湘江株洲与长沙枢纽共同影响下的坝间航道整治数值分析

官志鑫，田红伟，刘学著，刘博雅

(湖南省交通规划勘察设计院有限公司，长沙 410200)

湘江是湖南“一江一湖四水”水运网布局中的重要航道，已成为湖南对接长江经济带的“黄金水道”。株洲航电枢纽坝下至株洲一桥的湘江河道属于长沙综合枢纽的库区尾段，在长沙综合枢纽建成蓄水及湘江2 000 t级航道建设一期工程实施后，该河段航道条件有较大改善。但由于长沙综合枢纽尚未按正常蓄水位29.8 m蓄水，造成株洲航电枢纽坝下至今仍有渌口、辰洲、错石和萝卜洲四个滩险，由于存在航道水深不足的问题，该段航道已成为湘江高等级航道的“卡口”，为此需开展株洲航电枢纽与湘江长沙综合枢纽共同影响下的坝间航道整治工程研究工作。

针对整治工程效果分析，许多学者开展了大量的研究工作[1-2]。贾华杰[3]等针对三峡—葛洲坝两坝间水田角河段水文特性、碍航特性及滩险成因，开展航道整治措施研究；冯小香[4]等开展三峡两坝间水田角河段航道整治三维水流数学模型应用研究；王建军[5]等在河道演变分析基础上运用数学模型对韩江高陂枢纽至东山枢纽段河床演变及治理效果开展研究；金辉[6]等开展湘江营田滩河段2 000 t级航道整治工程效果数值模拟研究工作；杨明远[7-8]等运用二维数学模型开展了整治河段通航水流条件分析。因此本文利用数学模型开展株洲与长沙枢纽共同影响下的坝间航道整治工程效果研究。

1 数学模型的建立

株洲枢纽下游引航道-株洲一桥航道整治工程以丁坝和挖槽为主，拟通过疏浚工程浚深拓宽航槽，筑坝束窄河床、调整局部河段比降，改善航道水深条件。为较好地描述丁坝、挖槽等整治工程，研究基于笛卡尔坐标系，采用非结构化网格全河段建立二维水动力数学模型[5-6]。水流连续方程为

(1)

x方向运动方程为

(2)

y方向运动方程为

(3)

控制方程离散方法采用有限体积法，模型采用非结构三角网格，最大网格长度约为100 m，对丁坝、挖槽附近网格进行局部加密处理，最小网格长度约为1.0 m，计算域内共布置35 416个网格。数学模型进口位于株洲航电枢纽，将株洲航电枢纽的下泄流量作为入口边界条件，出口位于湘江长沙综合枢纽，以湘江长沙综合枢纽的坝前水位作为出口边界条件，模拟河段长度约135 km。

2 数学模型的验证

由于研究的重点主要是枯水期，因而采用枯水流量500 m3/s下的同步瞬时水位实测数据对数学模型进行验证。表1给出500 m3/s流量下的瞬时水位验证情况。通过比较模拟水位和实测水位数据，可以看出模型与原型实测水位吻合良好，误差均小于±0.1 m，表明数学模型计算水面线与原型水面线吻合较好，符合相关规范要求。

表1 水位计算值与实测值对比Tab.1 Comparison of water level numerical results and measured results

3 水文分析

长沙、湘潭、株洲、株洲枢纽坝下等水文测站与长沙枢纽坝上的距离分别是26 km、72 km、108 km和132 km。图1分别给出2016年、2014～2016年株洲航电枢纽每日下泄流量平均值统计情况。可以看出2014～2016年，株洲航电枢纽每日下泄流量小于330 m3/s的天数为5 d，占比0.46%；下泄流量小于470 m3/s的天数为66 d，占比6%。2016年，无下泄流量小于470 m3/s的天数。可见下泄流量470 m3/s趋于平稳。

1-a 2016年 1-b 2014～2016年图1 株洲枢纽每日下泄流量平均值统计情况Fig.1 The average daily discharge statistics of Zhuzhou navigation junction

2013～2016年初由于湘江长沙综合枢纽蔡家洲砂石翻坝工程上游码头施工，枢纽水位因施工需要降低，造成2013～2015年长沙枢纽坝前水位偏低，因此按照2016年以后的长沙枢纽坝前水位进行分析更为合理。图2为2016年全年、2017年1～7月长沙枢纽坝前水位每日8时的实测值统计情况。可以看出2016 年，长沙枢纽坝前水位为27.70 m的天数为2 d，占比0.55%；长沙枢纽坝前水位小于28.0 m的天数为40 d，占比10.96%；坝前水位小于28.20 m的天数为47 d，占比12.88%。2017年1～7月(212 d)长沙枢纽坝前水位小于28.0 m的天数为1 d，占比0.47%；坝前水位小于28.20 m的天数为12 d，占比5.66%。8月以后水位资料暂未收集，但根据往年水位情况可知8～10月水位相对较高，枯水期11～12月情况还需根据进一步实测后进行分析。根据目前资料分析，长沙枢纽坝前水位有抬升趋势，2017年未出现27.7 m低水位，且低于28.2 m水位天数逐渐减少。

