基于河势变化条件的张靖过江通道线位比选分析

2020-06-09李伯昌，施慧燕

人民长江 2020年4期

李伯昌，施慧燕

(长江水利委员会水文局长江口水文水资源勘测局，上海 200136)

1 工程概况

拟建的张靖过江通道工程位于长江澄通河段福姜沙汊道段中部，南起江苏省张家港市境内的疏港高速公路，越过长江，北接靖江市境内的沪陕高速公路[1-2]。工程的建设是推动长江经济带国家战略的实施和江苏扬子江城市群融合发展的重要举措[3-4]。经多方考虑，初步拟定张靖过江通道线位,南岸在十字港附近,北岸在新六助港-夏仕港之间，横跨福姜沙及福左、福右汊道(见图1)。工程过福右汊道(A线位)拟采用隧道工程；过福左汊道有两个方案，其中A1线位拟采用桥梁工程，A2线位拟采用隧道工程。

针对新水沙条件下福姜沙汊道的演变，相关学者开展了深入研究，结果表明：该汊道水流泥沙运动复杂，河床冲淤变化频繁，双涧沙的稳定是河段河势稳定的关键因素等[5-6]。本文采用实测资料，就近期张靖过江通道拟选线位上下游附近河势变化、河床的稳定性等进行研究，以分析线位布设的合理性，并为今后工程设计和建设提供技术支持。

2 自然条件

2.1 河道概况

长江主流自鹅鼻嘴至肖山傍南岸，过肖山后主流脱离南岸向福姜沙左汊过渡[7-8]。拟建工程所在的福姜沙右汊为支汊(也称福南水道)，长16 km，河床窄深，外形向南弯曲，分流比约为20%。福姜沙左汊为主汊，长约11 km，分流比约为80%，河床宽浅，外形顺直，其下段有双涧沙自下向上伸入，形成W型复式河槽，并将左汊下段分为福北水道和福中水道，福中水道和福南水道在福姜沙尾汇合与如皋沙群右汊即浏海沙水道相连[1]。

2.2 水文泥沙条件

2.2.1径流

据1950～2016年实测资料统计，拟建工程上游约460 km的长江大通水文站历年最大流量为92 600 m3/s，最小流量为4 620 m3/s，多年平均流量为28 300 m3/s。每年5～10月为汛期，6个月的来水量占全年的比例历年平均为70.5%。

图1 工程所在河段近期河势

2.2.2潮汐和潮流

长江口为中等强度潮汐河口，潮型为非正规半日浅海潮，在径流与河床边界条件阻滞下,潮波变形明显，涨潮历时短，落潮历时长，潮差沿程递减。根据工程上游附近江阴潮水位站资料，最大、最小潮差分别为3.39 m和0 m，平均高低潮位分别为2.10 m和0.50 m。据实测资料统计分析：当大通站流量在10 000 m3/s左右时，潮流界在江阴以上；当大通站流量在40 000 m3/s左右时，潮流界在如皋沙群一带；当大通站流量在60 000 m3/s左右时，潮流界会下移到芦泾港-西界港一线附近。潮流运动总体呈往复流特性，且落潮流为塑造河床的主要动力[9]。

2.2.3泥沙

工程河段泥沙主要为流域来沙，根据上游大通水文站1951～2016年资料统计，平均输沙量为3.65亿t，其中，三峡水库蓄水前(1951～2002年)平均输沙量为4.27亿t，蓄水后(2003～2016年)平均输沙量为1.40亿t，蓄水后平均输沙量较历年平均下降了61.6%，显著减小。工程河段悬移质中值粒径范围为0.001～0.025 mm；河床质粒径分布不均匀，主槽比滩面略粗，主槽的河床质中值粒径多在0.10～0.25 mm 之间。

3 河势演变分析

3.1 河床边界条件变化

工程河段位于长江三角洲新构造沉降区内，河床及岸坡多为第四系疏松沉积物，上游进口部位有江阴鹅鼻嘴天然节点和炮台圩节点锁江卡口，南岸有肖山、长山将大江主流导向福姜沙左汊(见图1)，控制着福姜沙汊道[1]。中华人民共和国成立以来，工程河段两岸进行了系列的节点整治、堤防整修、护岸加固和码头群等工程建设；2010～2017年，福姜沙河段实施完成了12.5 m深水航道工程，主要包括：双涧沙头部潜堤、双涧沙南北侧丁坝、福姜沙左缘丁坝，福北水道左岸、福姜沙沙尾护岸工程和福中、福北水道疏浚工程等。上述河道和航道整治工程的建设稳定了河道边界，对控制过江通道位置主流的摆动起到了约束作用[10]。

3.2 河槽稳定性分析

拟选过江通道线位附近水域近期-5,-10,-15,-20 m等高线演变情况见图2(a)～(d)。总体而言，与福左水道相比，福右水道各特征等高线变化较小，河床较为稳定。福左水道河道宽浅顺直，河道中心滩、边滩等成形淤积体活动频繁。

