长直窄深型急滩治理方法研究

2016-07-06赵鹏飞重庆交通大学重庆400074军事交通学院天津3006

水利规划与设计 2016年1期

赵鹏飞，王玮（.重庆交通大学，重庆400074；.军事交通学院，天津3006）

长直窄深型急滩治理方法研究

赵鹏飞1，王玮2
（1.重庆交通大学，重庆400074；2.军事交通学院，天津300161）

长江干线两坝间河段是典型的长直窄深急滩。对于此类特殊的急流滩，传统的治理方法效果不佳。本文根据水深浅流速小的水力特性以喜滩为例提出了一种创新性的治理方法—潜顺坝法，应用平面二维水流数学模型，采用实测资料，分析方案治理效果，可以大幅改善喜滩段的上滩水流条件，具有较好的治理效果，为长直窄深型急滩的治理提供了一个新的思路。

长直窄深急滩；数学模型；治理方法；潜顺坝

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.01.029

1 前言

通航河流三大类碍航滩险（浅滩、急滩、险滩）之一的急滩，在山区河流普遍存在。长直窄深型急流滩，是指滩段不仅长、直、窄、深，且两岸陡峭，具有水位变幅小、泄水面积增率与流量增率极不适应、流速急且横向分布均匀等特点，常出现在库区。与一般的卡口型、横埂型、峡谷型等洪水急滩大为不同，上述急流滩采用常规的急滩整治方法已无法达到整治效果、实现整治目的，因此需研究新的整治方法。

喜滩位于宜昌上游27.8～28.8km（图1），为典型的长直窄深型急滩。受三峡工程蓄水和葛洲坝反调节的影响，其水流湍急，流态紊乱，泡漩、回流等现象随处可见。在流量40000m3/s时，滩上最大流速接近5 m/s，超过万吨级船队自航过滩能力，随着流量的增大，滩情更加恶劣。本研究针对喜滩应用平面二维水流数值模拟的方法，通过对喜滩的滩性与碍航因素的分析，寻求长直窄深型急流滩的整治思路。

图1 滩段位置图

2 喜滩急流滩的特点

2.1 喜滩的碍航特点

根据水流条件分析（代表船型为：3000t单船），脚踏步～喜滩段航线在Q＞40000m3/s时出现急流碍航。在严须沱～喜滩段，Q＞35000m3/s时出现不良流态碍航。

2.2 喜滩成因分析

喜滩是典型的长直窄深型急滩，其主要成因如下。

（1）河道狭窄。

图2可清楚看出，喜滩段河道狭窄，过水面积小，其中河段最窄处，流量从25000m3/s到55000m3/s，增率为120%，而过水面积仅从11380m2增加到12406m2，增率仅9%，二者极不适应，差值超过了13倍。因此形成了随着流量的增大，水流流速也大幅度增加的变化规律。加之断面形态复杂，表面流量占的比重较正常形态断面要大，因此形成急流滩段。

图2 断面过水面积沿程变化图

（2）河道平面沿程收缩，然后又逐渐扩散。

平面上，严须沱往下逐渐收缩，至喜滩后又逐渐扩散，这是形成局部陡比降的主要原因。从图3的河面宽度沿程变化可见，Q=32500m3/s时严须沱至喜滩缩窄率约34%，然后又扩散到白马沱下口的420m左右，其中扩散率稍大。由此在喜滩上游形成局部陡比降。

图3 河面宽度沿程变化图

（3）岸边形态的突变及深泓突降。

喜滩段左岸脚踏步有一挑嘴，形成明显挑流，将主流挑向右岸，在下游岸边形成回流带，束窄了有效过水断面面积，形成卡口。上游严须沱处，岸线外凸，形成挑流，岸边形成回流区且出现泡漩，斜流作用明显。岸边形态的突变及深泓突降30m使得水流连续性差，加之河床凸凹不平，突下突上，因此形成回流、泡漩等流态。

2.3 综合上滩指标

将上滩指标的流速V、比降J通过数值分析的方法合并为一个综合指标E，这样更方便判别船舶上滩能力，通过计算求得代表船舶自航上滩的指标见表1。

表1 代表船型上滩指标

3 平面二维水流数学模型及其验证概况

（1）水流连续方程

（2）x方向动量方程

（3）y方向动量方程

建立的数学模型，上起梳子溪，下至鸡公滩，模拟范围全长8.4km，计算河段共19601个单元，40158个节点。计算河段的网格间距为25m，对重点治理区域的网格如图4，进行了加密处理，加密处网格间距为10m。

应用建立的二维水流数学模型，进行了数值模拟计算。结果表明，流速大小及分布与实测资料较为一致。对比数模计算的流场与实测的浮标迹线，数模计算结果与实测浮标迹线走向均达到了基本一致。二维水流数学模型的建立和数值计算方法合理，能正确模拟河道的水流，可进行下一步研究。

图4 重点整治区域网格布置图

4 传统治理方法研究

一般的急滩整治的基本方法，包括扩大泄水断面法和水工分流法等。对两种传统整治方法在喜滩的应用，从政治效果、工程投资、施工难度等方面进行了对比分析，从表2得知两种方法都不具备可行性。

表2 传统整治方法比较分析

5 潜顺坝治理方法研究

5.1 治理思路

从水力学中的谢才公式表明水深越小流速越小，导出修筑水下平台后深槽流速、平台流速分别与修筑前流速的关系：

图5 矩形断面示意图

5.2 治理方案Q与布置

方案前的综合上滩指标分布图6显示，喜滩段碍航点最为集中分布于航道里程4.3～4.6km的流域内，因此方案Q布置的潜顺坝上游端自航道里程4.9km处，下游至航道里程4.0km处，全长900m，迎水坡、背水坡及坝体左侧坡度均为1∶0.5。在此基础上对潜顺坝的坝高进行调试，以期在某一合适的坝顶高程可解决大流量下喜滩的碍航情况。工况组合见表3，平面布置如图7。

图6 方案前各级流量综合上滩指标

5.3 治理效果分析

当坝顶高程增加至56m即方案Q3时，从图8可看出，喜滩段的综合上滩指标在55000m3/s流量下已全部降至临界指标3.14以下，流速全部小于3.5 m/s，大流量情况下喜滩的碍航特性得到治理。计算数据显示喜滩下游综合上滩指标较工程前有所增加，但最大值为3.32，仅超标0.18，因此方案Q3基本达到了对喜滩这一长直窄深急滩的治理目的，保证了大流量情况下的顺利通航。

表3 喜滩潜顺坝坝高调试试验工况

图7 潜顺坝方案Q3平面布置图

图8 潜顺坝方案Q3综合上滩指标

5.4 潜顺坝可行性分析

潜顺坝主体的施工可采用抛石填筑，现抛石填方单位为50元/m3，得潜顺坝抛石填方造价为1.11亿元。C20混凝土单价为443元/m3，混凝土浇筑造价为0.57亿元，考虑到深水下浇筑混凝土，按费用增加一倍考虑，为1.14亿元。因此，要修筑方案Q3的潜顺坝其抛石填方与边坡混凝土加固共需2.25亿元，与水工分流法相比，大大节省了投资。

潜顺坝法并非适用于所有急滩的治理，通过对方案Q3的分析，潜顺坝坝上水流特性对于坝高的变化十分敏感。对于洪枯水位变幅较大的急滩，洪水期水位较高潜顺坝能较好的发挥治理效果，当枯水期时水位过低，潜顺坝有可能导致通航水位不足。因此，潜顺坝法适用于以急流碍航为主，洪枯水位变幅不大的库区长直窄深型急滩。