2-a 2016年全年 2-b 2017年1～7月图2 长沙枢纽坝前水位每日8时的实测值统计情况Fig.2 Water level in front of the dam at 8 o′clock daily in Changsha navigation junction

根据河道实际情况，整治河段下游端临近株洲水文站，而最低通航水位受下游135 km处长沙综合枢纽坝前水位控制。为合理确定最低通航水位，从株洲水文站、长沙枢纽坝前低水位两个角度进行分析。通过分析2013年以来株洲站水位资料，分别按2013～2016、2014～2016、2015～2016、2016年4个系列计算历时保证率水位(表2)。可以看出，株洲站水位有抬升趋势，2016年最低为28.2 m。

表2 株洲水文站2013～2016年水位保证率分析Tab.2 Analysis on water level assurance rate of Zhuzhou hydrological station from 2013 to 2016 m

从水文分析结果而言，坝前水位有抬升趋势，2016年最低27.7 m。2017年抬升明显，坝前水位小于28.20 m的天数为12 d，占比5.66%。根据目前资料分析，2017年未出现27.7 m低水位，且低于28.2 m水位天数逐渐减少(表3)。蔡家洲砂石翻坝工程竣工后，近2 a长沙枢纽坝前水位趋于稳定，且28.2 m水位为大坝浮式拦污排最低控制水位，较为可靠。

表3 长沙枢纽坝前2016～2017年低水位天数分析Tab.3 Analysis of days of low water level in front of Changsha navigation junction from 2016 to 2017

由于本工程主要针对株洲枢纽至株洲一桥段航道因长沙枢纽无法正常蓄水引起的碍航问题进行航道整治。因而设计水位取值应符合上下游现状条件。综述以上分析，河段上下游设计边界条件取值为：株洲枢纽下泄流量470 m3/s，长沙综合枢纽坝前控制水位取28.20 m。

图3-a给出长沙枢纽坝前水位控制在27.70 m，株洲航电枢纽以330～1 050 m3/s下泄时，整治工程实施前株洲航电枢纽坝下河道水位数值模拟结果。图3-b给出株洲航电枢纽以330 m3/s的基础流量下泄，长沙枢纽坝前水位在27.70～29.20 m范围内变化时，整治工程实施前的株洲航电枢纽坝下河道水位数值模拟结果。可以看出，株洲枢纽下泄流量的增加，对提升渌口滩水位的效果最为明显，辰州滩和错石滩次之，萝卜洲滩效果较差；长沙枢纽坝前水位的提升，对提升萝卜洲滩水位的效果最为明显，错石滩和辰州滩次之，渌口滩效果较差。

图3 航道整治工程实施前河道水位模拟结果Fig.3 Numerical simulation of water level before the implementation of channel regulation

4 工程方案

利用数学模型计算得到，整治河段在上述边界条件下，株洲一桥处略有回水，水位为28.29 m，逐渐回水至株洲枢纽下游口门区处水位为29.29 m(表4、表5)。

表4 设计最低通航水位Tab.4 Designed lowest navigable water level

航道等级为内河Ⅱ级航道，设计代表船型为2 000 t级货船，船型尺度为90.0 m×14.8 m×2.6 m(总长×宽×设计吃水)。原航道设计尺度为2.8 m×90 m×550 m(水深×双向航宽×弯曲半径)；考虑到株洲一桥右通航孔岩面较浅，大面积炸礁对桥梁安全不利，航道管理部门确定按“先通后畅”原则确保2 000 t级船舶通行，株洲一桥按单向通航标准，桥区河段约1 km航道尺度为2.8 m×45 m×550 m(水深×单向航宽×弯曲半径)，同时在桥区下游附近设置避让区，解决桥区会船问题。按此方案，株洲一桥桥下可避免炸礁，确保了桥梁运行安全，辰洲滩、错石滩、萝卜洲滩需开展航道整治。

如图4所示，辰州滩位于渌水河口下游约5 km，桩号K124～K130，共有两处水深不足碍航点，工程主要布置挖槽，上段位于渌水河口下游约1 km右岸，挖槽长度约400 m，下段位于已有丁坝段，挖槽长度约1 km。

表5 各滩设计水位Tab.5 Design water level of each shoal

图4 辰州滩航道整治工程平面布置 图5 错石滩航道整治工程平面布置Fig.4 Layout of waterway regulation in Chenzhou Shoal Fig.5 Layout of waterway regulation in Cuoshi Shoal

如图5所示，错石滩位于辰州滩下游约3 km，桩号K114～K124，为了束窄该滩枯水河槽，按整治线宽度360 m在两侧布置整治建筑物，其中左岸2座，右岸3座，上游采用2组对口丁坝以抬高水位，调整河段水面比降，与水流正交；下游右岸多布置1座丁坝以适应宽浅微弯河道，调顺水流。

