广阳坝河段4.5米水深航道整治工程动床物理模型试验研究

1.河道概况及背景

广阳坝水道位于长江上游航道里程806.0～816.0km，该水道目前航道等级为Ⅲ级，航道维护尺度为3.5m×150m×1000m（航道水深×航宽×弯曲半径，下同）。国家十三五期间规划长江上游朝天门至涪陵河段达到4.5m×150m×1000m（局部困难河段航宽120m、弯曲半径800m）的航道标准，但广阳坝水道受上游广阳坝急滩、中游飞蛾碛和下游长叶碛浅险滩3个连续滩险的影响，航行条件较差，天然情况下不能满足4.5m水深航道的标准，上述几处滩险亟需进行整治。

2018年1月至2018年7月，重庆交通大学开展了“长江上游广阳坝水道航道整治工可阶段物理模型试验（定床部分）的研究工作。通过定床水流和定床输沙试验，最终确定了“飞蛾碛航槽偏左+长叶碛航槽偏左”的整治方案。而整治后航槽的稳定性主要取决于卵石的冲淤，因此在定床模型试验结束后需要开展动床物理模型试验，对定床推荐方案进行研究。

2.动床试验主要研究内容

动床物理模型试验主要针对定床阶段确定的广阳坝水道开展卵石输移与航槽稳定性研究，主要分为两部分：

（1）广阳坝水道卵石推移质输移与滩险演变研究

以2012年水沙过程作为典型代表年，通过动床物理模型试验，研究典型洪水过程下广阳坝水道推移质输移特性及其对航槽滩险的演变影响。

（2）广阳坝水道航道整治方案研究

重点研究广阳坝水道航道整治推荐方案实施以后，广阳坝左槽进口处开挖、蜘蛛碛疏浚以及飞蛾碛开挖后对广阳坝卵砾石输移的影响及左槽航槽的稳定性。长叶碛开挖以及乌独碛疏浚后对长叶碛卵砾石输移的影响以及航槽的稳定性；

3.动床模型设计与验证

3.1 模拟范围

（1）模型范围。根据广阳坝、长叶碛水道的河势条件和整治工程所在位置及整治对象特性，选择的模型实验范围为上游铜锣峡中段大磨石（上游航道里程643.5km）至下游鱼嘴大桥（上游航道里程629.5km），全长约14km。模型进口铜锣峡顺直均匀且水流较急，距广阳坝整治区上端2km，能够保证进入模型流量的合理分配与稳定，且进入试验段的水流已经得到充分调整。出口距长叶碛整治工程尾部约2.5km，尾水鱼嘴沱水尺作为控制，经过弯曲段实际地形调整，则模型尾水在水位相符的情况下流态的相似性也能得到保证。

（2）动床铺沙范围。由于定床模型试验范围较长，模型全部改造成动床较为困难。所以根据广阳坝水道的河床地质条件及定床输沙试验结果，对于没有卵石覆盖及输移的石质河床或者高大的边滩仍然采用原定床条件。广阳坝水道铺沙范围从上游的蜘蛛碛至飞蛾碛尾，长叶碛水道铺沙范围自上游门闩子至鱼嘴下游。铺沙充分考虑河床组成和输沙路径，且在最上游进口铜锣峡处采用全断面铺沙（符合实际河床条件），保证了各输沙时期河床输沙线路上均有泥沙补给。

表1 广阳坝水道航道治理物理模型比尺统计表

为了更加直观的观察广阳坝和长叶碛整治后的泥沙输移与航槽稳定性，采用分层铺设不同颜色模型沙。广阳坝整治区和长叶碛整治区上层采用染成红色的模型沙，底部采用天然沙的本色。

3.2 模型比尺确定

根据水流和泥沙运动相似条件，结合航道整治要求、研究范围以及试验场地，对广阳坝、长叶碛水道河工模型进行设计，采用比尺见表1。

4.动床试验布置

水沙条件仍以2012年作为典型代表年份。动床模型布置时，认为方案前后河床组成情况不发生变化，即方案前后河床组成粒径不发生变化。

4.1 动床模型布置

为顺应河势，将规划航槽尽量布置在原有航槽位置，减少开挖。采用飞蛾碛航槽偏左+长叶碛航槽偏左的治理思路。

（1）航槽布置。顺应河势，飞蛾碛处的规划航槽偏左、微弯。枯水期主流循河心向下流，受饿狗堆阻挡，偏左侧直冲野骡子扫弯而下，在野土地以下左岸各水位期流急扫弯，经左岸飞蛾碛遇阻，折向右岸虎扒子经麻二梁偏右岸而下。设计规划航槽宽度为150m，最小弯曲半径1000m。

