澜沧江航道建设工程溪口滩航道整治方案

2020-12-23袁涛峰

水运工程 2020年12期

袁涛峰

(长江重庆航运工程勘察设计院，重庆 401147)

澜沧江Ⅳ级航道建设工程位于云南省境内，横跨西双版纳自治州、普洱市和临沧市。工程河段上起临沧港，下至243界碑，全长387 km，包含糯扎渡、景洪两个库区河段和景洪以下天然河段。建设内容为对全河段43个滩险进行综合治理，整治内容含括清礁工程、疏浚工程、丁坝、顺坝、潜坝、拦石坝等各种坝体和护岸工程等[1]。本次Ⅳ级航道建设中涉及的一个重难点问题是溪口滩险的治理，在之前Ⅴ级航道建设工程中，曾对溪口滩进行过治理，整治措施主要是对溪口冲击扇进行疏浚，解决了当时航道尺度不满足要求的问题，但由于未采取有效的措施拦截或疏导上游来石，随着时间的推移，溪口滩再次淤积，致使航道尺度已不满足要求。目前，在航道整治工程中，根据《航道工程设计规范》[2]，针对溪口滩碍航问题可采用修建拦石坝、导流坝等措施。但在实际的实施过程中，往往仍是依据溪口滩本身的水沙运动规律及特点，采用传统的整治结合疏浚措施维持航槽稳定[3]，整治手段单一，相关整治技术研究较为匮乏，同时又缺乏拦石坝等工程措施的实际应用。针对在不同溪口滩航需要提升航道等级、成滩原因又各异的情况，本文以澜沧江Ⅳ级航道建设工程为依托，对不同成因的溪口滩航道整治方案进行研究，提出拦、导、疏综合治理措施，为类似滩险航道等级提升整治提供借鉴。

1 滩险概况及碍航特征

澜沧江Ⅳ级航道工程景洪以下天然河段上起景洪枢纽、下至243界碑，共76 km，该段滩险众多，包括急滩、险滩、浅滩、溪口滩等各类型滩险，碍航特征各异，是本次整治的重点，见图1。在Ⅳ级航道建设工程航道条件核查过程中，自Ⅴ级航道建设工程整治以来，本段航道沿程存在溪口滩回淤的问题，致使溪口冲积扇发育并凸伸航道以内，压缩主航槽。根据各滩的地形测图显示，在Ⅳ级航道建设以前，各溪口滩段航道弯曲、流速急，航道尺度不满足Ⅳ级航道尺度要求，同时水流条件较差。因此，溪口滩的治理是本河段整治的难点，直接关系工程能否达到Ⅳ级航道建设标准，是工程成败的关键一环。

图1 景洪枢纽以下滩险分布

1.1 滩段河势

1.1.1贺宽上滩

贺宽上滩为中、枯水期溪口急流浅险滩，兼具“弯、浅、险、窄、急”等碍航特征，见图2。滩险上段为弯曲河段，左岸为凸岸，有一条溪沟冲积扇凸入江中，岸线相对较为平顺，右岸为凹岸，在凹曲顶点上下游分别有两个礁石凸嘴，岸线较为曲折。滩险中段，该段为放宽河段，河道相对顺直，两岸岸线均向内凹，岸线较为曲折。滩险下段，河道束窄，左岸有两个连续的礁石凸嘴，右岸有一个礁石岩盘伸入江中，左、右岸礁石岩盘对峙成卡，江面被束窄。

图2 贺宽上滩

1.1.2南班河口滩

南班河口滩位于顺直微弯型河道中，平面上成倒“L”形，左岸侧有支流南班河汇入，见图3。滩险上段顺直，进口两岸有礁石凸向江中，并形成交错卡口。滩险中段即南班河口滩，左岸顺直，右岸有一个河湾，江面宽阔，左岸有南班河汇入，并在河口形成冲积扇并凸入江中。滩险下段河段向下呈90°转弯。

