深槽护底带对水位的影响*

2020-07-25朱玉德李少希刘鹏飞

水运工程 2020年7期

朱玉德，李少希，刘鹏飞

(交通运输部天津水运工程科学研究所，工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456)

三峡水库蓄水后，上游来沙大量减少，导致坝下砂卵石河段河床滩槽不均匀冲刷下切。随着河床冲刷的发展，沿程水位逐渐下降，河床冲刷与水位下降不同步的变化给航道带来了两方面问题：一是枯水位的下降导致船闸下引航道水深难以维持设计尺度；二是局部深泓高凸的卵石浅滩段航道条件因为水位降落而持续恶化。解决问题的关键在于抑制冲刷进而控制水位的下降。在护岸、护滩工程维持河段边界稳定的基础上，为了抑制冲刷、稳定航道水位，相关部门还实施了修建潜坝、护底带等措施。总体而言，护底带较潜坝的壅水效果更优，且由此带来的局部流速、比降增大现象相对较小[1]。但护底带通常修筑于抗冲能力强、横竖向变动小的深水区，水流条件复杂，参数确定较为困难。本文通过七星台深槽部位不同护底条件下的水位影响研究，为相关护底带布置提供参考。

1 河段概况

长江中游枝江—江口河段处于三峡工程下游沙卵石河段末端，上游紧邻芦家河重点浅滩河段，下游为抗冲性较弱的沙质河床，是长江中游最早受到三峡水库蓄水影响的沙卵石河段之一[2]。由于三峡清水冲刷影响，坝下河段水位出现较大幅度下降，据统计，2014年度在三峡下泄流量5 600 m3/s条件下，宜昌水位仅39.17 m，低于控制目标39.19 m。同时由于枝江—江口河段河床质差异，沿程冲刷不均匀、水位沿程降幅存在差异，枝江以上水位降幅较小，枝江—七星台水位降幅沿程逐渐增大，下游七星台—大埠街比降基本保持不变，曹家河—七星台段比降增加，5 300 m3/s流量下曹家河—七星台段2008、2010年比降分别增至1.1、1.4；加之三峡蓄水后柳条洲滩体面积急剧萎缩、滩体下移，滩形变狭长，吴家渡边滩冲刷，柳条洲—吴家渡边滩过渡段水浅、流急，航道条件恶化[3]。下游曹家河—七星台一带已成为控制上游水位下降的节点，若该处节点不控制，水位下降变化持续发展，将无法实现本河段规划航道尺度。为了抑制该区域河床持续冲刷、维持枝江以上河段水位的稳定，减少枝江以下水位的降幅，避免河床持续冲刷形成集中落差，荆江河段航道整治工程中，在七星台深槽部位实施3道护底带工程(图1)。

图1 七星台护底带平面布置

2 模型设计

2.1 模型设计及率定

1)为准确分析不同护底条件对水位变化的敏感性，模型采用几何比尺较小的正态模型。研究河段河宽约1 500 m。选择比尺为100的全河宽正态模型试验场地，供水等条件较为困难，因此，采用大区域半江模型以克服模型建立中场地、供水等的限制。但选取的模型研究宽度须远大于工程引起的流速变化区域，并确保选取区域内水流大小和方向的相似。据数学模型计算，工程后右侧护底头部流速受工程影响区域不大于120 m，由此确定模型范围横向左侧至七星台深槽左岸、右侧至吴家渡边滩滩脊处，共0.7 km宽区域；纵向上至董家湾、下至阮家湾区域[4-6]。模型满足如下相似关系:

(1)

(2)

(3)

式中：λl为水平比尺；λh为垂直比尺；λv为流速比尺；λQ为流量比尺;λn为阻力比尺。

2)模型为半江模型，左侧按天然河岸地形控制水流流向；右侧为一个流切面，根据数学模型计算流线方向、设置动边界以控制各流量下模型流速方向，模型地形按实际地形模拟。试验前据数学模型计算的模型进口流量、断面流速分布、水位及边界条件对模型进行率定，率定流量分别为5 300、8 750、12 500、35 000 m3/s；通过进口及边缘活动边界调整模型水流大小及流向，使局部正态模型与数学模型提供的水位、流速等能够相似，满足试验要求。

2.2 试验水文条件、试验方案

依托七星台深槽护底初步方案开展护底带水位影响多组试验研究，见表1。试验选择对河段最常出现、较不利的水动力条件，包括：三峡蓄水后常出现的洪水流量35 000 m3/s、三峡蓄水后多年平均流量12 500 m3/s、整治流量8 750 m3/s、设计流量5 300 m3/s。

