西江长洲水利枢纽至界首河段航道碍航分析及整治措施

2020-07-27刘临雄李俊娜黄文辉

水运工程 2020年7期

刘临雄,李俊娜,黄文辉

(1.广西壮族自治区梧州航道养护中心，广西梧州 543002；2.中铁建港航局集团勘察设计院有限公司，广东广州 511442)

近年来，长洲枢纽坝下河段由于河床下切水位下降，枯水期航道水深不足，运输船舶需要减载航行，已经成为西江航运发展的瓶颈。随着珠江—西江经济带建设的深入开展，迫切需要对航道进行扩能升级。长江中游近坝段采取减淤、防冲、加糙的整治措施[1]，广东北江白石窑枢纽下游采用挖槽为主、辅以筑坝、优化整治线型和稳定边滩、稳定航槽的措施[2]。工程技术人员根据2013年前的资料对长洲水利枢纽近坝段河床下切问题进行研究[3-5]，对设计最低通航水位进行分析[6-7]。本文在收集2013年前及近年来相关研究资料的基础上，采用2010—2019年实测的水文、地形等资料对工程河段进行水文特性和河床演变分析，结合平面二维水流数学模型对航道整治方案进行研究，提出疏浚炸礁、回填深槽、调顺航线相结合的整治措施，工程实施后改善了航道通航条件。

1 滩险概况

1.1 自然条件

西江长洲水利枢纽至界首河段长约24 km，从上游至下游依次为龙圩水道、洗马滩、鸡笼洲滩和界首滩，在洗马滩尾有支流桂江汇入。龙圩水道自船闸下引航道出口起至长洲尾，全长约7.8 km，在龙圩水道河段，长洲岛和泗化洲将浔江分为外江、中江和内江，长洲水利枢纽一～四线船闸位于外江的右岸，下引航道出口与外江主航道连接。进入泗化洲尾以后，中江与外江汇合，河面放宽到900 m,再往下游航道左侧有瓦窑沙边滩，河面逐步收缩，枯水期河面宽度400～500 m；上段有西江三桥，下段有西江大桥。洗马滩从长洲尾至桂江河口，全长约4.0 km，外江进入长洲尾后与内江汇合形成单一河槽，河面宽度为800～900 m，中段有西江四桥。桂江河口以下有鸡笼洲滩和界首滩，长度约11 km，河面宽度550～1 100 m，在鸡笼洲滩上段有云龙大桥，右岸有中储粮码头、紫金村综合码头，在中段的左岸有李家庄码头，在尾段有环城高速公路桥。长洲枢纽至界首河段两岸为丘陵，河岸主要由黏土、石灰岩、沙岩组成，具有较强的抗冲能力。河床面为厚度不一的砂卵石覆盖，基床为砂岩或花岗岩，个别河段床面上基岩露出，多年观测表明河岸稳定。

1.2 来水

长洲水利枢纽至桂江河口河段为浔江，浔江到梧州与桂江支流汇合后称西江，在桂江河口下游1.74 km的西江河段有梧州水文站，是本河段的控制性水文站。梧州水文站集雨面积32.70万km2,根据梧州水文站1980—2018年的统计数据表明，历史最大流量为5.39万 m3/s(2005年)，最小流量为656 m3/s(2009年)，多年年平均流量为6 473 m3/s。最高水位27.48 m(2005年)，最低水位1.38 m(2012年)。

1.3 来沙

西江干流长洲水利枢纽至界首河段为少沙河段，以悬移质输沙为主。泥沙主要由上游径流挟带而来，一般情况下输沙量的大小由径流量和含沙量决定，总体上呈现出流量大泥沙量也大的特点。

根据梧州水文站1954—2011年的统计资料，年输沙量最大为1.4亿t/a(1968、1983年)，最小为0.13亿t/a(2003年)，平均含沙量最大为0.57 kg/m3(1983年)，最小为0.091 kg/m3(2009年),含沙量大小变化大致分为3个阶段，1954—1992年都在0.25～0.57 kg/m3(1963年除外)，1993—2002年在0.15～0.25 kg/m3(1999年除外)，2003年以后都在0.15 kg/m3以下，并且呈下降趋势。

