东江(河源至石龙段)航道整治研究技术难点分析

李 艳，刘亚辉，周 勤，张绪进

(重庆西南水运工程科学研究所，重庆 400016 )

东江是珠江水系三大河流之一，发源于江西省寻邬县桠髻钵，上游称寻邬水，南流入广东境内，至龙川合河坝定南水汇入后，称东江。干流自源地至东江口全长562 km，流域面积35 340 km2，占珠江流域面积的5.96%。东江干流自发源地由东北向西南流经广东省龙川、河源、紫金、博罗、惠阳等县(市)，至东莞市石龙镇分南(东莞水道)、北(东江北干流)两支注入狮子洋。石龙以上至发源地长520 km，主要支流自上而下有贝岭水、浰江、新丰江、秋香江、公庄水、西枝江、石马河等。石龙以下称东江三角洲，属珠江三角洲的一部分。

东江是广东省中东部水运通道之一，为满足腹地经济对水运发展的需要，充分发挥东江航道的潜能，广东省航道局已组织完成了东江河源至石龙航道扩能升级工程预可行性研究工作。目前在预可行性研究的基础上，广东航道局正组织有关单位开展该工程的可行性研究工作。东江河源至石龙航道扩能升级工程起点为河源市独石大桥，途经惠州市，终点为东莞市石龙铁路桥，总长约223 km，自上而下已建有木京、风光、沥口和剑潭4座枢纽(图1)。东江航道扩能升级工程拟开展上述223 km河道的航道整治，并配合木京、风光、沥口和剑潭四座枢纽新建1 000 t级二线船闸，将东江河源至石龙段航道等级提高至Ⅲ级，其设计航道尺度为2.5 m×60 m×330 m，航道通航保证率95%[1-3]。

按照目前已建梯级情况，东江(河源至石龙段)可分为木京库区、木京枢纽至风光枢纽、风光枢纽至沥口枢纽、沥口枢纽至剑潭枢纽、剑潭枢纽至石龙大桥共5个河段。该航道的主要特点是受梯级建设影响大，要求的航道等级提升幅度大，部分航段将由Ⅵ级直接提高至Ⅲ级，需要疏浚开挖的航段长、工程量大，这就决定了东江河源至石龙航道扩能升级工程难度较大，特别是在剑潭枢纽库尾(横沥)以上至沥口枢纽段(长约50 km)现仍为天然的未渠化河道，按照Ⅲ级航道2.5 m航深整治要求，需要开挖的浅段长、工程量大，航道稳定难度大。因此，从现状航道条件综合分析， 东江(河源至石龙段)航道提级整治仍存在较大的技术难度，本文就其中可能存在的研究难点作初步分析。

图1 工程所在地理位置

1 研究河段概况

目前，东江(河源至石龙段)航道现状是：河源独石大桥至河源东江大桥为VI级航道，设计航道尺度为0.8 m×20 m×120 m，可通航100 t级船舶；河源东江大桥至惠州市惠州大桥为V级航道，设计航道尺度为1.5 m×40 m×260 m，可通航300 t级船舶；惠州市惠州大桥至东莞石龙铁路桥为IV级航道，可通航500 t级船舶，设计航道尺度为2.0 m×50 m×330 m。研究河段自上而下已建有木京、风光、沥口和剑潭4座枢纽，其中，风光枢纽虽已建成，但未按设计水位运行，库尾至木京坝址仍有长约8 km的河段处于变动回水区，部分航段与拟升级的Ⅲ级航道要求仍有差距；沥口水电站在2008年施工后，因工程一直处于未完工状态，阻断了河源—惠州段航道，若沥口电站按设计正常运行，则其库尾至风光枢纽坝下水位基本衔接，但风光枢纽坝下航段不能满足Ⅲ级航道尺度要求；沥口与剑潭枢纽之间规划的下矶角枢纽尚未实施，剑潭库尾横沥以上—沥口长约50余公里的河段仍处于自然状态，按照Ⅲ级航道标准尺度要求，除少数挖沙河段外，该航段水深严重不足，涉及滩险数量多、分布密集、持续距离长，河段浅滩总计长达近40 km。此外，多年来东江人为采砂活动频繁，采砂河段多、采砂量大、范围长，引起河床冲淤和河段水文变化大，河床显著下切，沿程水位逐年显著降低。

在本世纪初，为实现东江河源至惠州、惠州至河口段航道提档升级，曾对该段航道开展过研究和整治工作。目前，在东江上已建的大多数整治建筑物等均是该时期所修建。东江河段航道目前存在的主要问题是：在枢纽下游近坝区及库尾回水变动区河段，由于坝下清水冲刷、库尾回水变动区河床冲淤变化和频繁的采砂活动，河床演变较为剧烈。特别是在横沥至沥口段还存在较长的天然河段，水深浅，滩险流速较大，通航条件差，航道等级较低。

2 研究技术难点分析

2.1 长河段各特征水位的确定

航道整治的前提是根据整治标准分析确定设计流量和整治流量及对应的水位，其中设计水位、整治水位及其他特征水位的确定是研究河段航道整治的前提，是进行航道整治规划、工程设计及施工的基本依据[4]。