表1 试验方案

3 试验结果分析

3.1 护底带不同间距对水位影响

不同流量下护底带间距变化与水位关系见图2，分析可知：

1)流量、压载厚度一定，护底带壅水效果随间距增加而增加，当护底带间距达到某一距离时，护底带上游水位壅高达到最大；若护底带间距进一步增加，其壅水效果开始减弱。流量5 300 m3/s、压载2 m条件下，当护底间距100 m时，工程上游最大壅水7.0 cm，约300 m时工程上游最大壅水8.2 cm，间距500 m时上游最大壅水6.1 cm。

2)压载厚度一定、护底带阻水面积不变条件下，随着流量增加，护底带壅水效果最佳时的护底间距也逐渐增大；当来水超过某一流量级时，护底带壅水效果逐渐减弱，护底带间距的调整对壅水的作用已不明显。

3)压载厚度一定，护底上游的壅水高度随着流量的增大而减小。小流量时护底带淹没深度小，对纵向水面线的影响要大；大流量时护底带淹没深度大，对纵向水面线的影响略小。

图2 护底带间距与水位关系

3.2 护底带不同压载厚度对水位的影响

与平整床面相比，护底带人为造成了河床床面凸起，使得相同流量与相同出口水位的水面线抬高，工程区发生壅水；水流越过工程区后，过水断面扩大，水位跌落，距离最后一条护底带下游约200 m左右水位降至最低，之后逐渐恢复。流量相同、护底间距一定的条件下，护底是否压载及压载厚度对工程区水位产生明显影响，压载体厚的护底带沿程水面线变化幅度要明显大于压载体薄的护底，同一流量不同压载厚度下护底带对纵向水面线影响趋势基本相似，但压载较厚的护底更容易导致深槽航道流态趋差，对航行安全带来影响。由图3可知，5 300 m3/s流量下，压载厚度为3 m时，工程区域最大壅水高度达10 cm；压载厚度为2 m时，工程区域最大壅水高度为8 cm。

图3 流量5 300 m3/s护底不同压载厚度下工程区域水面线变化

3.3 护底带最佳间距

护底带不同间距、不同压载厚度的试验表明：护底带对上游水位的影响与护底带间距、护底带阻水面积、来流量等有关；同一流量情况下，随护底带压载厚度的增加，护底带壅水效果最佳间距也逐渐增大。图4表明：七星台深槽护底在压载厚度为2 m、设计流量下(5 300 m3/s)护底带平面间距应优化至300～340 m较为合理。

图4 流量5 300 m3/m下护底带间距、高度变化与水位关系

(4)

式中：L为最佳护间距；v0为建前流速。

通过式(4)计算得到：江口七星台深槽护底带设计护底带压载厚度2 m条件下最优间距为325 m。

4 护底带对水位下降溯源传递的影响

护底带对下游水位降落敏感性研究以护底带排上抛石压载2 m、间距为325 m方案为基础，模拟下游水位降落0.3、0.5、1、1.5 m条件下有、无护底带沿程水位变化情况，见图5。研究表明：

1)相同流量、无护底条件下，若下游水位降落，则七星台深槽沿程水位普遍降落，且沿程降落幅度基本一致；护底工程实施后若下游水位降落相同值，则工程区及上游沿程水位降落幅度明显减小。5 300 m3/s流量、下游水位分别降落0.3、0.5、1.0、1.5 m时，无护底条件下试验段上边界水位分别降落0.29、0.48、0.95、1.45 m，而护底后试验段上边界水位分别降落0.252、0.427、0.889、1.377 m；12 500 m3/s流量、下游水位降落条件下，有、无护底时沿程水位变化趋势与5 300 m3/s流量下基本一致。据此可知，护底带对下游水位降低向上游传递具有明显减弱效果。

2)相同流量不同出口水位条件下，同一床面凸起高度抬升水位的幅度不同。出口控制水位越低、水深越小，水位抬升幅度越大，且水位抬升幅度随出口控制水位的变化存在突变。不同流量条件下，相同出口水位时床面凸起使得水位抬升的幅度不同，流量越大，则抬升幅度越大，且不同流量下水位抬升幅度随出口控制水位的变化转折点也不同。由上述分析可知，护底带工程的影响，产生了形态阻力，从而增大糙率，引起水面线的变化。

3)河床凸起也会影响到出口水位下降的溯源传递特性。同理可以分析，相同的流量和出口水位下，床面凸起较床面平整溯源传递的范围应该要小，且相同水位测站的水位降幅减小。换句话说，河床凸起本身将使上游水位受下游出口水位下降的影响程度变小，河床凸起抑制了下游侵蚀基准面降低的溯源传递，包括传递范围和幅度。