岷江下游霸王滩滩险整治技术

何 熙，张有林，李顺超，谢玉杰

(四川省交通勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610017)

1 滩险概况及碍航特性

1.1 滩险概况

岷江下游霸王滩位于真溪镇上游约3 km处，河道呈“S”形，上游为斑竹林滩，下游接岗子坪滩，霸王滩与斑竹林滩右岸为一处大边滩，边滩中部存在串沟，枯水期串沟不过流，中水期有一定分流能力，洪水期水流漫过部分边滩，整个河道流线走直，霸王滩左岸为另一边滩，但近年来受挖砂采石影响，边滩左岸形成两处串沟，通过近几年地形观测及地方航道部门反映，该处串沟有继续发育的趋势。该滩洪中枯河面宽度变化较大，现有航线依托上游斑竹林滩左岸主槽，至黄天坝尾部水流向右发生偏转冲向右岸，航道弯曲半径小，航槽内长达1.3 km范围内水深不满足最小航深2.4 m的要求，该滩滩口位置流速大、比降陡且伴有漏浩水，航行条件较为恶劣。同时该段航道弯曲半径小，上下游通视条件较差，在黄天坝处一直存在信号台控制上下游船舶航行。霸王滩河势见图1。

图1 霸王滩河势

1.2 水文泥沙

岷江下游河段受两岸地形的约束，河床宽窄相间。洪枯水水位变幅大，最高与最低通航水位相差14.19 m，流量年内分配不均匀。河道比降陡、流速大，平均比降约0.55‰。枯水期滩险平均流速2 m/s左右，急流滩险流速可达4 m/s，中洪水期随着水位上涨，流速逐渐增大，最大流速可达6 m/s。汊道及边滩发育，洪水期来沙易在宽阔段落淤沉积，形成边滩或心洲，形成两汊或多汊，水流分散，导致通航汊道内水深不足。该段河道受人类活动影响大，人为挖砂采石造成航道内水流散、乱、浅，部分河道形成深沱造成局部跌水。龙溪口等枢纽建设前，大渡河、青衣江水电站调峰、调频，下泄流量不均匀，变幅较大，改变了水动力条件和泥沙运动规律，进而影响航道稳定。岷江高场水文站位于霸王滩下游约14.6 km，上游紫坪铺蓄水发电以后，汛期平均流量为0.4万m3/s，最大日均流量达1.74万m3/s；悬移质多年平均输沙量为2 330万t，多年平均含沙量0.319 kg/m3,霸王滩推移质中值粒径为55 mm，河床质以卵石夹细砂为主，霸王滩泥沙粒径累计频率分布曲线见图2。

图2 霸王滩泥沙粒径累计频率分布曲线

1.3 滩性分析及碍航特性

在滩险整治之前，应对霸王滩滩性进行分析，了解该滩成滩、凶滩以及消滩的各项指标以及成滩缘由和碍航特性，在此基础上给出较为合理的整治措施[1]。霸王滩滩上、下水位差随流量的变化关系见图3。设计最小通航流量至整治流量时滩段水位落差逐渐增大，当大于整治流量时，滩段水面落差随流量增大逐渐减小，其主要原因在于枯水期水流集中于枯水航槽内，水位抬高后，水流漫过部分边滩，河面展宽，水面比降逐渐减缓。设计最小通航流量下，该滩规划航槽内长约1.3 km段存在水深不满足最小航深2.4 m要求，最小水深仅0.9 m，该滩比降在0～3.47‰，平均比降为1.09‰，航槽内流速在1.03～3.26 m/s；整治流量下，该滩比降在0～3.01‰，平均比降为1.19‰，航槽内流速在2.07～4.09 m/s；汛期平均流量下，该滩比降在0～3.16‰，平均比降为1.00‰，航槽内流速在2.96～4.48 m/s；中洪水流量下，该滩比降在0～2.84‰，平均比降为0.73‰，航槽内流速在1.22～4.58 m/s；年最大流量平均值工况下，该滩比降在0～1.71‰，平均比降为0.46‰，航槽内流速在0.80～3.64 m/s；最大日均流量下，该滩比降在0～0.94‰，平均比降为0.23‰，航槽内流速在0.20～3.24 m/s；最大通航流量下，该滩比降在0～0.74‰之间，平均比降为0.19‰，航槽内流速在0.34～2.96 m/s。该滩碍航特性主要表现为：滩口段比降陡、流速大，串沟发育后漏浩水旺盛，整个滩段航线曲折，弯曲半径小，通视条件差。除此之外由于该滩洪、中、枯3级流量下水动力轴线摆幅较大，易在洪水期发生周期性淤积，退水期若冲刷能力不足，航槽极易落淤出浅。