2 航道现状及主要碍航情况

2.1 航道现状

西江航运干线贵港至梧州Ⅱ级航道工程已于2009年底建成并交付运行，设计航道尺寸为80 m×3.5 m×550 m(宽×水深×弯曲半径)，按照通航2 000吨级内河船舶标准进行建设。长洲枢纽至界首河段航道整治，设计航道线总体上按枯水期主流进行布置，在原来1 000吨级航道的基础上拓宽浚深，疏浚和炸除航道内水深不足3.8 m的区域，同时在西江大桥上、下游龙圩水道航道左侧新建5条丁坝，集中水流束水冲沙，在长洲尾筑1条顺坝，调顺长洲尾河段水流，改善了航道通航条件。

2.2 当前主要碍航情况

近年来，由于长洲坝下河段出现河床下切、水位下降，枯水期航道水深不足，运输船舶需要减载航行，船舶配载吃水一般为2.0～2.5 m，减载量40%～50%；另一方面，由于航运发展迅速，船舶航行密度大，原有的航道宽度已经不能满足要求，运输船舶容易在西江大桥至长洲尾河段、鸡笼洲滩李家庄码头对开河段发生偏航触礁搁浅，给航运发展带来不利影响。

3 碍航分析

3.1 河床冲淤变化

根据对2010年3月、2013年5月、2018年3月、2019年3月测量的水下地形图的分析结果可知，河道以冲刷下切为主。

3.1.1过水断面的变化

龙圩水道入口至桂江河口河段呈现普遍冲刷的情况，其中长洲枢纽船闸引航道口门区、西江三桥和西江四桥桥区河床变化比较明显，冲刷深度为2.0～3.0 m，应为船闸工程、桥梁工程建设疏浚所致；在长洲尾至西江四桥河段，平均冲刷深度0.78～1.40 m，河道右岸的高旺沙至火山渡口一带边滩普遍下切，原来的沙滩基本消失；其他大部分河段平均冲刷深度在1.0 m以内。桂江河口至界首河段总体呈现普遍冲刷的情况，其中桂江河口至鸡笼洲头河段以及界首滩河段冲刷明显，冲刷深度2.0～3.0 m，云龙桥桥区河段最大冲刷深度超过5.0 m；鸡笼洲头航道右侧局部出现淤积，应为Ⅱ级航道施工时抛卸废碴所致；界首滩航道右侧的边滩，上段范围略有缩小，下段边滩略有淤积，高程有所增加；其他大部分河段平均冲刷深度在1.0 m以内。总体来说，龙圩水道、洗马滩、鸡笼洲滩和界首滩，大部分区域冲深幅度都在1.0 m以内，表明河床抗冲能力较强。

3.1.2航槽的冲淤变化

从龙圩水道入口至西江大桥河段，除西江三桥下游航槽右侧有少量淤积外，其余航槽普遍冲刷，航道平均冲刷深度为0.07～0.94 m；西江大桥至长洲尾河段，由于2008年在航道左侧的长洲边建了丁坝并且在洲尾建了一条顺坝，水流集中冲刷能力增强，西江大桥至长洲尾河段航槽平均冲刷深度1.21～1.87 m，洗马滩中段由于水流动力减弱，平均冲刷深度为0.86 m。桂江河口至云龙桥河段，航槽冲刷明显，冲刷深度为1.92～ 3.94 m，应为长洲三、四线船闸下游锚地开挖扰动与洪水冲刷所致；鸡笼洲滩河段，从鸡笼洲滩头至扶典冲口，航槽平均冲深0.29～0.98 m；界首河段航槽平均冲刷深度2.07～2.11 m。总体上来说，航槽冲刷深度沿程呈起伏变化且差异较大，其中西江大桥至长洲尾河段航槽冲刷深度1.2～1.9 m，桂江河口至云龙桥和界首滩河段冲刷变化较大，冲刷深度在1.90 m以上，最大的达到3.94 m，龙圩水道、洗马滩中段、鸡笼洲河段大部分航槽冲刷变化较小，冲刷深度在1.0 m以内。