如图6所示，萝卜洲滩位于株洲一桥上游，桩号K111～K114，礁石分布右岸多于左岸。方案利用左侧通航孔单向通航，布置挖槽将航道疏通，总长度约600 m。

图6 萝卜洲滩航道整治工程平面布置Fig.6 Layout of waterway regulation in Luobuzhou Shoal

5 结果分析与讨论

5.1 工程效果分析

图7和图8分别给出株洲枢纽按照470 m3/s流量下泄，长沙枢纽坝前水位控制在28.20 m，整治方案实施前后株洲航电枢纽坝下河段沿程水位变化和河道水深情况。可以看出渌口滩、辰州滩、错石滩、萝卜洲河段内航槽水深均满足相应的设计航深要求。其中，萝卜洲滩河段整治工程实施后水位基本无变化，水深达2.8 m。错石滩河段水位稍有抬升，水位平均壅高0.73 cm，航槽最小水深达2.9 m，辰州滩河段实施后水位有所降落，水位平均降落1.6 cm，航槽最小水深达3 m，流速明显下降。渌口滩河段实施后水位有所降落，水位平均降落5.9 cm，航槽最小水深达2.9 m。株洲航电枢纽下游口门区实施后水位在29.29 m以上。因此虽然航道整治工程的实施造成了水位的略微下降，同时使得河道比降变缓，但变化幅度均非常小，影响有限。

注：株洲枢纽下泄流量470 m3/s，长沙枢纽坝上水位28.2 m。 注：株洲枢纽流量470 m3/s，长沙枢纽坝上水位28.2 m。图7 工程前后沿程水位变化情况 图8 整治工程实施后河道水深Fig.7 Water level changes along the front and back of the project Fig.8 Water depth of river after the project

同时，计算结果表明当株洲枢纽按照470 m3/s流量下泄，长沙枢纽坝前水位控制在28.20 m时，株洲坝下河段航槽平均流速为0.27 m/s。航道整治工程实施后，除错石滩外，沿程流速变化均不大。由于错石滩按整治线宽度360 m在两侧增设了丁坝，造成局部流速的略微增大，航槽内流速平均增加0.01 m/s，影响也较小。

因此，株洲航电枢纽-株洲一桥河段航道整治工程航道采取疏挖和筑坝工程整治后，整治方案对上游河段有一定的雍水作用，整体水面比降有所趋缓，对解决枯水期通航水深不足问题有明显作用，可以达到通航2 000 t级船舶预期。

5.2 株洲枢纽坝下渌口滩原丁坝拆除讨论

在进行航道整治方案设计时，考虑是否拆除渌口滩原丁坝，拆除后选址作为株洲航电枢纽的待闸锚地。图9给出渌口滩拆除丁坝前后沿程水位变化数值模拟结果。考虑最不利情况，株洲航电枢纽以330 m3/s的基础流量下泄，长沙枢纽坝前水位控制在28.20 m时，由于渌口滩丁坝的拆除，造成渌口滩以上河道水位的下降，拆除后水位降约4.1 cm。研究发现现阶段枯水期株洲航电枢纽坝下至渌口滩水面坡降较大，渌口滩丁坝的壅水效果较为明显，考虑到渌口滩本身通航水深的不足，因此建议现阶段保留渌口滩丁坝。渌口滩丁坝位置可作为备用锚地，等长沙枢纽能正常蓄水至29.80 m时，再拆除渌口滩丁坝。

图9 渌口滩拆除丁坝前后沿程水位变化数值模拟结果Fig.9 Water level changes before and after removing of Lukoutan dike

6 结论

本文采用非结构化网格，建立了株洲枢纽下游引航道-株洲一桥航道整治工程所在河段二维水流数学模型，开展株洲与长沙枢纽共同影响下的坝间航道整治工程分析工作，得到如下主要结论：

(1)株洲枢纽下游引航道-株洲一桥段航道的通航水深与株洲航电枢纽下泄流量、湘江长沙综合枢纽坝前蓄水位有直接关系。株洲枢纽下泄流量的增加，对提升渌口滩水位的效果最为明显，萝卜洲滩效果较差；长沙枢纽坝前水位的提升，对提升萝卜洲滩水位的效果最为明显，渌口滩效果较差。

(2)航道整治工程实施后，渌口滩、辰州滩、错石滩、萝卜洲河段内航槽水深均能满足相应的设计航深要求。

(3)按“保通”的思路确定株洲一桥为单向通航标准，通过在桥区下游设置避让区，避免了株洲一桥桥下炸礁，不仅确保了桥梁运行安全，同时满足了通行2 000 t级船舶要求。

(4)渌口滩丁坝的拆除会造成渌口滩以上河道水位的下降，建议保留渌口滩丁坝。

(5)鉴于本段航道整治工程以炸礁为主、筑坝为辅，建议实施过程中与相关部门协商，可适当增加株洲航电枢纽下泄流量或适当提高湘江长沙综合枢纽坝前蓄水位，不仅有利于减少工程投资，还可以确保工程实施后河段达到预期通航要求。

(6)两坝间航道整治工程方案布置时应重点考虑上游梯级泄流流量和下游梯级运行水位，合理确定通航水位保证率，同时还应统筹考虑沿线桥梁、整治建筑物等关键要素对通航的影响。