以设计水位为例，确定整治河段沿程设计水位的通常做法是建立水流数学模型，入口采用设计流量作为上游控制边界，出口采用给定的水位自下而上进行推求。东江(河源至石龙段)研究河段总长达223 km，受枢纽分割的影响，数学模型建模时也应分段进行。此外，东江沿线经过的城镇较多，边界条件大多变化较大，且该河段曾历经整治，沿河两岸已建数百座丁坝，历史整治建筑物对工程河段影响也较大，一定程度上增加了数学模型建模的难度。因此，为了确保计算的准确性，使计算成果能较好地反映工程河段实际情况，一方面需要广泛收集工程上游河段河源站、整治河段岭下水文站及下游博罗站的水文泥沙、研究河段内木京、风光、沥口和剑潭等四座已建枢纽的建设与调度、研究河段前期航道整治等基础资料，使得建模前的准备工作大大增加；另一方面建模时需根据河势特点，考虑典型滩段、弯道段、卡口控制河段、各特征建筑物尤其是研究河段历史上修建的大量整治建筑物等对计算成果的影响。受木京、风光、沥口、剑潭等枢纽分割的影响，数学模型需分成5段进行建模。同时还需考虑较大支沟入汇的影响，使数学模型能较好的反映整个河道的实际特点，这些都增加了模型建立的复杂性。

由于航道整治设计、相应的物理模型试验、水资源论证、防洪评价等专题均需相关特征水位资料方能开展，因此能否正确确定长河段特征水位成为东江(河源至石龙段)航道整治研究的技术难题之一。

2.2 滩险特性及成因分析

滩险特性及成因分析是制定航道整治措施的基础，需要掌握研究河段各滩险的特性和成因，以便制定整治原则、整治措施和整治方案。按照Ⅲ级航道设计尺度要求，对照2016年及2017年最新地形测图，东江(河源至石龙段)航段滩险共有17个(表1)。总的来看，研究河段滩险以碍航浅滩为主，主要碍航情况为水浅、航深不足。

从东江历史演变情况来看，大体上河型河势总体保持稳定状态，但近年来受枢纽建设、城市发展、整治建筑物以及河道采砂的影响[5]，研究河段已经发生较大的演变，原来的河型河势演变规律与现今的演变特点已有一定的变化，各滩险特性和成因较历史的研究成果已有较大的变化。由于本次东江整治河段河床演变影响因素较多，增加了各滩段滩险特性及成因分析的难度与复杂性。受枢纽建设的影响，研究河段滩险一部分位于枢纽坝下近坝河段(下一级枢纽库尾河段)，这类河段受枢纽运行影响较大：如木京坝下、风光库尾的木京、东源和黄沙等3处浅滩，总长8.5 km；风光坝下、沥口库尾的黄牛浅滩，总长3.5 km；一部分滩险位于横沥至沥口天然河道，如猛虎跳墙、观音阁、岚派、横岭、芦洲、秀岭、沙梨园、鹅塘洲、瘦狗龙、岭下、铁冶派、墨园等12处浅滩，总长度约39 km(图2)。设计流量238 m3/s(综合历时保证率95%流量)下，航槽内水深多在1.0～1.5 m，局部最小水深仅0.5 m，其中急弯段(沙梨园浅段)还存在扫湾斜流的问题。研究河段航深明显减小，浅滩上、下相连，形成长达40余公里的特长浅区。同时，研究河段为主要采砂河段，芦洲上游的槟榔潭河段、瘦狗龙下游的新荣村、墨园石仔山以下至横沥河段均为大规模采砂区，河床失沙严重，河段其它局部也有采砂活动。据现场调查及收集近15年河床地形资料分析，受过量采砂影响，被采河段河床整体大幅下切，普遍下切深度达6～9m；一些非采砂河段因采砂引起的水位降低、流速增大，也呈现出普遍的冲刷、下切态势，近15年来河床普遍降低了2～3 m左右。工程河段采砂对河床演变的影响较大。另外，研究河段本世纪初曾进行过航道整治，沿河两岸修建了大量的丁坝，起到了“固滩束水”的作用，大部分航段航槽趋于基本稳定。但受无序且过量的采砂活动的影响，河道平衡被打破，航道稳定亦受到严重影响。

因此，分析研究整治河段多因素影响下的河床演变规律，正确找出其中的滩险特性变化及成因演变规律，需在广泛收集相关基础资料的基础上，结合各阶段原型观测资料，并借鉴类似江河已有的研究成果，为制定整治原则、措施及整治方案打下可靠基础，也是本项目的研究重点及技术难点。

