长江中游芦家河水道维护性疏浚技术*

董正法,黄蓓蓓,李 明,高凯春

(1.长江航道局，湖北 武汉 430010;2.长江航道规划设计研究院，湖北 武汉 430040)

航道维护性疏浚技术主要利用人力、机械等清除水下土石方，是维持航道尺度、保持航道畅通的最有效手段之一[1-3]。2018年长江干线(宜宾道—浏河口)航道维护性疏浚总工程量已达到2 788.16万m3,有效保障了长江全线航道的畅通。但传统航道维护性疏浚技术主要立足于解决航道水浅问题[4-5]，对于船舶航行条件而言，其受水深、航宽、弯曲半径、水流流态等多方面复杂因素影响[6-8]，导致目前维护性疏浚技术仍存在较多问题，部分重点碍航河段的航道维护性疏浚技术仍存在不足。

芦家河水道处于山区与平原河流的过渡地带，属中游重点砂卵石浅滩碍航河段[9]，在水道放宽处河心有砾卵石碛坝，将水道分为沙、石两泓，沙泓为枯水期主航道，石泓为中、洪水期主航道[10-11]。三峡水库蓄水前，主航道在汛期退水时，一旦汛末退水速度过快，石泓水深已不足，而沙泓汛期大量淤积的泥沙又未冲开，则航道会出现紧张局面，另外，毛家花屋—姚港一带枯水比降大、流速急，给上行船舶航行带来很大困难。

蓄水后下游水道来水来沙条件发生明显改变[12-14]，芦家河水道航道问题主要表现为2012年后沙泓进口航槽的沙质淤积体碍航，以及常年存在的毛家花屋—姚港一带的坡陡流急现象。同时在蓄水后，由于下游近坝水道来沙减少，河床沿程冲刷下切，砂卵石河段枯水位持续下降，葛洲坝三江下引航道水深不足的问题日益凸显，作为砂卵石河段水位重要控制节点，芦家河水道对上游水位的控制极为重要。2014年开展的宜昌—昌门溪河段一期航道整治工程，在芦家河进口实施了鱼嘴工程以及石泓护底工程，有效缓解了沙泓进口的淤沙问题，也对上游的枝城站水位控制起到了极为显著的作用。但近期在葛洲坝三江下引航道水深不足的问题仍然存在，一直存在的沙泓中段的坡陡流急现象则呈加剧态势，同时由于卵石推移质局部搬运又产生了新的局部卵石淤积性水浅问题，使得芦家河水道碍航问题更趋严重，目前主要通过维护性疏浚保持航道畅通。本文以此为背景，分析碍航原因，提出了维护性疏浚思路、方案、设计参数，并利用数学模型分析疏浚工程的效果，成果可为内河维护性疏浚技术提供借鉴。

1 河道概况

芦家河水道上起陈二口、下至昌门溪，全长12 km，属微弯放宽型水道，水道进口右侧有松滋河分流，见图1。该河段河床组成为砂卵石，在水道放宽处河心有砾卵石碛坝，中洪水淹没，枯水出露，将芦家河水道分为沙、石两泓，沙泓为目前主航道所在。本水道岸坡结构主要是基岩质、土砾质和硬土质3种类型，岸线多年来总体稳定，河道格局未发生改变。年内主流洪、枯水期的流向在沙、石泓之间左右摆动。

图1 芦家河水道河势

2 碍航特性

2.1 碍航原因

2.1.1持续下降的枯水位

水位尤其是枯水位与航道条件关系极为密切，尤其是近坝砂卵石河段，河床坚硬难冲，航道条件好坏更多地取决于河道内水位高低。三峡蓄水后，坝下近坝水道沿程冲刷，芦家河水道仅2008—2014年间单位河长总冲刷量达172 m3/km，随着河床持续冲刷，坝下河段枯水位均出现了显著下降，见图2。芦家河水道内陈二口、毛家花屋、姚港和昌门溪4处水尺，在5 600 m3/s枯水流量下，2017年的水位比蓄水前2002年分别下降0.31、0.46、0.59、0.59 m。水位的趋势性下降加剧了芦家河沙泓中段浅区的水深不足，航道条件趋于恶化。

