长江黄草峡河段航道整治数学模型研究

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(1.重庆交通大学 a.水利水运工程教育部重点实验室; b.国家内河航道整治工程技术研究中心，重庆 400074；2.长江重庆航运工程勘察设计院，重庆 401147)

1 工程概况

黄草峡河段位于长寿城区下游约9 km，为弯曲型狭谷河段，长约3 km。上段左侧有石灰窑石梁，右侧有大猪圈、老鹰石等石梁伸出。下段出口处左岸有黄牛岭凸嘴，右岸老马岭凸嘴石梁形成的狭口尤为狭窄，构成典型突嘴型对口急滩，长约430 m。两岸石嘴均伸入江中相对，使洪水河宽由上游的600 m缩窄为130 m。在石梁作用下主流全年自瓦罐窑起偏向北岸向下流，至石灰窑受阻后改由河心向下流，至黄牛岭进入狭口。枯水期水流平缓，随水位上涨流速增大，洪水期水流湍急。黄牛岭和老马岭紧相对峙，束阻水流，形成对口急流滩。石嘴挑流形成剪刀水和大流速、大比降，下游形成强烈回流、泡漩，水势紊乱而强劲，为著名的急险滩之一。黄草峡河段河势如图1所示。

图1 黄草峡河段河势

2 河段水深、流态问题分析

2.1 航槽水深问题

2006年“涪铜段”炸礁曾对黄牛岭和老马岭2处礁石进行了炸除，老马岭位于目前设计航槽外，原炸礁主要为改善流态。而黄牛岭部分位于航槽内，根据目前设计的最低通航水位成果，规划航槽内原来已经实施过炸礁的区域水深不能满足要求，仍需对黄牛岭进行继续炸深航槽。

2.2 流态问题

黄草峡河段属于滩险较为复杂的峡谷型河段。黄牛岭和老马岭紧相对峙，束阻水流，形成对口急流滩。石嘴挑流形成剪刀水和大流速、大比降，下游形成强烈回流、泡漩，水势紊乱而强劲，为著名的急险滩之一。黄草峡现状滩情及河床地貌图如图2所示。

图2 黄草峡现状滩情及河床地貌

从2012年不同水位时期的现场考察情况来看(如2012年7月5日的图3所示)，特别是由于左岸黄牛岭一侧159～166 m以上平台的存在，对高水位期洪水流态影响极大。当黄草峡水位超过162 m，即159 m以上平台水深超过3 m以后，左岸一侧存在大范围的滑梁水、急流等碍航流态，束窄航槽，影响船舶尤其是上行通行；而当水位低于162 m时，随着坝前水位和流量组合的变化，黄草峡河段的不良流态逐渐减弱，对船舶的上行影响减小。目前，上行的3 000 t级单船半载情况下仅能在27 000 m3/s以下的流量通过。

图3 黄草峡洪水流态(Q=42 800 m3/s, 长寿水位165.66 m，坝前148.01 m)

在黄草峡水位较低时，以前实施过的炸礁工程基本改善了枯水的流态，基本不存在枯水不良流态的碍航问题。

3 整治方案布置

黄草峡炸礁工程的数模方案研究共提出2个方案:方案1为“工程可行性研究”提出的方案，方案2为“数学模型研究”提出的比选方案。

3.1 方案1

2006年涪铜段炸礁曾对该河段进行了炸除，原炸礁方案主要是在满足当时设计标准的基础上，改善该处礁石的滑梁水等不良流态。而从实际踏勘的情况来看，目前黄草峡不良流态已经基本消除，考虑到该河段目前的航道水深以及航道设标的要求，本炸礁方案仅对左岸黄牛岭原炸礁区域继续加深至设计底部高程即可。黄牛岭峡口的出口断面设计最低通航水位为148.70 m，设计水深为3.7 m，设计底高程均为145.00 m。从炸礁基线起向河心侧的礁石炸低至设计底高程，边坡采用1∶1边坡，与原炸礁方案保持一致，总计炸礁量约为9 600 m3。

