长江中游盐船套至螺山河段航道整治工程对河道演变影响

(长江科学院 河流研究所，湖北 武汉 430010)

长江中游盐船套至螺山河段航道整治工程对河道演变影响

唐峰朱勇辉姚仕明陈栋

(长江科学院河流研究所，湖北武汉430010)

长江干线航道以云南水富至长江口，素有“黄金水道”之称。然而，长江干线部分河段河道蜿蜒曲折，滩多水浅，成为了长江黄金水道的“瓶颈”，有必要通过航道整治等措施来改善和提高长江干线航道通航能力。但是大规模的航道整治会对防洪、河势带来一些不利影响。为了研究这种不利因素的影响程度并提出对策措施，选取了长江中游典型河段盐船套至螺山段作为研究对象，利用长江防洪实体模型开展了航道整治工程方案实施前后系列年动床模型试验，研究了工程方案实施前后该河段冲淤变化过程、冲淤规律、数量及分布，并在此基础上研究了工程方案实施后对该河段的河势及防洪产生的影响。研究成果可为该段航道治理工程方案的优化及河势控制工程规划、设计等提供技术参考。

黄金水道；航道整治；河道演变；河势；防洪

长江干线航道从云南水富至长江口，全长2 838 km，是国家综合运输体系、长江运输大通道的核心，也是我国唯一一条贯穿东、中、西部地区的水路运输大通道，素有“黄金水道”之称[1]。长江干线宜昌至安庆河段全长约1 087 km，河道蜿蜒曲折，滩多水浅，历来是长江防洪和航道建设的重点和难点。与上、下游相比，宜昌至安庆段航道标准明显偏低，成为长江黄金水道的瓶颈，难以充分发挥其物流“动脉”畅通作用。因此，通过航道整治等工程措施改善和提高宜昌至安庆段的通航能力，具有十分重要的意义。

考虑到上游建库后宜昌至安庆河段河道演变的复杂性，如部分河段河势尚不稳定、受人类活动影响显著。航道整治一般为低水整治，属于河道治理的一部分，而稳定的河势是整治的基础，因此需要对河势不稳的河段采取河势控制工程；同时航道整治还会对防洪、河势带来一些不利影响，尤其是大规模的航道整治，需在规划阶段开展其对防洪、河势影响的研究，并针对不利影响提出对策措施。

本文针对长江宜昌至安庆段的地理位置及河型特点，选取了极具代表性的河段——盐船套至螺山段作为研究对象，通过收集整理大量实测的水文、地形资料，对该河段的河道演变规律进行了分析。在此基础上，利用长江防洪实体模型开展了航道整治工程方案实施前后系列年动床模型试验，研究了工程前后该河段的冲淤变化规律及河势变化趋势，并在此基础上分析了工程方案实施后对该河段的河势及防洪产生的影响。研究成果可为该段航道治理工程方案的优化及河势控制工程规划、设计等提供技术参考。

1 河道概况

模型试验河段上起下荆江盐船套，下迄螺山，全长约86 km，包括下荆江出口段(盐船套至城陵矶)、城螺河段以及洞庭湖出口洪道约7.5 km河段(岳阳至城陵矶)。其中下荆江出口段为重点研究河段，由荆江门、熊家洲、七弓岭及观音洲4个连续急弯段及弯道之间的过渡段组成，属于典型的蜿蜒型河道[2]。

河段两岸建有堤防工程，左岸有监利长江干堤，右岸有岳阳长江干堤。近几十年来，由于受下荆江裁弯、三口分流葛洲坝水利枢纽的建成运行以及1998年大洪水等因素的影响，下荆江出口段的河道演变特点主要表现为凹岸不断崩退、凸岸不断淤长、弯顶逐渐下移以及河身向下游蠕动。三峡水库蓄水运用后，由于上游来沙量急剧减少，水沙条件的变化导致该河段河槽冲刷，河势发生了较大调整，主要表现为：主流出熊家洲弯道后不再过渡到右岸而直接沿八姓洲西岸下行；七弓岭和观音洲弯道发生“撇弯切滩”；弯道凹岸深槽上段淤积、下段冲刷并向下游方向延伸；凸岸边滩上游面冲刷、下游面回淤；洲头“切滩撇弯”；弯道凹岸下游的未护岸地段岸线崩塌。