图2 5 600 m3/s流量下芦家河水道水位变化

2.1.2局部河道坡陡流急

芦家河水道沙泓中段河道坡陡流急问题由来已久。在175 m试验性蓄水之前，芦家河水道的坡陡流急程度较严重，6 000 m3/s左右流量时，天发码头附近400 m范围内比降可达近0.7‰，最大流速可达2.8 m/s。

三峡蓄水后，坡陡流急现象有所加剧。原因主要有两方面：1)蓄水后近坝水道沿程冲刷，但由于不同区域抗冲能力不同，水道上下游枯水位未能同步下降，表现为下游降幅大而上游降幅小，且随着蓄水持续，进出口枯水落差趋于变大(图3)，必然会对坡陡流急段的比降产生影响。沙泓中段的长程比降有所增加，2017年初5 km范围内比降超过了0.2‰，见图4。2)对于沙泓中段局部而言，175 m试验性蓄水以后，2014年后随着天发码头前沿浅槽冲刷，坡陡流急段的局部比降增大，8 000 m3/s流量下，局部比降增大至0.8‰以上(图5)，最大流速达到3.26 m/s，2017年来最大流速达3.5 m/s，较以往有所增加。

图3 6 000 m3/s流量下陈二口(进口)—昌门溪(出口)枯水落差变化

芦家河河段内存在的坡陡流急现象，船舶上行压力依然较大。根据2017年初长江航道测量中心对急流段航迹观测结果，动力较弱的船舶，上行较为困难。例如华懋1号在毛家花屋坡陡流急段附近水域的最小航速为0.83 m/s，换算时速为3 km/h。部分船舶为通过急流区而采取的“之”字上行路线，导致偏航，存在较大的安全隐患。

图4 沙泓中段长程(5 146 m)比降变化

图5 芦家河水道沙泓中段局部比降变化

2.1.3砂卵石推移质落淤出浅

芦家河沙泓中段浅区在毛家花屋一带枯水期坡陡流急问题十分突出，大流速引起床面卵石冲刷，冲起的卵石在水流稍缓处易落淤形成浅包。

从沙泓中段浅滩形态来看，以天发码头和三宁化工码头交接处为界，分为上下两段，天发码头前沿为顺直浅槽，而三宁化工码头前沿为逐渐放宽型浅槽，见图6。天发码头前沿浅槽近年来逐渐冲刷下切。2004—2012年初，浅槽仅略有冲刷，浅槽下段开始出现5 m等深线。随后，该浅槽冲刷速度开始加快，2016年初，5 m等深线完全贯通，并出现了深度大于6 m的水深点。冲刷的发展方向表现为自下而上，这与水动力特征吻合，即天发码头前沿深槽下段是流速最大的区域，即是冲刷强度最强的部位。

图6 沙泓中段浅区

三宁化工码头前沿浅槽冲淤不定，浅槽内浅包时有时无，时大时小，分析认为是卵石推移质落淤所致。结合整个沙泓的水流条件来看，因为上游流速较缓，卵石推移质对水流条件极为敏感，不大可能在缓流区输移而在急流区落淤，故卵石来自天发码头上游的可能性极低。因此，估计推移质主要来源于天发码头前沿浅槽的冲刷，且浅区上段的冲刷与下段的落淤均发生在枯水期流速转急的时段。2013年12月与2014年2月的地形变化证明了这一点，见图7，随着天发码头前沿浅槽的逐渐冲刷，三宁化工码头前沿浅槽的浅包逐渐长大，近年来，三宁化工码头前沿航槽内近年来新淤的卵石浅包，挤压航槽造成航道弯窄，且因水流较急，航行条件较差。

