。试验结果表明，通过浅区疏浚、卡口切嘴、深沱填槽、深槽潜坝、放宽段丁坝等整治措施，可以降低该滩段流速、比降，改善流态，增加航宽航深，使该滩段满足V级航道建设要求。整治后，滩段水力要素满足船舶上滩要求，船舶能在10 a一遇洪水下安全航行。

关键词：航道整治；浅滩；模型试验；双旋沟滩

黄河干流大河家至南长滩段全长480.82 km，只有兰州段和刘家峡库区分别有38.4 km和41 km建成V级航道，白银段110 km航道和兰州延伸段50 km航道还在建设中，其他河段大部分还处于天然状态。随着龙湾至南长滩河段的建设开发，白银段110+103.4 km航道将全线达到Ⅴ级通航标准。双旋沟滩是龙湾至南长滩河段最为严重的急险浅滩，急需对该滩段进行整治。由于该滩集急、险、浅为一身，治理难度较大，为此开展了定床物理模型试验研究，以确定合理可行的整治方案。

1　河道概况及滩性分析

双旋沟滩位于黄河上游甘肃省龙湾至南长滩河段，距龙湾过河缆GD22距离为15.24 km，滩长约870 m，如图1所示。该滩可以分为三部分：上部弯段、中部放宽段、下部深槽段。枯水期河宽介于50～250 m，水面比降为1.51‰，平均流速为2.28 m/s，最大流速为4.03 m/s。滩上口宽约250 m，而在下部则由于右岸边滩伸入河中，将江面骤然缩窄至50 m，加之左岸基岩孤石，两岸对峙形成一个卡口，河道极狭窄，最窄处河面宽仅50 m，是典型的西部山区河流航道［1］。

图1　双旋沟滩概况Fig.1Topographic map of Shuangxuangou rapids

随着来水流量的大小不同，双旋沟滩滩险类型和成滩位置也会不同。在枯水时，上段和下段对通航基本没影响，成滩部位为中段放宽段。该放宽段靠左岸的礁石（较大浅滩）和右岸较小浅滩露出水面，把水流分成三汊。左右汊分流量较小，特别是右汊流速缓、航深浅，受出口凸嘴顶托作用，水流易在此汊产生回流，造成泥沙淤积，因此枯水期航道走中汊。但由于大部分水流从中汊通过，造成该汊流速、比降较大，对船舶上水航行有一定的影响。在两浅滩中间有一个较大的深沱，深沱处有泡漩水等不良流态。另外此处的航宽也不满足通航要求。中洪水时，中段的左右岸浅滩被淹没，对航宽航深基本没影响，上段弯段水流稍微扫向右岸，会有一定的横比降，但该段水流较为平缓。下段深槽过流能力小，造成该段流速大、比降大，并伴有大浪、泡漩、跌水等极差流态，水急比降陡，对船舶上水航行和下水航行都碍航严重，综上分析，双旋沟滩可定性为中洪水急流险滩兼枯水浅险滩。

2　模型概况

根据实测的黄河双旋沟滩河段地形图，模拟河段上起P2水尺上1 km处，下至P3水尺0.5 km的范围，河段长约2.2 km，共绘制60个断面，进口段（CS1～CS11）、上段（CS11～CS21）、中段（CS21～CS33）、下段（CS33～CS54）、出口段（CS54～CS60），断面布置见图1。采用平面比尺λl=100、垂直比尺λh=50的变态定床河工模型［2-3］，各具体的比尺关系为模型变率η=2、流速比尺λu=7.071、流量比尺λQ=35 355.34、糙率比尺λn=1.36。

为进一步探索整治前后的泥沙在挖槽及航道的淤积情况，检验挖槽的稳定性，在满足泥沙起动相似和挟沙相似的条件下，选取比重γs=1.4 t/m3的重庆荣昌精煤做模型沙进行定床输沙试验［4］，模型沙中值粒径d50=2.88 mm，粒径比尺λd=6.88。根据以上确定的各比尺及地形、水文资料对浅区代表断面进行校核，模型最小雷诺数大于1 000，模型水流处于阻力平方区，满足紊流条件。模型浅区最小水深为2 cm＞1.5 cm，满足水流表面张力的限制条件。在对水面线、表面流速、流向及流态进行验证时，其误差在允许范围内，验证结果表明模型与原型是相似的。

表1　流量水位表Tab.1Discharge and its corresponding water level

3　整治标准及方案试验

3.1整治标准

按照《甘肃省内河水运发展规划》，确定该河段按内河V级航道标准建设。V级航道尺度：1.4 m× 35 m×270 m（水深×航宽×弯曲半径）；设计要求流速小于4 m/s，比降小于3‰；最高通航水位为10 a一遇洪水流量5520m3/s对应的水位；最低通航水位为多年历时保证率95%的水位，对应的设计流量368 m3/s；整治水位为设计水位加1 m，整治流量907 m3/s；水位和流量见表1。