2.3 整治原则的确定

研究河段总长达223 km，滩险众多、滩性各异，而有针对性的提出不同区段、不同类别及各具体滩险的整治原则，是制定整治方案的关键所在。

按照分类，东江(河源至石龙段)整治河段可分为两类，一类是枢纽坝下减水河段或水库回水变动区段的整治，另一类是横沥至沥口天然长河段的整治。根据以往类似工程经验，整治措施宜根据浅滩、急滩、险滩的不同碍航性质而分别制定，如岩石河床整治以炸礁为主，沙卵石河床以疏浚为主、辅以筑坝相结合[6-9]。东江大多属于砂质河床，颗粒级配分析成果为中值粒径在0.5～3.55 mm之间。受人类活动影响，特别是大量无序采砂对河道生态环境的破坏，研究河段水位大幅下降(据岭下站水文资料，枯季水位降落可达2 m以上)，水深明显减小(最小水深仅0.5 m)，原有分散的浅滩已上下连接成一片，航道条件严重恶化，必须采取基建性疏浚才能挖出符合设计要求的Ⅲ级航道。由于研究河段现状情况是浅滩连片、水深浅且浅区长，距设计要求的航道尺度相差甚大，欲达到Ⅲ级航道2.5 m设计水深的建设目标，需进行特长浅滩整治。

图2 横沥至沥口段天然河段浅滩分布

除遵循一般沙质浅滩整治研究方法外，对现有河势的控制、整治后稳定航槽的维持(如与采砂的相互影响关系)等都是特长浅滩整治面临的难点与关键问题，不仅仅是简单的疏浚就能解决的。

河势稳定是航槽稳定的基础，研究河段为平原性河流，沙质河床，冲淤变化较明显。经过社会各方的多年治理，沿河两岸堤防已较完善，河道节点受到保护，该河段河势总体基本稳定，在此基础上还需加强对薄弱环节的保护。此外，受多种因素的影响，特长浅区疏浚航槽的冲淤变化相对复杂，整治难度大，可借鉴的经验不多。同时研究航段曾历经整治，基本形成了较合理的中枯水航槽走向，如何系统地与既有整治建筑物相配合，共同达到调节水流、束水攻沙、维持航槽稳定的目的，这都成为本次东江(河源至石龙段)特长浅滩整治原则提出的制约性问题。

2.4 航槽稳定性

东江航道扩能升级工程大部分滩为浅滩，需按照航道整治标准进行疏浚或者开挖新航槽，如何维持疏浚后航槽的稳定是各滩整治面临的共同问题。由于东江现状航道等级相对较低，河源至石龙河段将提高至Ⅲ级，对不少河段而言，需要开挖航槽的里程长，开挖深度较深，例如横沥至沥口段有接近40 km的河段需要连续开挖整治，最大疏浚深度达3.0 m，整治后挖槽局部回淤难以避免。由于研究河段浅滩多，浅段长，水沙条件复杂，在弯曲段、过渡段水流动力轴线摆动较大，各浅段输沙能力大小不一，加上来水来沙的不均衡性和人类活动(如过量采砂)等多种因素的影响，局部挖槽存在一定量的泥沙回淤问题，严重时可能造成航深不足影响船舶通航。

东江水量不大，输沙能力有限，整治难度大。特别是近十几年来大规模采砂引起水位大幅下降，航槽普遍出浅(最小水深仅0.5～1.0 m)，与Ⅲ级航道标准相差甚远。目前国内外采用整治方法大幅提升特长、特浅沙质河段的航道等级尚无先例，加之人为采砂活动的影响(河段受过量采砂影响较短时间内尚难达完全稳定状态)，如何保持长河段开挖航槽的稳定是较为困难的，因此航槽稳定性本身就是项目实施的技术难点和重点。

2.5 梯级建设对航道条件的影响

水库调度首先是确保工程本身防洪安全，发挥水库的防洪作用，在保证防洪安全的前提下，兼顾发电、航运和排沙。通过在河流上建设多级综合水利枢纽工程来满足流域防洪、发电、航运、供水、生态等多方面的效益。但与此同时，梯级水库调度改变了河流天然的水文过程，对其下游航道通航条件也产生了明显的影响[10-11]。

目前东江上木京、风光、沥口、剑潭等枢纽相继投入使用，水库的调水拦沙作用在一定程度上改变了东江的来水来沙条件，对各滩的泥沙运动规律、河床冲淤演变、航道尺度、水流条件的影响值得关注。另外电站下泄非恒定流亦对各滩的通航水流条件产生一定的影响。因此，电站运行导致的下游航道变化、电站下泄基流是否能够满足东江航运基流的要求，这些问题的研究，均需收集已建及规划的电站梯级资料，分析其运行方式对枢纽上、下游河段水沙条件的影响，结合理论分析、数模计算或物理模型试验研究，分析梯级建设对航道整治工程的影响，并提出对策。

3 结语

东江航道扩能升级工程拟通过航道整治，并配合工程河段内枢纽新建1 000 t级二线船闸，将东江河源至石龙段航道等级提高至Ⅲ级，航道设计水深满足2.5 m。结合东江航道实际情况并就其中的航道整治研究难点进行了初步分析，认为其主要存在各特征水位确定、滩险特性及成因分析、整治原则、航槽稳定性、梯级建设对航道条件的影响等五个方面的技术难题。东江1 000 t级航道的整治是一个综合性工程，本文的分析以期能为类似整治工程的研究提供积极的参考价值。