图3 南班河口滩

1.1.3梭椤滩

梭椤滩为枯水期溪口冲积急流滩，总体河势上，滩险处在一顺直河段，两岸岸线均较平顺，见图4。江面宽度较窄，约70 m。滩险上、下段顺直，滩险中段，左岸有一条溪沟汇入，并在左岸形成浅水漫滩，并凸向江心，压缩主航道，形成单侧的卡口。

图4 梭椤滩

1.1.4勐宋滩

勐宋滩河势上处顺直微弯河段，左岸略凸，主要为溪口冲积堆，岸线相对平顺，右岸略凹，修建有一道丁坝，岸线相对曲折复杂，见图5。滩险左岸有一条溪沟汇入，山洪暴发时，将泥沙、砾石等挟带至此落淤，形成冲积堆突伸江中，使航道向右弯曲，右岸为陡峭的山崖，并有连续的石盘向江中伸入。

图5 勐宋滩

1.2 自然条件

1.2.1气候和水文条件

本工程溪口滩险均分布于云南省景洪市境内，全年平均气温在20 ℃以上，属于热带气候类型。降水分布特点：年内分配不均匀，有明显的旱季和雨季，其中5—10月为雨季，降水丰沛，且高温期与多雨期一致。鉴于以上的气象特征，溪口滩险在旱季时来流小，基本不会挟带砂石堆积于溪口，而在雨季，尤其是山洪暴发时，溪口来流暴增，挟带大块石淤积于溪口，形成冲积扇。目前，溪口滩的来水来沙条件仍以山洪挟带来石来沙淤积为主。另外，通过现场调研发现，在溪口滩的支流上，两岸存在大量因修建公路、铁路散抛堆放的砂石，这也会成为今后溪口淤积砂石的来源。

1.2.2滩段水沙运动规律

1)贺宽上滩。①洪水期，主流自上段沿江心而下，过卡口后进入中段，江面突然放宽，主流至此有所放缓，加之滩险下段左右岸礁石凸嘴对峙束窄河床，对主流的壅水作用，水流进一步放缓，泥沙在溪口位置一带落淤。另外，在支流山洪暴发时，由溪沟带来的砂石大量淤积在溪口位置。②枯水期，在滩险上段，主流循江心偏右岸侧而下，至滩险中段，主流自上段由右岸逐渐挑向左岸，在退水过程中，汛期在溪口滩淤积的泥沙逐渐被冲刷带走，但经过上游景洪成库后，枯水期流量增加，冲刷时间缩短，泥沙不能完全被冲刷带走。

2)南班河口滩。①洪水期，主流循江心而下，滩险上段，右岸侧河湾段，江面宽阔，主流至此流速放缓。加之下游滩险段冲积扇和右岸岸线束窄河床，对主流的壅水作用，水流进一步放缓，主流来沙在冲积扇以上右岸浅碛上淤积。至河口段，由于南班河沿线植被破坏，大量块石、砾石顺山洪带至河口形成冲积扇，凸入江中，束水成滩。过河口段后，主流沿右岸侧河湾而下。②中枯水期，滩险上段，主流逐渐归槽至河湾段，主流扫弯后偏向左岸侧而下，退水的过程中，水流冲刷汛期在右岸浅碛上淤积的泥沙，年际间冲淤基本平衡。至河口段，主流被河口冲积扇挑至右岸一侧，由于冲积扇淤积质多以块石、砾石为主，不易被冲刷带走，冲积扇逐渐向江心发展。淤积较为明显。过河口段后，主流扫右岸河湾偏右岸侧而下。

3)梭椤滩。①洪水期，主流沿江心而下，受滩险中段左岸岩盘和漫滩凸嘴卡口束流，卡口以上流速放缓，卡口以下流速较大，泥沙在左岸漫滩上落淤。过岩盘后，主流沿江心而下。②枯水期，主流逐渐归槽，上段主流偏向江心左岸一侧下泄，冲刷洪水期在岩盘上淤积的泥沙。主流受到左岸岩盘凸嘴阻挑影响，并受溪沟水流顶冲，在此形成强烈的剪刀水，流态较差。