（2）总平面布置。对规划航槽内的不满足设计水深要求的浅区部位进行开挖，对规划航槽内的不满足设计水深要求的浅区部位进行开挖。

即开挖上段左岸蜘蛛碛碛翅、右岸野土地、腰膛碛和芦席碛碛翅、左岸飞蛾碛碛翅，左岸飞蛾碛由于采砂使飞蛾碛碛翅从中“折断”成两部分，一部分为深入河心的碛翅，另一部分为江心孤立的碛坝，为了不使飞蛾碛碛翅成为江中碍航物，因此，拟将飞蛾碛江心孤立的碛坝全部开挖至设计底高程，另一部分碛翅需开挖规划航槽内的碍航浅区部位。开挖基线与规划航槽边线间距按照20m控制。

5.试验结果分析

动床模型试验主要对方案实施后的航槽冲淤演变情况进行研究分析。

（1）蜘蛛碛至礁石子段。蜘蛛碛至礁石子区域主航槽由于上游铜锣峡峡谷河段的存在，在中水期以下流量时很少有泥沙进入，所以基本上不会有上游来沙补给，河槽中无明显的卵石输移带或者淤积带，主航槽稳定。当流量增加至9350m³/s时，主航槽边缘蜘蛛碛碛翅一侧，有卵石推移质逐渐从蜘蛛碛疏浚区域输移至航槽边缘以及下游航槽，在各个时期都有较为明显的冲刷，并少量淤积在疏浚区域，从蜘蛛碛碛翅开挖边缘位置起算淤积宽度在100m左右。

航槽疏浚区域，随着中水以上流量（9350m³/s--40.8h，13000m³/s--19.2h，10500m³/s--40.8h，13500m³/s--16.8h，）的长时间不断冲刷，上游来沙大量输入并淤积在蜘蛛碛和芦席碛疏浚区上半段，在各级流量下均无法冲刷干净。当流量增加至20000m³/s时，可以看出蜘蛛碛航槽内输移区域范围明显增大，输移宽度为原来的两倍左右，大约200m，并在航槽右侧产生小范围输移区域。随着流量的增加，当流量为Q=35400m³/s时，卵石输移带宽度仍在不断增加，且覆盖了半截梁、蜘蛛碛碛翅靠右的一大片礁石区域，输移宽度达到300m；并且广阳坝滩险左槽内，卵石输移带宽度急剧增加且从左槽边缘部分向河段中间位置偏移。同时在广阳坝滩险左槽内的卵石输移带相对流量Q=20000m³/s的输移宽度显著增加，能够覆盖到大部分礁石滩，一直延伸到广阳岛分叉河段的交界处。当流量进一步增加至35400m³/s和45300m³/s以上时，卵石输移区域已无明显变化。

（2）飞蛾碛段。飞蛾碛涨水阶段枯水期基本无泥沙进入，随着流量的增加，至中水流量约9350m³/s以上时，开始有卵石推移质从福平背左侧航槽（航道里程638.4km）输移，至航槽边缘并淤积在庙角右侧航槽（航道里程637.8km）处，输移长度大约为500米，宽度为120米。并且在飞蛾碛航槽有大片疏浚区域被卵石输移区覆盖，中间航槽并无明显的淤积现象。在涨水阶段随着流量的增加，至流量13500m³/s时，之前没有淤积现象的中间航槽区域也出现了一条细细的卵石输移带，并在涨水结束阶段可完全覆盖大部分航槽宽度。当流量增至20000m³/s流量时，飞蛾碛上的卵石以群体形式向下集中输移，大量进入航槽，并在飞蛾碛疏浚区右侧100米处，有新的卵石输移区域出现，输移长度约180米，宽度80米。当流量进一步增大至35400m³/s及以上时，主航槽区域输移范围已经变化不大，相比较与流量20000m³/s飞蛾碛右侧新的输移区域有进一步的扩大，输移长度约为550m。

6.结语

广阳坝河段长江上游朝天门至涪陵河段正开展4.5m水深航道整治工程的重点滩段，河道内河床地形复杂，水流形态多变，礁石密布，多发泡漩回流等恶劣流态，影响船舶航行安全。本文针对广阳坝河段开展4.5米水深航道整治工程动床模型试验研究，为确定航道整治思路及形成整治方案提供依据，也为其他长江上游航道整治工程提供参考。