3.2 方案2

考虑到目前黄草峡的主要碍航问题是汛期高水位时洪水急流碍航，故方案2主要针对汛期急流等不良流态进行整治，改善洪水通航条件，提高通航流量[1]。

在保持方案1的炸礁方案基础上扩大炸礁范围，将整个黄牛岭后方突出的159～166m平台进行削坡，使突变的岸线与上下游平顺衔接[2]。具体方式为：以方案1炸礁基线为起点，向河心侧的礁石仍按照方案1炸低至设计底高程；并以炸礁基线为起点向岸一侧以1∶3放坡炸除159～166 m平台，总炸礁量约为79 970 m3。

4 整治方案论证

针对黄草峡目前存在的问题，采用平面二维数学模型对黄草峡2个炸礁方案进行了论证研究[3]。

4.1 二维数学模型的建立

黄草峡河段二维数学模型模拟范围上起张爷滩，下至石沱镇的巨梁，航道里程568～579 km之间，长约11 km。在该河段内采用非结构三角形网格，共计布置26 111个网格节点，网格间距约为20～50 m。其中对黄草峡测量有1∶500局部地形的区域进行网格加密，网格间距约为5 m，河段糙率0.032。黄草峡河段二维数模网格平面布置如图4所示。

图4 黄草峡二维数模网格

4.2 二维数学模型的验证

本模型对黄草峡河段的实测水面线和流速分布进行了验证。模型验证采用了如下资料：

(1) 工程河段河床地形图(2012年5月测图，比例为1∶2 000)。

(2) 工程河段河床地形图(2012年5月测图，比例为1∶500)。

(3) 实测瞬时水面线及流速、流向资料(2012年5月17日施测，Q=7 800 m3/s)。

实测水位及流速验证断面布置如图5所示。

图5 黄草峡河段二维数模水位及流速验证断面布置

4.2.1 水位验证

表1和图6比较了Q=7 620 m3/s时沿程水位的实测值和计算值，二者符合程度较高，二者最大差值仅为0.056 m，且水面线走势吻合较好。

表1 二维水位验证成果

图6 黄草峡河段二维数模水位验证

4.2.2 流速验证

应用已建立的水流数学模型，对Q=7 620 m3/s进行断面流速验证，实测断面流速分布与数模计算结果对比如图7所示。

注:平距从流速验证断面左端点起算

二维数模计算的流速大小和分布均与实测资料较为一致，各测点流速的计算值与实测值之间的差值大多在±0.1 m/s内，极个别误差较大的也不超过±0.20 m/s，偏差均在±10%以内。

4.2.3 模型验证小结

采用有限元法二维水流数学模型可克服模拟复杂河道边界形状的困难[4]。通过工程址区河段水位的验证，计算结果与天然实测资料较为一致。说明二维水流数学模型的建立和数值计算方法合理[5]，能正确模拟实际河道的水流运动，可进行下一步的方案论证计算。

4.3 数模计算条件

为了研究2个炸礁方案实施后该河段的航道条件变化情况以及方案2实施后汛期的最高通航流量，选取了不同水位期的5级流量进行计算分析，坝前水位及流量组合见表2所示。

表2 黄草峡整治方案计算水流条件控制表

在工程方面的组合考虑了3种情况：无方案、方案1、方案2。

二维数模计算分析考虑了5级流量及3种工况，共进行了15个组次计算。

4.4 数模计算结果分析

4.4.1 水位变化分析

表3统计了2个炸礁方案实施后最低通航流量下航槽内水位变化值和断面平均水位变化值。计算结果分析表明，炸礁方案实施后，黄草峡河段航道水位均有所变化，其中方案1变化较小，方案2变化较大。

表3 整治方案实施后黄草峡航槽水位变化统计

表4 整治方案实施后黄草峡航槽流速变化统计

在最低通航水位时，方案1实施后在航槽内水位变幅在-0.015～0.013 m之间，断面平均水位最多减小了约0.005 m；方案2实施后航槽内水位变幅在-0.018～0.015 m之间，断面平均水位最多减小了约0.008 m。总体来看，方案1、方案2均满足最低通航水位下航道尺度要求[5]。

在洪水期，计算结果表明，方案1炸礁范围及深度均不大，对洪水水位影响较小，在流量27 400～34 500 m3/s之间时，航槽水位变化值在±0.015 m之内，断面平均水位变化不明显；而方案2实施后，由于黄草峡内洪水过水断面扩大，航槽内水位变幅值也较大，约为-0.10～0.072 m，断面平均水位最大降幅约0.032 m。