3.2整治原则和思路

双旋沟滩主要碍航特征为：流速大、比降大、流态紊乱、航道窄浅，为中洪水急流险滩兼枯水汊道浅滩特性。根据研究，确定其航道整治原则为先重点、后一般，兼顾上下游［5］的原则。整治思路为：对于上段要调整水流平稳过渡，避免中洪水时直冲右岸；对于中段要加大航深航宽，消除深沱不良流态，避免泥沙在此落淤造成枯水出浅碍航；对于下段要使中洪水下的流速、比降降低，缓流航宽增加，不良流态消除。综合整治后航道尺度达到V级航道要求，船舶能够在设计条件下较安全经济的航行。

3.3天然水流特性试验

双旋沟滩属于“大肚子”型河道［6］，依次施放设计流量、整治流量、10 a一遇流量，对其水流特性有直观认识。在10 a一遇流量下，下段卡口过流能力小，中上段的水位由于卡口作用而壅高，流速比降流态较好，中段有较大回流区，通过走沙试验发现泥沙在右岸浅滩淤积严重，下段流速均在5.5 m/s以上，最大为6.39 m/s，卡口处比降最大达6.17‰，且伴有大浪、泡漩等极差流态；在设计流量和整治流量下，中段流速大、比降较大，泥沙在右岸浅滩也有少量淤积，深沱的泡漩水较严重。三级流量下天然水面比降见表2，流速见表3。

表2　天然水面比降对比表Tab.2Comparison of natural water surface slope‰

表3　修改方案部分断面平均流速变化表Tab.3Variation of average flow velocity in modification scheme m/s

3.4原设计方案试验

工程概况［1］：（1）在深沱左侧布置1#挖槽，挖槽区域底部高程为该处设计水位以下2 m；（2）在左汊道进口布置1#勾头丁坝，总长度为104 m，坝根、坝头顶部高程分别为1 330.79 m和1 330.51 m；（3）在深槽布置2条潜坝，1#潜坝、2#潜坝分别长38 m和59 m，顶部高程均为该处设计水位下4 m，分别为1 323.80 m和1 323.55 m；（4）在深沱右侧布置2#疏浚区域，设计底部高程为该处设计水位以下1 m；（5）在深槽右岸布置3#切嘴，底部高程为该处设计水位以下1 m，纵比降1.59‰；工程布置见图2。

依次施放设计流量、整治流量、10 a一遇流量，流速试验部分结果见表3，在设计流量Q=368 m3/s时，最大流速为3.23 m/s，出现在勾头丁坝坝头（CS25），这是因为丁坝没有被淹没，丁坝坝头处挑流较严重，其余段都小于3 m/s；最大局部比降4.32‰，出现在河道中段，其余段都小于0.75‰。在整治流量Q=907 m3/s时，勾头丁坝坝头处流速为4.05 m/s，其余段都小于4 m/s。由于丁坝挑流使得主流较天然情况偏向右岸，1#挖槽有少量回流所致的落淤，滩段最大局部比降仍出现在河道中段，由天然情况的1.85‰增加到2.52‰。在10 a一遇流量Q=5520m3/s时，上段流速普遍在4 m/s以上，最大处为4.44 m/s（CS15），中段流速在3～3.5 m/s，下段进口至1#潜坝流速普遍在4 m/s以上，最大为5.65 m/s（CS44），1#潜坝至出口流速在3～4 m/s。

分析上述试验成果可知，设计方案在10 a一遇流量下，下段采取“上疏下抬”综合法［7］效果明显，2条潜坝对调整深槽段的比降很明显，3#切嘴扩大了过水断面面积，也使得深槽段流速降低，流态改善，大浪消除；中段采取的塞支强干［8］用丁坝封堵汊道的措施在整治流量下的效果也较明显，除丁坝坝头处流速稍大于4 m/s外，其他段都能满足设计要求，丁坝的挑流使得2#疏浚处泥沙不会淤积，但是坝头处流速较大，流态紊乱；在整治流量和设计流量下的深沱进口处有较大跌水，水深不足，深沱内有泡漩水，泥沙在1#挖槽上有少量落淤，是由于深沱泡漩回流所致；1#潜坝坝前出现较强泡漩水，此处有泡漩所致落淤；10 a一遇流量下上段比降加大，流速加大，弯段流态紊乱，这是由于卡口处3#切嘴加大了过流能力，壅水能力减弱，下段深槽流速比降虽然有所改善，但是还未达到预期效果。综合分析还需要对设计方案进行修改。