该试验段径流和泥沙主要由宜昌上游来水来沙控制，同时受荆江三口分流分沙变化及洞庭湖汇流水沙变化的影响，选取监利水文站为荆江进口水沙特征代表站。三峡水库蓄水运用以前，根据监利站1951～2002年的实测资料统计，多年平均流量11 400 m3/s，多年平均径流量3 596亿m3，径流年内分配不均，74.6%的径流量集中在5～10月的汛期；多年平均悬移质输沙量3.51亿t，多年平均输沙率11 130 kg/s，多年平均含沙量1.00 kg/m3；输沙量年内分配极不均匀，汛期5～10月输沙量占年输沙总量的90.3%，相比水量更为集中。三峡水库蓄水运用以后，根据监利站2003～2015年资料统计，多年平均流量11 576 m3/s，相应径流量3 649亿m3；径流年内分配不均，71.3%的径流量分布在汛期5～10月；多年平均输沙量仅0.75亿t，较建库前减少78.6%，上游来沙的减少，导致荆江河段河道将在一段时期内将受到冲刷。

2 动床模型设计

2.1 模型模拟范围

动床模型模拟范围上起盐船套(荆171)，下至螺山，河段全长约85 km，包括下荆江出口段及江湖汇流段。由于该河段有洞庭湖汇入，汇流将直接影响该河段的水流条件及河床冲淤变化，因此模型对洞庭湖出口洪道进行了模拟，范围为南津港至莲花塘，原型长约14 km。

2.2 模型相似条件

根据研究内容和试验河段的水沙条件及河床组成情况，动床模型除满足几何相似和水流运动相似外，还应满足泥沙运动相似条件，动床模型各类比尺汇总于表1。最终的河床变形时间比尺、含沙量比尺需通过验证试验确定。

表1 动床模型各类比尺汇总

2.3 模型测控系统

试验河段模型试验放水要素采用计算机自动控制，其中长江和洞庭湖模型进口流量分别由3台电磁流量计交互控制，进口沙量分别由3台螺杆泵采用调频器交互控制，出口水位由1台梭拉式尾门自动调节。模型试验中采用自动水位仪来观测模型沿程水位，采用多点式光电流速仪、自动测淤仪以观测断面流速分布及河床地形等。

2.4 模型验证

动床模型验证试验主要是通过对水面线、断面流速分布和河床冲淤变形等要素的验证试验，以检验模型设计、选沙及各项比尺的合理性，从而保证模型方案试验的可靠性，并最终确定模型的含沙量比尺与河床冲淤变形时间比尺，为后期开展航道整治工程方案实施前后河床冲淤变化试验研究奠定基础。

验证试验初始河床地形采用2008年10月底实测1∶10 000水下地形图，模型施放2008年10月至2011年11月的水沙过程，以复演2011年11月实测河床地形。

动床模型验证试验研究成果表明，模型沿程水位及垂线平均流速沿河宽的分布与原型基本相似，各段不同流量级下河床冲淤量总的变化规律与原型基本一致，模型深泓位置、断面形态横向分布与原型基本吻合，较好地复演了原型滩槽泥沙运动冲淤规律，表明模型设计、选沙及各项比尺的运用基本合理。

3 航道整治工程布置方案

根据航道部门提供的航道工程治理推荐方案[3]，如图1所示，本次动床模型试验对拟实施的航道工程方案进行了模拟，其航道治理思路为调整并改善弯道段的滩槽形态，增强水流归槽冲刷能力，稳定主槽地位，改善航道条件。具体布置方案为：①在荆江门弯道反咀凸岸侧实施4道护底带，并对反咀凸岸高滩实施守护；②在熊家洲弯道弯顶处布置4条护滩带；③在七弓岭弯顶凸岸侧布置3条护滩带，并对八姓洲西侧岸线实施守护；④在观音洲弯道下游布置4道勾头丁字型护滩带；⑤对南阳洲右缘及费家墩边滩实施守护。

图1 航道整治工程布置方案

4 动床模型预测试验[4]