3.2 水位下降明显

前文分析长洲水利枢纽至界首河段河床以下切为主，同时界首以下西江广东段完成大规模航道升级整治后水深大幅改善，造成相同流量下，研究河段水位下降明显。根据2018年10月1日—2019年9月30日对梧州水文站每天8:00的流量和水位资料以及各特征断面水尺观测资料进行分析，建立水位-流量关系曲线和特征断面水尺与梧州水文站水位相关关系，推算梧州水文站流量1 140 m3/s时相应水位。各特征断面推算水位与贵梧2 000吨级航道设计最低通航水位比较见表1。

表1 特征断面推算水位与贵梧2 000吨级航道设计最低通航水位 m

从表1可知，当梧州水文站流量为1 140 m3/s时，各特征断面水位下降值为1.51～1.76 m。由于水位下降的幅度大于部分浅滩航槽的冲刷深度，枯水期龙圩水道、洗马滩中段、鸡笼洲滩局部的航道水深仅为2.0～2.3 m。

3.3 局部流态不良

近年来,该河段船舶偏航搁浅大部分发生在西江大桥下游至长洲尾、鸡笼洲航道转弯处。根据2019年2—3月该河段表面流速和流向线实测资料分析，在西江大桥下游转弯段和鸡笼洲河段，航道内存在横流情况，西江大桥下游段航道内横向流速为0.3～0.4 m/s，鸡笼洲河段航道内横向流速为0.2～0.3 m/s，这是运输船舶航行容易发生偏航的主要原因。

3.4 航道宽度不能满足船舶通航需要

除桥区航道以外，长洲水利枢纽至界首河段航道宽度为80～160 m，航道外有零星礁石。在龙圩水道下段西江大桥至长洲尾段，航道宽度仅为80 m；在鸡笼洲滩河段航道宽度为120 m。由于靠近长洲船闸，船舶集中进出闸，经常出现3艘甚至4艘船舶对遇的情况，航道宽度不足。

3.5 部分码头距离主航道比较近影响通航

在该河段内有龙圩新港码头，鸡笼洲河段左岸有李家庄码头，右岸有中储粮码头和紫金村码头。特别是李家庄码头距离主航道比较近，等待装卸的船舶有时靠近航道或占用航道停泊，迫使船舶靠航道右边航行，因而容易偏航而发生触礁搁浅事故。

3.6 电站发电调峰极大地影响坝下航道水深

长洲水利枢纽是一座以防洪发电为主兼顾航运的水利枢纽，具有日调节功能，发电下泄流量的大小直接影响坝下航道水深。根据龙圩航道站和梧州航道站水位观测资料统计，枯水期坝下航道水位日变幅一般为0.3～0.6 m，有时日变幅超过1.0 m，对坝下航道水深影响较大。

4 整治思路和措施

4.1 整治标准

按满足通航3 000吨级内河船舶、两排一列式一顶2×3 000吨级及一顶2×2 000吨级顶推船队通航，设计最小航道尺寸为90 m×4.1 m×670 m，富裕水深为0.4 m。

4.2 整治思路

1)长洲水利枢纽至界首河段航道船舶航行密度大，港区船舶进出港靠泊频繁。为使船舶有足够的水域会船，航道走向总体按2 000吨级航线布置并适当加宽，对容易发生船舶偏航的航段进行优化和拓宽。

2)该段经过1 000吨级和2 000吨级航道整治，目前已有较多的整治丁坝，再通过建丁坝提高水位效果不明显，因而在该河段实施3 000吨级航道整治时综合考虑航道总体布置、水流流态等因素，主要对局部碍航丁坝的长度进行调整，改善水流流态。