3.5修改方案试验

图2　设计方案工程布置Fig.2Engineering layout of design scheme

图3　修改方案工程布置Fig.3Engineering layout of modification scheme

针对原设计方案存在的下段深槽流速偏大、中段深沱泡漩水和进口水深不足以及上段恶化的新问题，分别对各段提出解决方案。10 a一遇流量下上游来水顶冲弯段右岸处，该处过流面积小，造成上游水流壅阻，而下游变宽，所以该处比降、流速大，为解决问题，在该处切嘴，定为1#切嘴，底部高程为该处设计水位下1 m，上下游岸线要平顺；弯段左岸由于小石梁阻碍，该处流态紊乱，对它进行适当切嘴处理，定为2#切嘴，底部高程为设计水位下2 m，且在弯段河道中间增加2#填槽，进一步降低上段流速比降；为解决中段泡漩水，布置深沱1#填沱，底部高程设计水位下4 m；为解决坝头处流速大，将2#疏浚往上游增加开挖的面积，且将底部高程定为设计水位下2 m，比原设计方案增加1 m，以使船舶在此处可以绕过坝头稍偏向右岸上下航行；为解决下段深槽流速偏大，将3#切嘴的范围扩大；其他的工程布置不变（图3）。

通过三级流量试验，在设计流量和整治流量下，上中下段的流速比降流态都较好，符合V级航道整治要求，在10 a一遇流量时，上段流速普遍在3.3～4 m/s，最大为4.26 m/s（CS17），中下段流速普遍在3～4 m/s，最大为4.17 m/s（CS38），下段深槽比降由天然情况的6.17‰减少到1.61‰，上段最大局部比降为2.29‰。工程前后流速变化如表3，水面线比降见图4。

修改方案10 a一遇流量下的全段比降和流速都有很大的改善，左汊道的丁坝后有大量回淤，对通航没有影响，其他段均无淤积。在整治流量和设计流量时，中段1#挖槽和2条潜坝前后有少量落淤，其余段均无淤积。由此可知，修改后方案整治效果比较明显，比降和流速都控制的比较好，泥沙淤积和流态都很好的解决。

图4　三级流量下水面线图Fig.4Water level in three kinds of discharge

4　结语

双旋沟滩属于中洪水急流险滩兼枯水汊道浅滩，成滩的类型和部位会随着流量大小而改变。在整治过程中，类似这种山区复杂滩险整治更容易“牵一发而动全身”，所以要“分清重点，整体兼顾”，尤其注意滩段整治的先后顺序。

通过试验研究，提出了双旋沟滩整治方案。在急流滩段采取上疏下抬的综合法，对深槽段的比降、流速改善非常明显；在汊道浅滩段采取塞支强干、疏浚航槽以及填沱等措施，解决该段泥沙淤积、航宽航深以及流态不良问题；在上弯段处通过切嘴、填槽等措施，改善了该段水流紊乱的情况，扩宽了缓流航道。该滩的整治，很好的解决了整治“大肚子”河段过程中常见的“头好脚疼，脚好肚子疼”问题。其整治思路和方法可以为黄河上游其他类似“大肚子”河段复杂滩险整治提供参考。

参考文献：

［1］四川省交通厅交通勘察设计研究院.黄河乌金峡航道建设工程（双旋沟滩）数学模型研究报告［R］.四川：四川省交通厅交通勘察设计研究院，2012.

［2］吴宋仁，陈永宽.港口及航道工程模型试验［M］.北京：人民交通出版社，1993.

［3］黄伦超，许光祥.水工与河工模型试验［M］.郑州：黄河水利出版社，2008.

［4］JTJ/T232-98，内河航道与港口水流泥沙模拟技术规程［S］.

［5］长江航道局.川江航道整治［M］.北京：人民交通出版社，1997.

［6］三结合编写组.山区航道整治［M］.北京：人民交通出版社，1975.

［7］常福田.航道整治［M］.北京：人民交通出版社，1995.

［8］胡旭跃.航道整治［M］.北京：人民交通出版社，2008.

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Biography：YANG Zhen⁃hua（1987-），male，master student.

中图分类号：U 617

文献标识码：A

文章编号：1005-8443（2014）05-0517-05

收稿日期：2013-08-05；修回日期：2013-10-22

作者简介：杨振华（1987-），男，湖北省宜昌人，硕士研究生，主要从事港口及航道整治方面工作。

Model test of channel regulation scheme for Shuangxuangou rapids in upstream of the Yellow River

YANG Zhen⁃hua，WANG Ping⁃yi，YU Tao
(School of River&Ocean Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China)

Abstract:In order to determine channel regulation engineering proposal of Shuangxuangou rapids，which is the most serious navigation⁃obstructing hazardous rapids and shoal reach between Longwan and Nanchangtan in the upstream of the Yellow River，the fixed bed river model test was carried out.In this paper，the hydraulic elements of the rapids were studied by flow test，and the stability of dredged channel was analyzed by sediment transport test. The test result shows that the regulation measures such as dredging the shallow zone，cutting the protrusive rock，fill⁃ing the deep bay，building the submerged dike in deep trough and spur dike in broadened section can reduce flow velocity and water surface gradient，improve flow state and increase channel width.After regulation，the channel condition of the rapids reach can meet the grade V navigation standard，and the hydraulic elements of the rapids reach can meet the needs of ship passing through rapids.

Key words:channel regulation;shoal;model test;Shuangxuangou rapids