4)勐宋滩。①洪水期，主流沿江心而下，在滩险下段出口处，左右岸礁石突出形成卡口，对主流起到壅水作用，主流放缓，泥沙在溪口河漫滩上落淤。②中枯水期，水流逐渐消退，在退水过程中，汛期淤积的泥沙部分被冲刷带走，但在左岸冲积堆尾部泥沙逐年有所淤积。另外，左岸溪沟由山洪带来的泥沙也有逐年向江心淤积发展的趋势。

1.3 成滩原因及碍航特征

通过前述分析，溪口滩成滩的原因为：洪水期，尤其在丰水丰沙的年份，泥沙在溪口滩上落淤，枯水期随着水流的消落，主流冲刷泥沙，但是由于水位消落过快，走沙时间不足，导致泥沙在此呈累积性淤积的趋势。同时，在雨季山洪暴发时，由溪沟冲刷带来的砂石大量淤积在溪口，而其中的卵石、块石等不能被冲刷带走。因此，在溪口位置，由溪沟冲出的卵石、块石与上游来沙逐渐淤积发展，形成溪口滩。溪口滩向河心发展过程中，逐渐压缩主航槽，导致航道弯曲、航宽不足，水流流速增加，从而造成滩险碍航。

1.3.1贺宽上滩

贺宽上滩碍航的主要原因在于：1)整个滩险河段成“S”形弯曲，上段冲积扇堆体和下段礁石凸嘴的存在压缩航道偏向对岸一侧，使航道弯曲不顺，航宽较小，且转向频繁，船舶操纵困难；2)滩险上、下段河床均为石质，水深较浅，航道尺度不满足Ⅳ级航道标准；3)滩险上段左岸冲积扇堆体与右岸礁石凸嘴成对峙卡口，束窄河床并挑流，流速急，且有剪刀水等不良流态，滩险中段深槽，滩险下段卡口水浅，主流至下而上，在下段进口位置有泡漩水，过卡口后，受右岸礁石凸嘴和左岸凸嘴挑流，流急并有剪刀水，流态差。

1.3.2南班河口滩

南班河口滩碍航的主要原因在于：1)滩险上游卡口航宽不足；2)南班河口冲积扇的存在，向右压缩了主航槽，航道尺度虽然基本满足Ⅳ级尺度标准，但航路连续转弯，不顺畅，同时冲积扇产生向右岸的挑流，流速大且影响水流流态，航道条件不好；3)滩险下段右岸岩盘和左岸浅滩致使航道弯曲、狭窄，航道尺度不足。

1.3.3梭椤滩

梭椤滩碍航的主要原因在于：1)河段本身较为狭窄，枯水期滩险左岸岩盘、浅水漫滩的存在，形成卡口，压缩主航槽，使航道尺度不足；2)浅水漫滩使水流右挑，加之溪沟来流顶冲，形成强烈的剪刀水，流态较差；3)滩段河窄流急，卡口上段壅水、下段深槽，水面比降陡，上行船舶上滩困难。

1.3.4勐宋滩

勐宋滩碍航的主要原因在于：枯水期，滩险上、中段左岸冲积堆和右岸连续的礁石岩盘对峙形成卡口，航道弯曲，流态紊乱，流速偏大，滩险下段受到冲积堆体挑流影响，流态紊乱，同时航槽内有零星暗礁影响航行。洪水期，右岸多处礁石岩盘挑流，流态紊乱。

根据前述，溪口滩的成因主要在于溪口挟带卵石推移质流入干流时，因比降减小，同时受主流顶托，使卵石推移质在溪沟口沉积，形成冲积扇或者冲击锥，若溪沟的卵石推移质粒径比干流大，沉积后不易被冲刷带走，便在溪沟口产生累积性沉积，使冲积扇(锥)不断扩大，从而束窄过水断面，水流流速增加，形成急流滩，称之为溪口滩[4]。但同时并非所有的冲积扇(锥)都会形成溪口滩，还取决于澜沧江峡谷型的地形地貌，溪口淤积成冲积扇后，压缩主航槽，束窄过水面积，使航道尺度不足，同时水流流速显著增加，因而形成急流滩。