3)根据该段河流的碍航特点和水文特性，采取疏浚与炸礁为主的整治措施浚深拓宽航道。

4)航道线布置以原有的2 000吨级航道为基础，在满足通航和规范要求的前提下，尽量减少断面开挖工程量，减少因航道疏浚引起的降水对长洲水利枢纽船闸门槛水深的影响。

4.3 技术参数

4.3.1设计水位

由于研究河段水位一直处于下降中，且近年西江流量较大，梧州站没有录得设计流量及以下的水位数据。根据下游德庆水文站设计水位和设计最小通航流量，采用工程后地形，推算沿程设计最低通航水位。

根据西江梧州水文站1999—2018年日均流量资料、桂江京南水文站2000—2008年的日均流量资料，按保证率为98%、重现期为5 a，采用综合历时曲线法进行分析，得知桂江河口设计最小通航流量为28 m3/s，梧州水文站设计最小通航流量为1 126 m3/s；考虑枢纽不稳定下泄、潮汐影响和下切可能的富裕后，梧州站水文站设计最低通航水位为1.53 m。

4.3.2航道线调整

除桥区航道需要加宽并与通航孔衔接外，龙圩水道—桂江河口河段航道宽度为160 m，西江大桥—长洲尾河段为弯曲河段。为防止出现船舶偏航现象，对该段航道航线进行调顺，航道中心线向右移动53 m，航道右边线向右侧加宽。桂江河口—鸡笼洲滩河段航道宽度为135 m，对李家庄码头对开航段航道线进行调顺，航道线向右偏移63 m，航道右边线向右侧加宽。界首滩河段航道顺直，水流条件较好，航道线宽度按120 m布置。

4.4 整治措施

4.4.1疏浚与炸礁

对设计航槽内水深不足4.5 m的区域进行疏浚和炸礁，并清除航道边线以外附近的碍航礁石。清除龙圩水道航道左边的粪参石、龙船石；清除长洲尾至桂江河口段航道左边的洲尾石、虾山石、洗码石、欢喜石和航道右边的大鱼湾石；清除鸡笼洲滩河段航道右边的锁链头石、趸足口石、狗仔石、镬耳石、肠督石和航道左边的香炉石等。

4.4.2丁坝清障

数学模型计算流场图反映：受丁坝影响，中水期水流与航道线交角较大，形成了不利航行的斜流，对通航影响较大。枯水期主要碍航表现为纵向流速较大，丁坝碍航特性不明显。部分丁坝深入本次设计的航道范围内。

因此，根据数模计算分析成果，对长洲枢纽坝下11#丁坝按照丁坝与航道线距离3倍船宽范围内的坝身块石进行拆除；对12#、13#丁坝按照丁坝与航道线距离1倍单船宽范围内的坝身块石进行拆除。同时缩短西江大桥以下左岸6#、7#丁坝的长度20～30 m，减弱丁坝的挑流作用，以减少水流对西江大桥—西江四桥河段右岸的冲刷。

4.4.3局部回填

利用清礁石碴回填鸡笼洲河段、界首河段深槽，防止河床进一步下切，减少水位下降对航道水深的影响。工程河段航道整治情况见图1。

图1 工程河段航道整治

5 整治效果

采用开源的Delft3D软件建立的数学模型对整治效果进行分析。数学模型范围上游边界为长洲水利枢纽船闸下引航道出口，下游断面为德庆水文站断面。计算区域布置网格2 388×100，网格分辨率在河宽方向网格步长为12～15 m，沿河道方向网格步长为15～50 m。根据2019年2月9—10日(枯水)，2月27日—3月1日(中水)的实测资料进行验证。

5.1 比降改善

根据数学模型试验研究成果，实施航道整治以后，沿程水面线变化如表2所示。表2数据表明，工程后水位出现下降，最大为0.705 m，沿程最大水面比降由0.218‰降低为0.105‰。

表2 实施航道整治前后沿程水面线变化

5.2 水深改善

根据数学模型试验研究成果，工程后水位有所下降，下降幅度小于开挖深度，航道水深最终增加，实施航道整治前后设计水位工况下沿程水深如图2所示。从图2可知：工程前在设计最小通航流量条件下航道水深多处在3.0 m左右，局部小于2.0 m；工程后水深超过4.5 m，满足3 000吨级船舶的设计通航要求并留有富裕。