武桥水道航道整治工程效果分析

2014-10-16何小花郝婕妤平妍容

浙江水利科技 2014年5期

陈立，黄杰，何小花，郝婕妤，平妍容，周敏

（1.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北武汉 430072；2.湖北省水利水电规划勘测设计院，湖北武汉 430064）

1 工程概况

1.1 武桥水道概况

武桥水道位于长江中游武汉河段中段，因武汉长江大桥建于此处而得名。武桥水道上起汉阳杨泗庙，下止于武汉长江大桥，全长约5km［1－2］。水道进口处的白沙洲将河道分为两汊，左汊为主汊，右汊为支汊。白沙洲尾有常年存在的潜洲，河段左岸有荒五里边滩和汉阳边滩，右岸鲇鱼套以下是武昌深槽。武汉河段中段两对节点之间的纵向距离较短，对河道平面摆动的控制作用较强，加上两岸人工护岸工程，岸线稳定，但江中的洲、滩仍频繁发生变化。图1为武汉河段中段河势图。

1.2 武桥水道碍航特征

武桥水道汛期主流顺直，汉阳边滩被冲刷，通航条件较好，通航船队能从正常通航孔（上水4＃、武桥水道汛期主流顺直，汉阳边滩被冲刷，通航条件较好，通航船队能从正常通航孔（上水4＃、下水6＃）过桥。枯水期受汉江顶托、武昌深槽吸流和潜州尾部上提［3］，主流在潜洲尾坐弯并从左岸过渡到右岸，左岸汉阳边滩处的水流动力条件减弱，流速减小，水流挟沙能力减弱，泥沙在此大量落淤，促使汉阳边滩淤积展宽。当淤积宽度不大时，汉阳边滩不影响安全通航；当汉阳边滩淤积严重时，航道受到汉阳边滩的挤压而过于弯曲，需改孔调标，改变通航线路，有时还需要配合疏浚才能保证航道通畅，航道维护非常困难。

历年实测资料表明，当汉阳边滩的宽度（以4m等深线记）为400～500m时，边滩不会对水道产生碍航作用，但若汉阳边滩宽度达到或超过800m时，桥区上段航槽偏离设计通航孔，由此造成航槽过于弯曲，与桥轴线法线方向交角过大，危及通航和桥墩安全。有的年份甚至边滩滩咀伸入6＃桥孔，过桥航槽被迫移至7＃孔，由于7＃桥墩基础条件较差，加之此区域水流流态紊乱，航行条件恶劣，曾多次发生船舶碰撞桥墩的海损事故，也威胁着大桥桥墩的安全，严重时甚至会禁航。水道自20世纪50年代建桥后开始碍航，90年代以来形势更为严峻，潜洲、汉阳边滩汛后最大宽度情况统计见表1［4］。

表1 潜洲、汉阳边滩汛后最大宽度统计表（航基面下2.0m线宽度）

三峡蓄水后，汉阳边滩冲淤变化规律未变，在2004年初汉阳边滩凸咀深入6＃桥孔，最严重时每天仅4h通航，其余时间禁航疏浚。因此从2004年开始研究实施武桥水道航道整治工程。

1.3 航道整治工程基本情况

研究发现：潜洲与汉阳边滩存在着 “此消彼长”的演变规律（见表1）。当潜洲高大完整且尾部较靠下游时，相同流量下枯水期水流所受武昌深槽的吸流作用会相对较弱，主流的过渡段会相应下移，有利于汉阳边滩的冲刷，反之则有利于汉阳边滩的淤积。

因此武桥水道航道整治工程在潜州上布置了长顺坝结合单侧鱼骨坝工程，一方面对潜洲起到了固滩的作用，另一方面也对主流起到了引导的作用，形成枯水期抑制汉阳边滩淤积的局面。整治工程的基本情况如下：沿潜洲洲脊布置1道长顺坝，总长3 185m；顺坝左侧布有坝头逐渐偏向汉阳边滩一侧的5道鱼骨坝，长度依次为70，90，110，130，100m。整治工程方案见图2。

图2 武桥水道整治工程方案平面布置图

2 整治工程实施后武桥水道冲淤变化

2.1 武桥水道的总体变化

航道整治工程实施以后，武桥水道总体有冲有淤，受堤防工程及上下游节点控制，整体河势相对稳定。

武桥水道的深泓线年际间摆动幅度不大，走向没有发生大的变化，主流均在潜洲尾部从左侧向右侧的武昌深槽过渡，总体比较稳定。年内由于主流受洪枯水期武昌深槽吸流作用大小的不同，在主流过渡段，深泓线位置摆动幅度较大。

武桥水道内的洲滩深槽格局相对稳定。潜洲与汉阳边滩的平面位置变化不大，但受上游来水来沙条件影响，洲滩大小年内与年际间可能会发生较大幅度的变化，汉阳边滩的变化幅度更为显著。

武昌深槽的平面位置年际间变化不大，未呈现出趋势性的淤积或冲刷；年内遵循 “汛冲枯淤”的演变规律，其变化程度与上游的来水来沙情况有密切联系，在汉阳边滩处变化幅度最大。