4.1 模型试验条件

(1) 边界条件。长江盐船套至螺山段河道冲淤试验模拟范围与动床模型验证试验范围一致。试验初始地形采用2014年2月实测1∶10 000河道地形。本次动床模型冲淤试验研究按航道治理工程实施前后两个条件进行模型试验：①条件1根据试验河段已实施河道整治工程和航道整治工程，模型对荆江门、熊家洲、七弓岭、观音洲等部位护岸工程和已实施航道工程以及岳阳洞庭湖大桥、荆岳长江公路大桥等进行了模拟；②条件2在条件1的基础上增加此次航道部门提供的航道工程治理推荐方案。

(2) 水沙条件。模型试验时段为10 a，试验系列年可在距今较近的年份选择，2008～2012年5 a中涵盖了大、中、小水文年，具有一定的代表性。因此，初步选择监利站和七里山站实测10 a水沙组合(2008+2009+2010+2011+2012+2008+2009+2010+2011+2012)进行系列年试验。依据实测资料对试验河段沿程水位、进口流量与输沙量等水沙条件进行不同时段步长概化，其中模型模拟进口的输沙量取粒径大于0.05 mm泥沙。

4.2 模型试验成果分析

4.2.1 河床冲淤量及枯水河槽平均冲淤分布

(1) 航道整治工程实施前，系列年动床模型试验全河段以冲刷为主，各河段冲刷强度有所不同，其中下荆江出口段(盐船套至城陵矶)冲刷强度大于城螺河段冲刷强度；而下荆江出口各段冲刷强度差别不大，其中荆江门河段冲刷强度相对较弱。下荆江出口段(盐船套至城陵矶)系列年第4 a末枯水河槽累计冲刷2 897.9万m3，平均冲深0.55 m；第5 a后冲刷强度有所减弱，至10 a末枯水河槽累计冲刷4 636.5万m3，平均冲深0.87 m。城螺河段系列年第4 a末枯水河槽累计冲刷1 028.5万m3，平均冲深0.26 m；系列年第10 a末枯水河槽累计冲刷1 514.6万m3，平均冲深0.39 m。

(2) 与航道整治工程实施前相比，工程实施后全河段仍以冲刷为主，但整体冲刷量小于工程实施前。其中荆江门河段(利5～荆175)10 a末累计冲刷387.3万m3，较工程前减少6.8%；熊家洲河段(荆175～荆179)10 a末累计冲刷1 017.6万m3，较工程前减少9.4%；七弓岭河段(荆179～荆181)10 a末累计冲刷1 513.3万m3，较工程前减少4.6%；观音洲河段(荆181～利11)10 a末累计冲刷1 431.3万m3，较工程前减少5.3%；城螺河段(利11～螺山)10 a末累计冲刷1 485.8万m3，较工程前减少1.9%。经统计,下荆江盐船套-城陵矶河段4 a末累计冲刷2 633.9万m3，较工程前减少9.1%，平均冲深0.50 m；10 a末枯水河槽累计冲刷4 349.6万m3，较工程前减少6.2%，平均冲深0.82 m。

4.2.2 汊道分流比变化

试验对运行10 a末分汊河段南阳洲左右汊分流比进行了观测，不同流量条件下南阳洲右汊均为主汊，且随流量的增加而增大，右汊分流比也略有增大；航道整治工程实施后，由于南阳洲右缘下段护岸工程及费家墩右岸护岸工程的实施，制约了右汊河床的横向扩展，与工程实施前相比，不同流量下南阳洲右汊分流比略有减小，其中多年平均流量11 397 m3/s减小幅度最大。工程实施后右汊分流比为72.5%，较工程前减小2.3%；枯水流量6 495 m3/s时，工程后右汊分流比为71.8%，较工程前减小1.3%；平滩流量22 088 m3/s时，工程实施后右汊分流比为73.5%，较工程前减小1.9%。

4.2.3 航道整治工程实施前后河势变化对比

通过分析航道整治工程实施前后两组条件下模型试验成果可知，系列年动床模型试验第4 a及第10 a末，盐船套至城陵矶河段河势仍维持现有格局，从滩槽形态变化看，与工程实施前相比，工程实施后该河段滩槽格局基本稳定，滩槽变化主要体现在工程区域附近。