2 山溪河流航道治理思路

2.1 滩险历史整治情况及效果

澜沧江Ⅴ级航道整治过程中曾经对以上溪口滩进行过治理，整治后航道等级达到了Ⅴ级航道尺度标准，但是由于当时投资等限制，基本采用单纯疏浚的措施，加之整治后未开展维护性疏浚，截至Ⅳ级航道实施之前，溪口滩已经回淤，航道情况恢复到Ⅴ级航道整治前的状况，航道尺度达不到Ⅳ级航道尺度要求，同时滩险水流条件恶劣，碍航严重。贺宽上滩、南班河口滩、梭椤滩、勐宋滩整治前都存在支流溪口有泥沙被冲刷带出，淤积于溪口压缩航道，致使出现航道尺度不足、水流条件差的碍航情况，通过清除淤积扇的整治方案，整治后都达到了Ⅴ级航道尺度标准，但未解决支流来石来沙问题，加之缺乏维护，使溪口回淤。

2.2 整治思路

针对Ⅴ级航道整治方案及治理效果的分析研究认为：单纯依靠疏浚的整治措施，虽然在短期内能够解决航道尺度的问题，但是由于未解决支流来石来沙的问题，经过一段时间的冲淤变化后，溪口滩将重新出现回淤，压缩航道，致使航道尺度不足。因此，本次治理的思路除清除溪口冲积扇外，还需要采取拦截落石的工程措施，必要时辅以维护疏浚。

1)清除溪口冲积扇，保障尺度满足Ⅳ级航道要求。本次Ⅳ级航道建设工程的最终目标将工程河段航道等级由Ⅴ级提升至Ⅳ级，溪口滩段由于溪口冲积扇的存在，致使航道弯曲、流态紊乱，同时航道宽度不满足Ⅳ级航道尺度要求。据此，本次整治的首要工作就是按照Ⅳ级航道尺度的要求，对不满足深度和宽度的部分进行清除，同时调顺航道，改善水流流态。

2)在外部条件满足要求的情况下，在溪沟抛筑拦石坝，拦截支流来石来沙。溪口滩险形成的一个重要原因在于支流流域发生暴雨时，由山洪带来的泥石淤积于溪口。因此，针对溪流来石来沙的问题，当支流有筑坝条件，并能容纳5年以上溪沟山洪来石量时，在溪沟选取适当的位置修建拦石坝，拦截溪沟来石来沙，从根源上解决溪口滩淤积问题。

3)清除溪口滩下游阻流卡口，加大水流的溪口滩冲刷力度，增加溪口滩导沙能力。根据对工程河段内的4个溪口滩总结发现，溪沟滩险形成的另一个关键性原因在于溪口滩所处位置往往河段宽阔，而溪口滩处在河道凸岸一侧，因此洪水期泥沙容易在溪口滩上淤积，加之在宽阔段的下游有对应的礁石卡口，造成对上游的阻水作用，使得沙、石进一步在溪口淤积。针对溪口滩的这一特征，本次整治过程中，清除溪口滩下游阻流卡口，增加水流对溪口滩的冲刷力度，达到导沙的目的。

4)增加开挖深度和宽度，预留备淤工程量，同时加强观测，必要时开展维护性疏浚工作。通过对溪口滩水沙条件的分析，溪口滩所处位置年际间的演变趋势为“洪淤枯冲”，但由于上游景洪枢纽蓄水运行后，上游来流增加，枯水历时期短，造成水流对泥沙的冲刷强度不够，因此，滩险总体呈现出累积性的淤积趋势。为此，在清除溪口淤积泥沙时，需要增加开挖深度和宽度，预备一定的备淤工程量。同时在工程完成后，需要加强观测，必要时开展维护性疏浚工作，保障航道尺度满足要求。

3 整治方案研究

3.1 拦石坝平面布置原则

拦石坝平面布置时，主要考虑以下因素：1)坝址选择在峡谷处或盆地、洼地的出口，建坝工程量小、造价低、库区容量大；2)坝址区宜选择在交通便利位置，便于机械设备进出、利于施工；3)坝轴线宜布置在地质良好的基岩上，非基岩时应加强地基处理；4)当支流来石量大或者库容不足时，可布置多级拦石坝。根据以上选址原则，本次拦石坝平面布置选择在距溪口上游500 m以内合适的位置，采用一级或两级拦石坝，坝轴线选在覆盖层较小的基岩上，两岸有公路可直达现场。以Ⅳ级航道建设工程梭椤滩为例，本滩在溪口上共布置了两道拦石坝S1、S2，长度分别为12.27、9.54 m，坝轴线分别距溪口50、90 m。