2.2 汉阳边滩的冲淤变化

图3、4分别给出了2010年以来汉阳边滩和潜洲的变化和2011年的年内变化。

图3 武桥水道汉阳边滩、潜洲年际变化图

由图3可以看出，从2010年3月至2012年3月，汉阳边滩（4m等深线表示）宽度较小，且突咀位置靠下。2010年4m等深线最大宽度约650m，处于长江大桥上游约800m处，桥位处汉阳边滩的宽度约为350m；2012年汉阳边滩最大宽度约440m，位于长江大桥下游约1km处，桥位所在处汉阳边滩的宽度约360m；2013年2月汉阳边滩的最大宽度约为500m，位于长江大桥上游约500m处，桥墩所在处汉阳边滩的宽度约为420m。而2014年2月汉阳边滩的最大宽度为620m，桥位所在处汉阳边滩的宽度约为540m，基本上封堵了5号桥孔。

图4 武桥水道汉阳边滩和潜洲年内冲淤变化图

由图4可以看出，汉阳边滩变化年内比较剧烈，仍遵循 “汛冲枯淤”的变化规律。2011年1月至3月属于枯水期，汉阳边滩宽度较大，滩头向下移动。6月随着流量的增加，水流趋直，汉阳边滩冲刷，边滩滩体缩小，边滩滩头下移至汉江口附近。12月水位回落，汉阳边滩又开始淤积展宽。

2.3 潜洲的冲淤变化

由图3可以看出，相较于汉阳边滩的变化而言，潜洲洲体变化相对较小。从2010年3月至2014年2月，潜洲左右缘有冲有淤，整体变化不大，其中左边缘与2010年相比，2012年向外淤长约50m；潜洲洲尾年际间有一定的上提下挫，与2010年相比，2012年潜洲洲尾下移220m左右，2014年下移约470m左右。

由图4可以看出，潜洲年内遵循 “汛淤枯冲”的规律。2011年1—2月，随着汉阳边滩靠近潜洲处的滩嘴的向下移动，潜洲左边缘呈现淤积态势，最大淤积宽度约100m；洲尾向下移动，距离约70m。2—3月，潜洲左边缘呈现冲刷后退的趋势，向右移动约50m；洲尾上提约60m。6月进入汛期，与3月相比，潜洲洲尾淤积下移近30m，潜洲左边缘以较小幅度冲刷右移，右边缘则淤积较多，最大淤积幅度将近100m。

3 航道整治工程效果分析

航道整治工程实施后，汉阳边滩的冲淤变化仍然较大。其中2010—2012年汉阳边滩的淤长基本没有妨碍船舶的通航，而2013—2014年枯水期边滩淤积较严重，甚至封堵了5号桥孔，航道部门因此实施了疏浚。

自然条件下，汉阳边滩的冲淤变化与上游水沙条件关系密切。一般而言，大水年或中水小沙年，汉阳边滩小，航道条件较好，而小水小沙年汉阳边滩淤积较多，航道条件一般较差。汉阳边滩是否碍航还取决于枯水期的流量过程，当枯水期流量较小时，水流动力轴线趋于弯曲，汉阳边滩处水动力条件较弱，泥沙容易落淤，汉阳边滩宽度更大。

图5 汉口水文站2009—2013年流量过程线图

以同样是来水来沙条件相对较小的2009年和2011年为例说明汉阳边滩的汛后冲淤情况。与2009年平均流量19 900m3／s相比，2011年来水量更小，平均流量仅为17 400m3／s，2009年的洪峰流量为42 100m3／s，2011年洪峰流量35 200m3／s。比较2a的退水过程和枯水期水流过程可以看出，2009年汛后退水较快，且枯水期流量偏小；2011年在退水过程中，8月上旬、9月中旬、11月上旬分别出现洪峰，且枯水期流量明显大于2009年（见图5）。从2009年12月与2011年12月的汉阳边滩平面形态可以看出，2009年12月汉阳边滩宽度显著大于2011年同期汉阳边滩的宽度（见图6）。2011年12月汉阳边滩的最大宽度为400m，位于大桥上游约550m处；2009年12月汉阳边滩的最大宽度为490m，位于大桥上游约780m处。

2013年年平均流量较小，为20 200m3／s，超过2009年和2011年，但是在2013—2014年枯水期汉阳边滩碍航严重。从2013年年内汉阳边滩的冲淤变化（见图7）可以看出，汛期汉阳边滩宽度较小，通航情况较好，但在汛后枯水期，由于流量较小，明显小于2009年和2011年枯水期流量，因此2013年年末和2014年年初汉阳边滩发生了较大的淤积，特别是在2014年年初，汉阳边滩的淤积宽度较大，发生碍航情况。

图6 2009年与2011年汉阳边滩对比图

图7 2013年与2014年初汉阳边滩冲淤变化图

显然，航道整治工程实施以后，在遇到不利水沙条件下，仍会发生汉阳边滩淤积宽度较大，影响通航，需要采取疏浚措施维护航道，这与武桥水道航道整治工程整治效果的定位是一致的［5］：由于周边环境的限制，长顺坝的尾部上提了500m，对潜州尾部斜向过渡水流的控制作用降低，因此在极端不利水沙条件下，需要辅助疏浚措施。