图7 沙泓中段局部地形变化

芦家河河段碍航特性由沙泓中段兼具水浅、坡陡、流急问题演变成为毛家花屋窄槽段的坡陡流急与三宁化工码头段水浅的新格局。

2.2 航道条件

沙泓中段坡陡流急与水道下游枯水位变化关系密切，若汛后下游枯水位进一步下降，则坡陡流急也将随之加剧；水浅问题与水流条件关系密切，如果急流段流速进一步加大，毛家花屋前沿浅槽可能加剧冲刷，三宁化工码头前沿浅包的淤积也将随之加大。综合来看，本年度枯水期芦家河水道航道条件仍将较为紧张，水浅、坡陡流急现象仍可能加剧，航道维护的压力较大。

3 疏浚思路

考虑到芦家河水道碍航特性的复杂性，目前疏浚维护总体思路宜在兼顾上游水位控制的前提下，通过维护疏浚，清除三宁化工码头前沿浅包，并适当预留浅区回淤，降低后续枯水维护难度，保障芦家河河段枯水期航道畅通；以缓解坡陡流急段通航安全隐患为目标，对毛家花屋航槽右缘一定范围内的乱石堆进行清除，适当拓宽缓流航槽宽度，改善通航条件。

3.1 兼顾上游水位控制和水浅问题的系统维护理念

宜昌—大埠街砂卵石河段紧邻三峡葛洲坝下游，三峡蓄水后随着河道的大幅冲刷，枯水同流量下水位出现显著下降。三峡蓄水以来，宜昌站对应流量5 600 m3/s下枯水位已累计下降0.67 m，葛洲坝三江下引航道水深问题日益凸显。2016—2017年度，宜昌5 600 m3/s流量对应的水位为38.95 m(吴淞高程)。已经无法满足《三峡后续工作总体规划》中提出的宜昌水位控制目标。对此，三峡水库汛后加大下泄流量，2016—2017、2017—2018年度的枯水期最小流量分别为6 060、6 200 m3/s，对应宜昌最低水位分别为39.2、39.5 m，确保了宜昌水位不低于39.0 m，但长远来看，宜昌枯水位问题仍将是制约该河段航道条件的关键问题。

三峡蓄水后河床可动性的沿程变化使得河段冲刷沿程呈不均匀变化的特点。砂卵石河段中河宽较窄、床面高凸、河床抗冲能力较强且横竖向变动很小的部位多为对上游水位起关键控制作用的节点，尤其是芦家河强节点，对宜昌枯水位起着重要的控制作用。因此，在芦家河疏浚之前，开展宜昌—昌门溪河道一期整治工程，工程实施后，虽然河段内水位快速下降趋势受到一定遏制。然而，近年沙泓中段毛家花屋一带卵石浅滩区域河道地形出现了明显的冲刷，对上游枯水位的控制作用产生了威胁。因此，芦家河水道的治理必须兼顾上游水位的控制。

同时，芦家河水道也存在局部水深不足等问题。由于本区域新淤积的砂卵石，造成了浅区碍航。因此，在制定疏浚方案时，提出兼顾上游水位控制和水浅问题的系统治理理念，主要在一期工程对水位控制作用基础上，对三宁化工码头前沿浅包(非水位控制区段)进行疏浚，在改善水浅问题的同时，不对上游水位造成大的影响。

3.2 坡陡流急与航宽尺度改善相结合

芦家河水道沙泓中段毛家花屋附近的坡陡流急，是上下游水位差大和局部地形起伏较大双重影响所致。对于上下游水位差大的问题，要彻底解决，目前最直接方式有两种，即抬高下游水位和降低上游水位。现阶段相关研究成果表明，两种措施均不具备可行性，下游水位抬高难度较大，工程量大且效果不明显；而通过疏挖降低上游水位的措施涉及复杂而敏感的外部条件，实施难度较大。因此，本次疏浚暂不考虑彻底解决上下游水位差大的问题，主要通过解决局部地形起伏较大而引起的坡陡流急问题。因此，对毛家花屋航槽右缘乱石堆进行清除，在降低其对坡陡流急影响的同时，适当拓宽缓流航槽宽度，改善通航条件，降低安全隐患是有必要的。