以七弓岭弯道段为例作进一步说明(图2)，其第4 a末地形主要特点有：经过4 a水沙连续作用后，从滩槽形态变化看，七弓岭河段工程实施后滩槽格局基本稳定，滩槽变化主要体现在工程区域附近。工程方案实施后，在弯道凸岸实施的3道护滩带以及八姓洲护岸工程，有效地遏制了弯道进口过渡段凸岸边滩的冲刷崩退，同时由于护滩带能起到减缓水流流速的作用，凸岸边滩回淤，促使河槽断面缩窄，水流归槽，有利于航道条件的改善。其中3道护滩带之间的凸岸边滩出现了一定程度的淤积，与工程实施前4 a末地形比较，工程实施后4 a末凸岸边滩20 m等高线向右岸最大回淤约350 m，见图2。由于弯道进口过渡段凸岸边滩不再冲刷崩退转而向右岸回淤，致使河槽断面缩窄，过渡段深泓右摆，促使水流向凹岸深槽过渡，增大了水流对右岸深槽冲刷的强度，右岸深槽相应冲刷下切；与工程实施前4 a末地形比较，工程实施后4 a末过渡段深泓右摆约230 m，弯道主流顶冲点相应有所上提，右岸深槽最大冲深约5.9 m。

图2 工程前后4 a末七弓岭弯道附近横断面变化

第10 a末地形主要特点(图3)：经过10 a水沙连续作用后，同第4 a后相似，七弓岭河段工程实施后滩槽格局基本稳定，滩槽变化也主要体现在工程附近，但工程对附近河势的影响逐渐加强。3道护滩带之间的凸岸边滩发生明显淤积，与工程实施前10 a末地形比较，工程实施后10 a末凸岸边滩20m等高线向右岸最大回淤约400 m，见图3，其范围和淤积程度有一定增大。由于弯道进口过渡段凸岸边滩不再冲刷崩退转而向右岸回淤，致使河槽断面缩窄，过渡段深泓右摆，促使水流向凹岸深槽过渡，增大了水流对右岸深槽冲刷的强度，右岸深槽相应冲刷下切；与工程实施前10 a末地形比较，工程实施

图3 工程实施前后10 a末七弓岭弯道附近横断面变化

后10 a末过渡段深泓右摆幅度增大，最大摆幅约380 m，弯道主流顶冲点继续上提，右岸深槽冲刷下切幅度增大，最大冲深约8.6 m。

5 结 语

系列年动床模型试验研究成果表明，经过10 a水沙连续作用后，航道整治工程实施后的盐船套至螺山河段滩槽格局基本稳定，滩槽变化也主要体现在工程附近。工程实施后，新建护滩带之间的凸岸边滩发生明显淤积。由于弯道进口过渡段凸岸边滩不再冲刷崩退转而向对岸回淤，致使河槽断面缩窄，过渡段深泓向对岸摆动，弯道主流顶冲点上提，促使水流向对岸深槽过渡，增大了水流对对岸深槽冲刷的强度，对岸深槽相应冲刷下切。与工程实施前相比，工程实施后10 a末荆江门、熊家洲、七弓岭原弯道凹岸深槽以及观音洲弯道出口段左岸深槽均有不同程度冲深，建议对深槽冲刷下切及近岸流速增大的部位实施河势控制工程。

[1] 长江科学院.长江干流武汉至安庆段提高航道标准可行性论证总报告[R]. 武汉：长江科学院，2014.

[2] 余文畴,卢金友.长江河道演变与治理[M].北京:中国水利水电出版社,2005.

[3] 长江航道规划设计研究院. 长江干流武汉至安庆段航道整治方案[R]. 武汉：长江航道规划设计研究院2015

[4] 唐峰，朱勇辉，陈栋．长江宜昌至安庆段提高航道标准治理工程实体模型试验报告(盐船套至螺山段)[R]．武汉：长江水利委员会长江科学院，2015.

(编辑：李晓濛)

2017-09-15

国家自然科学基金重点项目(51339001)；国家自然科学基金面上项目(51579015)；国家重点研发计划水资源高效开发利用重点专项课题资助(2016YFC0402305, 2016YFC0402310，2017YFC040306)；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项(CKSF2016032)

唐 峰，男，长江科学院河流研究所，高级工程师.

1006-0081(2017)11-0039-04

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