由此也说明方案1对汛期航道内的不良流态的改善不明显，而方案2实施后水位跌落处抬高，水位壅高处降低，减小了航道内的跌水等不良流态影响范围，对汛期通航条件有所改善[6]。

4.4.2 流速变化分析

表4统计了2个炸礁方案实施后航槽内航槽左侧的流速范围及变化范围。

炸礁方案1实施后：在最低通航水位时航槽左侧流速变化范围在±0.05 m/s之内，最大流速和方案前差不多；汛期随着流量的增加和水位的大幅增加，黄草峡航槽内的流速变化趋势减小，流速变化小于±0.05 m/s，对洪水流态的改变不明显。

炸礁方案2实施后：在最低通航水位时，航槽内流速变幅较方案1大，流速变幅在-0.064～0.058 m/s之间，最大流速则较方案前减少0.03 m/s；在汛期，随着流量的增大和水位的增加，方案2对航槽内流速的影响逐渐呈增大的趋势，且流量越大、水位越高则变化也越大；如在27 800 m3/s的流量时，航槽内流速最大减小值达到0.267 m/s，最大流速则从3.146 m/s减小至2.891 m/s。

4.4.3 3 000 t级船舶最高通航流量分析

由于左岸黄牛岭一侧左岸岸线不规则，导致汛期流态较坏，船舶无法沿左岸缓流区上行，目前现有上行航线基本上沿着河道中心偏左，而该航线所处位置正是目前汛期的主流位置，因而上行航线上的流速及比降组合较大。

表5统计了方案实施后汛期坝前水位在145 m左右时，流量分别为30 000 m3/s和34 500 m3/s时上行航线上的最不利流速、比降组合值。表6则为3 000 t级船舶自航上滩水力指标组合[7]。

从统计结果来看，由于黄草峡为典型的激流滩险，汛期水流较急，在30 000 m3/s时3 000 t级船舶不满足自航上滩的条件；方案1实施后上行航线的最不利流速、比降组合较方案前变化不大；而方案2实施以后尽管航线上流速及比降均有较大程度的减小，但是仍然远远超过了3 000 t级船舶自航上滩的临界条件。可见，船舶按照目前的航线航行，2个炸礁工程方案均无法提高其通航流量。

表6 三峡库尾急流滩3 000 t级船舶额定通航水力指标

图8 不同整治方案实施前后黄草峡流场分布(Q=34 500 m3/s)

图8统计了炸礁方案1、方案2实施前后黄草峡河段在流量为34 500 m3/s的流场分布对比。从流场分布结果来看，方案1实施以后与方案前相比该河段流速分布变化不大，不管是主流大小还是左右岸近岸区域的不良流态基本上没有太大的变化，尽管近岸区域为缓流区，但因为流态较坏，船舶仍然不敢沿近岸区域上行[8]。而方案2实施以后，左岸炸礁区域沿程流态大幅改善，回流、斜流和跌水基本消失，变成了水流顺直、流态较好的缓流区域，水深足够，完全满足了汛期高水位期船舶上行的要求，因而可将现有船舶上行航线调整至左岸近岸区域，从而大大提高上行船舶的通航流量。

由此可见，方案2实施以后可将3 000 t级船舶现有上行通航流量提高至35 000 m3/s以上。

5 结 论

方案1、方案2实施后均能保证规划航道尺度得以满足；方案1对汛期洪水流态改变不大，不能提高汛期通航流量；而方案2实施以后，左岸炸礁区域沿程流态大幅改善，回流、斜流和跌水基本消失，变成了水流顺直、流态较好的缓流区域，水深足够，完全满足了汛期高水位期船舶上行的要求，因而可将现有船舶上行航线调整至左岸近岸区域，从而大大提高上行船舶的通航流量。但方案2的工程量远远大于方案1，工程费用将大大增加。

若目前规划的炸礁工程仅为保证最低通航水位下的航道尺度，且工程投资有所限制，则应选择方案1，不但能达到最低通航水位标准要求，而且工程量较小。

若要彻底改善黄草峡的通航条件，提高通航流量，且工程投资经费允许，则应选择方案2。

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