在A1、A2线位所在的福左水道，2009年以前双涧沙头部不断往上游淤涨和南偏(-5 m等高线)，之后在采砂及航道疏浚等外界因素作用下，福中水道-10 m槽与福北贯通。在双涧沙守护等整治工程实施后，护滩位置的双涧沙沙体已基本稳定下来，而原双涧沙头部的切割体呈不断萎缩之势。

福姜沙河段进口-福姜沙头部河道逐渐展宽，至靖江旺桥港段河道展宽约3.2倍，水流动力减弱且过鹅鼻嘴的长江主流偏南岸，导致向下输移的泥沙易于在江阴大桥-靖江旺桥港一线河道凸岸边滩内落淤，形成水下-10 m低边滩。该边滩极不稳定，不断被水流切割后与上游输送至此的底沙一起沿福左水道靖江侧缓慢下移，易造成河槽淤积[6]。2009年以来，福中水道-10 m等高线与福左贯通后，福姜沙左缘水下-10 m低边滩不断被侵蚀；双涧沙左缘水下-10 m低边滩以青龙港对开为界，呈上淤、下冲态势。

对于-15 m等高线而言，总体上，A1、A2线位所在的福左水道变化强度要远远大于A线位所在的福右水道。近年来，福右水道-15 m槽以缓慢淤积萎缩为主，1983年的-15 m等高线基本为外包络线。福左水道-15 m等高线的变化基本可以2009年福北与福中-10 m等高线贯通为标志分为两个阶段：第一阶段为2009年以前，基本在1998年的位置附近上下、左右变动；第二阶段为2009年以后，随着双涧沙护滩和福姜沙河段12.5 m深水航道整治工程的不断实施，福中、福北水道-15m等高线出现了大范围和大幅度的变动，上游过肖山的-15 m槽原来基本偏北经靖江港区前沿过往如皋中汊，2018年4月测图显示，目前靖江港区前沿-15 m槽上、下已大幅度中断，上游过肖山的-15 m槽已改道经福中水道与下游浏海沙水道贯通。

图2 工程区附近水域近期等高线变化

从-20 m等高线变化看，A线位基本位于福右汊道中下段-20 m槽上端，1983年以来，A线位附近-20 m等高线变化较小。2009年以前，A1线位所在的福左水道中上段不存在-20 m槽(坑)，A2线位所在的下段靖江港区前沿存在少数零星的-20 m冲刷坑。自2006年起，福中水道下段也开始形成了与浏海沙水道连通并平行于福姜沙左缘岸线的-20 m槽，当时该槽上端距离上游的A2线位约540 m，随着福姜沙河段12.5 m深水航道整治工程的实施，自2016年起，该槽快速发育并大幅度北移和上潜。

3.3 深泓线变化分析

拟建工程上下游附近近期深泓线演变见图3。随着福姜沙河段护岸及河势控制工程的实施，福姜沙河段二级分汊、三汊并存的总体河势基本形成，并趋于稳定。

该河段整体河势相对稳定，双涧沙变化却比较大，主要表现为沙头往上游淤涨。2006年左右沙体规模达到最大，该阶段左汊深泓线北移。左汊福北、福中水道深泓线的变化与双涧沙的演变密不可分，当双涧沙下移时，福北、福中相通；当双涧沙上潜时，福北、福中分开。2006后，双涧沙沙体减小，滩面串沟冲刷发育，至2009年4月其头部滩面被斜向-10 m深槽切穿，头部沙体被切离主沙体，基本成为独立的江心沙，至此左汊福北、福中深泓线逐渐贯通。2018年4月测图显示，目前福中水道深泓位置最深点正好位于A2线位附近，达到了-39.3 m，比2016年11月刷深了约14.4 m。

2010～2017年实施完成的福姜沙河段12.5 m深水航道整治工程对左汊福北及福中水道水沙运动影响较大，周边河势正处于剧烈的调整之中，整个左汊主流摆动频繁，河道深泓线变化大。本次拟选的A1、A2线位就位于福姜沙深水航道整治工程范围内。

福南水道呈鹅头型弯道。经过多年的河道整治，弯道发展得到控制，近年来深泓线基本稳定。本次拟选的A线位位于福南水道中部，基本为弯顶位置，主流相对稳定少变。

图3 工程河段深泓线变化

3.4 过江通道附近断面变化分析

拟选各过江通道线位断面各时期特征值统计见表1，断面变化见图4。A线位位于福南水道弯顶附近。由图4(a)可知，2001年以来该断面由偏“V”形逐渐向偏“W”形演变。近期断面左侧河床总体表现为缓慢刷深，中间河床缓慢淤积抬高，深槽逐渐逼近右岸。