图3 霸王滩上下游水位差-流量关系

1.4 航道整治标准

本段航道等级为内河Ⅲ级，航道尺度为500 m×60 m×2.4 m(弯曲半径×宽度×水深)，设计代表船型为1 000吨级机动驳以及2×1 000吨级分节驳船队。根据岷江现有船舶资料，按照兹万科夫公式计算[2-3]，并结合岷江自身特点和船型进行适当修正得到上水通航标准：水面比降为0.5‰、1‰、2‰、3‰、4‰时对应的流速分别为3.9、3.8、3.5、3.2、3.0 m/s。

2 模型建立与验证

2.1 模型建立

采用2017年4月实测地形资料建立平面二维水流数学模型。利用贴体正交曲线网格可通过坐标变换将研究区域不规则的边缘部分修正为规则的边界[4]。将不规则区域坐标转换为正交曲面坐标ε=ε(x,y)，η=η(x,y)。垂向上引入σ坐标系，其定义如下：

(1)

式中：z为物理空间上的垂直坐标；d为参考面z=σ以下的水深；ε为参考平面z=σ以上的水位；H为水深，H=d+ε。

主要控制方程如下：

(2)

(3)

(4)

模型范围选取上考虑下游岗子坪滩方案实施后可能对上游造成一定影响，因此将岗子坪滩方案纳入研究范围内同时结合研究河段河势，最终模型上起蕨溪镇，下至屏山镇岷江大桥15#临时水尺，全长15 km，网格节点数目为22.5万个，其中水流方向网格间距3～35 m，垂直水流方向网格间距2～10 m，其中工程区河道内网格加密处理。

2.2 模型验证

模型采用实测枯水流量Q=1 020 m3/s、中水流量Q=3 764 m3/s与洪水流量Q=10 800 m3/s时的沿程7个水位测点开展水位验证。采用实测枯水流量下4个测流断面，中水流量下4个测流断面以及洪水流量下2个测流断面开展断面流速分布验证。验证结果表明，水位、断面流速分布以及分流比精度均符合JTS/T 231-4—2018《内河航道与港口水流泥沙模拟技术规程》的要求。

3 航道整治方案

3.1 设计方案

霸王滩设计方案1为河心方案，依托现有深槽布置航线，从斑竹林滩开始以右岸黄天坝和左岸江心洲为节点规划整治线，经斑竹林左侧江心洲后以左岸为主导河岸，蛮洞溪山地岸坡为节点往下规划整治线，到霸王滩上口以霸王滩左岸边滩外侧为节点，整治线在此偏转，之后整治线依托黄天坝边滩外侧规划，到喳口石滩下口以右岸基岩岸坡为节点，并顺应河势整治线沿右岸岸坡继续向下规划。设计方案1在黄天坝左岸布置1座丁坝，一方面封堵漏浩，另一方面起到促淤固滩的作用。霸王滩心滩滩头布置1座顺坝，调整水流进入主槽，同时抑制串沟继续发展。滩中段布置1座长导流顺坝，稳定右岸边滩，调整水流，改善弯曲半径。上述坝体整治高度均采用设计水位上1.5 m。同时对规划航槽内不满足最小航深2.4 m的区域浚深，疏浚底高程为设计水位以下2.8 m。对滩尾左岸实施切嘴，平顺水流，消除由突嘴引起的挑流现象。设计方案1平面布置见图4a)。