3.3 提前疏浚以降低枯水位维护压力

从疏浚维护施工角度来看，水位过低时，本河段枯水期毛家花屋附近满足3.5 m通航水深要求的航宽在150 m左右，且该区域水流流速较快，航标摆动幅度较大，易造成施工船舶搁浅。另一方面，本河段处于近坝河段，在上游水库调度影响下，一旦水位陡降，不仅施工时间、疏浚效果难以保证，也会进一步加剧船舶积压，与通航需求相矛盾。而水位过高时，施工水深若超过12 m，硬臂式抓斗船施工难度较大。因此，建议充分利用姚港水位在航基面上2～7 m的有利时机满负荷施工。2018年拟利用退水前水位较高、施工水域广阔的有利时机，提前进行疏浚，以缓解枯水期维护时疏浚与通航的紧张局面，减轻枯水期维护压力，再结合枯水期的实际航道尺度情况，进行应急疏浚，在保证枯水期航道尺度的同时，降低了全年度的维护压力。

3.4 兼顾施工与通航的分区分层作业

考虑枯水期疏浚挤压航槽，为便于施工与通航的协调调度，施工采用分区作业的思路，即将芦家河水道疏浚区域分为两处疏浚区，先后施工，减小对通航影响。同时考虑到泥沙输移一般从上至下，若先疏浚下游势必引起上游泥沙在下游回淤，而横向开挖又会影响通航，因此，疏浚一般自上而下分条开挖。分条最大宽度不得超过抓斗式挖泥船左右开挖的有效工作半径，一般为10 m左右。考虑到抓斗式挖泥船性能，当整平区厚度大于抓斗一次下斗所能开挖的最大厚度时，应分层施工；当整平区厚度小于抓斗一次下斗所能开挖的最大厚度时，应一层施工。

4 疏浚方案及参数

4.1 疏浚方案

疏浚方案主要包括两部分区域，见图8。浅包清除区：对三宁化工码头前沿浅包进行整体清除，工程挖槽区长约500 m、宽30～150 m；乱石堆清除区：对沙泓中段毛家花屋航槽右缘乱石堆进行清除，最大清除宽度约50 m、长度约1 000 m，清除区上段航槽与枯水位控制卡口以斜线衔接，下段以喇叭口形式逐渐拓宽与三宁化工码头前沿航槽衔接，由于工程区水位变化不大，采用平坡设计。

图8 芦家河水道维护性疏浚平面布置

4.2 疏浚参数

4.2.1设计水位

本次疏浚的设计水位取值主要依据2008年三峡175 m试验性蓄水以来最枯水位确定。据统计，芦家河水道沙泓中段2008年以来枯水期最低水位在航基面下0.5 m左右。因此，三宁化工码头前沿设计最低通航水位取33.1 m。沙泓中段毛家花屋航槽右缘乱石堆清理区距离较短，水位变幅不大，设计最低通航水位取33.2 m。

4.2.2疏浚底高程

本水道2017—2019年航道维护尺度为3.5 m×100 m×750 m(水深×宽度×弯曲半径)。考虑到三宁化工码头前沿为落淤型浅区，浅区水流挟沙能力较上游河段小是卵石落淤的根本原因。因此，为降低枯水期维护难度，设计水深取为航基面下4.5 m，疏浚底高程为29.1 m。毛家花屋附近的坡陡流急区，水流动力较强，目前处于刷深状态，因此设计水深并未考虑富余，取航基面下4.0 m，底高程为29.7 m。

4.2.3挖槽宽度

浅包清除区：本年度疏浚着眼于解决水浅问题，清除三宁化工码头前沿及枝江上浅区的浅包。因此，按照最新测图中的浅包形态，确定三宁化工码头前沿挖槽设计的宽度为30～150 m，枝江上浅区挖槽设计的宽度为20～80 m。