A1线位位于靖江市和尚港上游约620 m。由图4(b)可知，该断面所说的福北水道2006年以前总体上有所冲刷。2006年以后，断面形态出现大幅调整变化，主要是由于断面所在位置双涧沙沙体受冲刷形成串沟，之后串沟扩大致沙体切割分离。同时，靖江边滩切割体冲刷消失，近岸深槽淤积抬高。2018年4月测图显示，12.5 m深水航道整治工程中的福姜沙左缘挑流丁坝实施后，坝田间淤积明显，福姜沙近岸侧次深槽消失。总体看来，该断面0 m以下过水面积呈波动中增大之势，目前最深点基本位于断面中央。

A2线位左起靖江市夏仕港上游约720 m处至右岸福姜沙尾。由图4(c)可知，断面形式为复式断面，受江中双涧沙沙体变化及有关航道整治工程的影响，断面演变表现为大冲和大淤。2009年以来断面呈左淤、右冲态势。2018年4月测图显示，断面上福中水道最深点高程达到了-38.1 m，为历年最深点，与2001年相比刷深了约34 m。

图4 拟选过江通道线位断面变化

表1 各线位断面特征值统计

3.5 过江通道附近河床冲淤变化分析

根据1983～2018年有关河道观测资料，计算了近35 a各线位上、下游各约1 500 m水域范围内河床的冲淤变化情况，计算结果见图5(a)～(b)。

图5 各线位附近河床冲淤情况统计

(1)A线位附近。除0～-5 m高程间有少量冲刷外，福姜沙右汊A线位上、下游附近河床总体表现为普遍的缓慢淤积态势，0 m高程以下河床总计淤积了约482万m3，平均淤厚了约1.45 m，淤积速度为0.041 m/a。

(2)A1线位附近。福姜沙左汊A1线位上、下游附近河床虽冲、淤互现(淤积时段约占51%)，但冲刷量远大于淤积量，河床总体表现为普遍的刷深态势，0 m高程以下河床总计冲刷了约1 477万m3，平均刷深了约1.66 m，刷深速度为0.047 m/a。

(3)A2线位附近。福姜沙左汊A2线位上、下游附近河床虽冲、淤互现(淤积时段约占34%)，但冲刷量大于淤积量，河床总体以刷深为主，0 m高程以下河床总计冲刷了约1 689万 m3，平均刷深了约1.71 m，刷深速度为0.049 m/a。

3.6 河道演变发展趋势

近年来，以护岸工程和码头建设为主的岸线整治与开发利用工程以及长江南京以下12.5 m深水航道整治工程使拟建工程上、下游河段边界大部分保持稳定，较大程度上限制了河道横向演变的空间，各汊道现有主、支汊格局基本不会改变，河段将长期保持基本稳定的格局。

4 过江通道线位比选

(1)从工程局部河段近期-5 m洲滩变化情况看，总体上，A线位所在的福姜沙右汊变化较小；A1、A2线位所在的福姜沙左汊左、右岸边滩变化较小，江中双涧沙演变剧烈。

(2)从工程局部河段-10,-15,-20 m深槽变化情况看，自然条件下，A线位所在的福姜沙右汊变化较小，但总体呈缓慢淤积萎缩之势；A1、A2线位所在的福姜沙左汊受水下低边滩和心滩冲淤变化的影响，各深槽演变频繁。双涧沙护滩和福姜沙河段12.5 m深水航道整治工程的实施后，总体上，工程位置各深槽呈发展之势，特别是福中水道发展尤为迅速。

(3)从各线位河床断面特征值看，A线位断面0 m高程以下断面面积波动中有所减小，平均水深变幅约0.8 m，河相系数变幅约0.6，最深点高程变幅约3.4 m，最深点位置变幅在61 m左右。A1线位断面0 m高程以下断面面积波动中缓慢增加，平均水深变幅约2.9 m，河相系数变幅约1.3，最深点高程变幅约3.5 m，最深点位置变幅在1 847 m左右。A2线位断面0 m高程以下断面面积波动中缓慢增加，平均水深变幅约2.8 m，河相系数变幅约1.1，最深点高程变幅约22.3 m，最深点位置变幅在3 027 m左右。

(4)A线位位于福姜沙右汊弯顶附近，近年来该汊道深泓线贴南岸，且稳定少变；A1、A2线位位于福姜沙左汊，该汊道顺直、宽阔，河道中心滩、边滩活动频繁，河道深泓摆动范围大，且幅值上A2远大于A1。

(5)总体而言，从河势上看，张靖过江通道A线位附近河床较为稳定，建设过江通道的条件较好；而A1、A2线位附近河床活动性大，河道主流摆动频繁，特别是A2线位所在的福中水道近年来快速发展，河床下切显著，在A2线位建设隧道工程应充分考虑福中水道可能存在的冲刷风险。