设计方案2为沿边滩方案，该方案充分考虑该滩段弯曲半径小，上下行船舶航行安全的角度。设计方案2将设计方案1左岸滩头的顺坝改为2座丁坝，以调整水流进入主槽，滩中段布置1座顺坝同时顺坝后侧增加3座格坝以此增强顺坝整体稳定性。上述坝体整治高度为设计水位上1.5 m。同时对规划航槽内不满足最小航深2.4 m的区域浚深，疏浚底高程为设计水位以下2.8 m。设计方案2平面布置见图4b)。

图4 霸王滩设计方案平面布置

3.2 设计方案水流条件

对于山区河流航道整治方案实施后，需要关注航道水深以及通航水流条件的改善情况，对于急流滩还需要关注整治实施后是否消滩；另一方面需要关注挖槽区汛后推移质回淤问题，为使挖槽稳定，一般要求方案实施后整治流量时挖槽区流速为1.1～1.3倍推移质临界起动流速[5]，目前对川江推移质临界起动流速的研究表明，沙莫夫公式计算结果较为合理，考虑到岷江下段泥沙输移与川江较为相似，因此选取沙莫夫公式计算推移质临界起动流速[6]。综上所述，将从以上整治原则出发对各方案进行分析论述。

设计方案1实施后航槽内通航水流条件改善明显，断面流速分布较为均匀，不良流态得到改善，同时左岸丁坝以及右岸洲头坝修建后，漏浩水基本消除。设计流量下，受左岸丁坝封堵漏浩的影响，滩头水位有所壅高。滩中下段受长挖槽影响水位有所降落，最大降落值为0.43 m，航槽内满足设计最小航深2.4 m的要求，滩段比降在0～3.76‰，流速在1.12～3.49 m/s。整治流量下，设计方案1实施后主汊分流比较天然情况下的71.3%增加了15.6%，总体来说，水流进入主槽后冲刷能力加强，航槽能保持相对稳定。该工况下左岸丁坝上游最大水位壅高值为0.18 m，中下段水位最大降落值为0.49 m，滩段比降在0～4.72‰，流速在2.11～4.08 m/s，挖槽区平均流速在3.39 m/s。中洪水流量下，左岸丁坝上游最大水位壅高值为0.06 m，中下段水位最大降落值为0.09 m，滩段比降在0～1.79‰，流速在1.72～4.19 m/s。中洪水流量至最大通航流量下，滩段水位及流速变化逐渐减小，基本可忽略。但设计方案1实施后，在整治流量下，挖槽入口段出现约400 m范围流速、比降超出限制，流速、比降最不利组合为3.70 m/s、4.72‰，不满足船舶自航上滩要求。

设计方案2实施后航槽内通航水流条件得到一定改善。与设计方案1相似，左岸丁坝以及右岸洲头坝修建后，漏浩水基本消除，但设计方案1中洲头坝方案滩头流态更加平顺。设计流量下，受左岸丁坝封堵漏浩的影响，滩头水位有所壅高。右岸两根丁坝将枯水期流量完全调整至主槽内，滩中段受长挖槽影响水位有所降落，最大降落值为0.16 m，滩下段顺坝束窄较剧烈，水位有所抬升，水位最大壅高值为0.30 m，航槽内水深满足设计最小航深2.4 m的要求，滩段比降在0～3.90‰，流速在0.72～3.34 m/s。整治流量下，整个航槽内水位均有所抬升最大壅高值为0.76 m，滩段比降在0～4.13‰，流速在1.44～4.60 m/s，挖槽区平均流速在3.69 m/s。中洪水流量下，整个航槽内水位均有所抬升，最大壅高值为0.16 m，流速在2.30～4.26 m/s。中洪水流量至最大通航流量下，滩段水位及流速变化逐渐减小，基本可忽略。但设计方案2实施后，在整治流量下，顺坝束窄航槽较剧烈段导致挖槽出口段出现约540 m范围流速比降超出限制，流速、比降最不利组合为4.60 m/s、3.75‰，不满足船舶自航上滩要求。