乱石堆进行清除区：毛家花屋坡陡流急段窄槽进口目前地形较为稳定，形成卡口，考虑到卡口对宜昌枯水位的重要控制作用，为尽可能避免疏浚对卡口产生的不利影响，自卡口下游500 m处开始对航道右缘卵石堆进行清除，并以斜线形式逐渐过渡至卡口。坡陡流急下段逐渐展宽，以喇叭口形式逐渐与三宁化工码头段连接，平顺航槽。

4.2.4超深超宽

根据《疏浚与吹填工程设计规范》[15]，并结合本区域施工条件，选择斗容为4 m3的小型抓斗式挖泥船进行疏浚施工，开挖横断面计算超深取0.4 m、超宽取4 m。

4.2.5底坡及边坡

由于疏浚区域较短，长度一般在1 km以内，河床高程降幅较小，因此按平底槽开挖。根据芦家河河段河床组成，疏浚区域为近年新淤积卵石及粗砂砾，开挖边坡取1:3。

5 疏浚效果分析

5.1 对上下游水位的影响

方案对上下游水位影响见表1。从计算结果来看，芦家河水道疏浚工程对水位的影响主要集中于疏浚区及其上游，且影响幅度越往上游越小，在6 000 m3/s流量下陈二口水位下降了9 mm；对下游姚港及昌门溪的水位几乎无影响。

表1 Q=6 000 m3/s下疏浚对水位影响

5.2 对流速的影响

芦家河沙泓中段现状的表面流速在2.5～3.5 m/s，流速相对较大，船舶上行困难。工程区流速在1.8～2.0 m/s，但该区域存在乱石堆，局部通航水深难以满足要求。对航道右缘一定范围内的乱石堆按设计水位下3.5 m进行清除后，能保证枯水期的通航水深。疏浚工程实施后，航槽右边缘疏浚区表面流速在1.6～1.8 m/s，流速不大于2.6 m/s的航槽宽度最小有100 m，可为船舶上行提供较宽的缓流区。

5.3 对比降的影响

选取枯水期流量为6 200 m3/s时，对实测比降进行分析，结果见表2。工程实施后，芦家河枯水坡陡流急段枯水比降显著减小，比降由疏浚前的0.460‰锐减至0.222‰。大比降分散转移至上下游相邻河段，降低了芦家河水道坡陡流急程度。

表2 Q=6 200 m3/s下芦家河枯水比降变化

6 结论

1)芦家河水道位于长江中游砂卵石河段中下段，多年来碍航严重，其碍航特性主要包括上游船闸通航对水位的需求、持续下降的枯水位、局部河道坡陡流急、砂卵石推移质落淤出浅以及施工与通航矛盾尖锐等，难以保证分月维护水深。

2)芦家河水道近期疏浚宜采用兼顾上游水位控制和水浅问题的系统维护、坡陡流急与航宽尺度改善相结合、提前疏浚以降低枯水位维护压力、兼顾施工与通航的分区分层作业的思路，清除三宁化工码头前沿浅包以及沙泓中段毛家花屋航槽右缘乱石堆。

3)本次浅包清除区疏浚设计水位为33.1 m，底高程为29.1 m，宽度为30～150 m。乱石堆清除区设计水位为33.2 m，底高程为29.7 m。开挖超深取0.4 m，超宽取4 m。两处均按平底槽开挖，边坡取1:3。

4)工程实施后，能保证枯水期的通航水深，对水位影响主要集中于疏浚区及其上游，6 000 m3/s流量下陈二口水位下降9 mm，对下游姚港及昌门溪水位几乎无影响。疏浚区附近流速降低，航槽右边缘疏浚区表面流速在1.6～1.8 m/s，流速不大于2.6 m/s的航槽宽度最小有100 m，比降由疏浚前的0.460‰锐减至0.222‰,降低了沙泓中段坡陡流急程度。