3.3 修改方案的水流条件

1)针对霸王滩设计方案1存在的问题，在设计方案1基础上提出修改方案1-1及1-2。修改方案1-1对存在大流速、比降组合区域内航槽进行拓宽，考虑主流贴左岸，故对挖槽入口段左岸进行断面拓宽40 m，同时考虑到整治流量下，受左岸丁坝封堵，导致水流完全从挖槽入口位置进入航槽，因此调整该丁坝整治高度至设计水位上1.0 m。修改方案1-2在1-1基础上进一步探讨了右岸顺坝长度影响。

①修改方案1-1实施后，挖槽入口段流速减小，水面比降得到调整，流速、比降最不利组合为3.02 m/s、3.22‰，满足船舶自航上滩要求。整治流量下，挖槽区域内流速基本在推移质临界起动流速的1.1～1.3倍范围内，航槽基本保持稳定。

②修改方案1-2在1-1基础上对现有顺坝长度缩短120 m以及增加240 m两种情况加以研究。坝体缩短方案实施后，设计流量下，上游水位有所降落，最大降落值为0.02 m，最大流速增加值为0.02 m/s，下游流速最大减小值为0.07 m/s；整治流量下，上游水位最大降落值为0.03 m，流速最大增加值为0.04 m/s，下游流速最大减小值为0.13 m/s。坝体加长方案实施后，设计流量下，上游水位有所降落，最大壅高值为0.02 m，最大流速减小值为0.02 m/s，下游流速最大增加值为0.12 m/s；整治流量下，上游水位最大壅高值为0.03 m，流速最大减小值为0.04 m/s，下游流速最大增加值为0.18 m/s。总体来说，顺坝长度调整方案对调整该滩水位、比降以及流速作用较为有限，但考虑该滩整治后航槽内流速有所增加，设计方案1的顺坝对黄天坝岸坡稳定起到一定保护作用，因此维持设计方案1的坝体长度。

2)修改方案2-1在设计方案2基础上对边滩侧航槽拓宽，加宽段挖槽底高程为设计水位下2.0 m，同时对左岸丁坝整治高度调整至设计水位上1.0 m。

修改方案2-1实施后，挖槽中下段流速有所减小，水面比降得到调整，流速、比降最不利组合为3.29 m/s、2.79‰，但该方案实施后，上游水面有明显降落，挖槽上段出现300 m范围内水深不满足最小航深2.4 m的要求。

3.4 方案比选

各方案实施后水流条件均有明显改善，但修改方案2-1实施后，挖槽上段存在不满足最小航深的区域，设计方案1和2均存在不满足船舶自航上滩的急流段，对于修改方案1-2，顺坝加长方案对调整该滩比降以及减小流速的作用并不显著，修改方案1-1依托现有深槽，虽然较设计方案2航道弯曲半径小，但左岸顺坝受黄天坝滩体掩护，整体稳定性较好，其次修改方案1-1工程量较其他方案小，同时该方案实施后挖槽稳定性较好。因此综合各方案的论述分析，选择修改方案1-1为推荐方案。整治流量下修改方案1-1及2-1工程前后流速矢量图见图5。

图5 整治流量工况下工程前后流场对比

4 结语

1)对于山区强弯河流，由于洪中枯3级流量下水动力轴线摆动较大，洪水期易发生周期性落淤，若退水期航槽内冲刷能力较弱，极易出浅。通过筑坝束窄枯水期河床的方法增强航槽冲刷能力的同时，应考虑其对船舶自航上滩的影响。

2)对于山区河流枯水浅、急滩且存在长挖槽的滩险，往往挖槽实施后，枯水期水流集中在枯水航槽内，易在挖槽进、出口段出现流速、比降超过船舶自航上滩限值的区域。针对上述情况一般可采取拓宽挖槽范围、筑坝壅水、调整分流比等方法减缓急流区流速。但对于挖槽出口段出现急流区，通过拓宽主流区一侧的挖槽区域的方法可能会导致上游水位降落过多而引起出浅或者引起上游水位降落后流速、比降超过船舶自航上滩限值而形成新的急流区，因此对于上述情况，宜采用复式断面的开挖方式，充分考虑上下游联动效应，避免上游出现新的浅滩或急流滩。