3.2 拦石坝结构形式

在拦石坝结构设计的过程中，主要考虑了4个方面的因素：1)坝体结构稳定性；2)拦石坝可供淤积库容；3)拦截效果；4)清库方式。据此，设计出导流孔式拦石坝和废旧钢轨式拦石坝两种结构形式，并对其优缺点进行了对比分析。

3.2.1导流孔式拦石坝

该结构形式采用在溪沟上浇筑混凝土坝体，坝体上预留孔位，以被水流通过，见图6。优点为拦截能力强，施工方便；缺点为造价高、过水效果不佳，同时可拦截由水流冲刷带走的泥沙，相同泥石流库容设计标准下，需要坝顶设计高程高、工程量大。

图6 导流孔式拦石坝

3.2.2废旧钢轨式拦石坝

借鉴泥石流灾害治理的成功经验[5]，该结构采用坝体墩加废旧钢轨相结合的形式，见图7。优点为造价低、过水条件好，在相同设计标准下的工程量更小。经过对比，最佳方案为混凝土墩+废旧钢轨结构的拦石坝。

图7 坝墩+钢轨式拦石坝

3.3 结构设计

3.3.1拦石坝高度及库容

拦石坝高度的确定主要依据以下方面确定：1)稳定坝址上游坍塌体和上游的沟道堆积物；2)根据坝址处地形、地质及岸坡工程地质条件；3)拦蓄溪沟山洪来石量和最大库容。

拦石坝高度计算公式：

Hd=Ls(Ib-Ic)

(1)

式中：Hd为溪沟沟底至拦石坝的有效高度(m)；Ls为上游坡需要掩埋处距拦石坝坝顶上游侧的距离(m)；Ib为溪沟原始纵坡坡度；Ic为溪沟回淤纵坡坡度。

拦石坝库容计算公式：

V=[(B+b)/6]LH

(2)

式中：V为库容(m3)；B为坝高H时的溪沟宽度(m)；b为溪沟沟底宽度(m)；L为回水长度(m)，由坝高和溪沟比降确定；H为坝高(m)。

拦石坝总坝高为拦石坝坝高和安全超高之和，安全超高取0.5～1.0 m。

以Ⅳ级航道建设工程梭椤滩为例，通过计算，两级拦石坝设计坝高等设计参数见表1。

表1 梭椤滩拦石坝参数计算结果

根据该滩溪口2006年6月Ⅴ级航道竣工测图和2016年5月Ⅳ级航道整治工程测图，通过对比分析，该滩竣工后溪口滩险平均高程492.58 m，本次出现新的淤积，淤积量约2 000 m3，因此该滩10年淤积不能带走的块石按照2 000 m3设计，即该滩溪口5年山洪来石量约1 000 m3。因此，该滩两级拦石坝库容大于5年溪沟山洪来石量，满足《航道工程设计规范》规范要求。

3.3.2栅栏间距设计

栅栏间距的设计原则以拦截大粒径块石为目的。以Ⅳ级航道建设工程梭椤滩为例，根据地质调查资料，溪口块石以粒径大于30 cm为主，达90%以上，从满足航道整治后的效果和经济考虑，并结合《航道工程设计规范》要求，栅栏坝间距取0.3 m。

3.3.3坝墩设计

坝墩设计以保障坝体稳定为主要原则。以Ⅳ级航道建设工程梭椤滩为例，采用左右两岸一侧各一个坝墩，底部1.3 m宽度范围内进行石方开挖，深度为岩基以下0.8 m，坝墩岸侧垂直于岸线相交，并将岸坡凿成毛面，采用C25混凝土现浇坝墩；坝墩岸侧采用锚杆结构。

3.3.4稳定性验算

计算内容包括抗滑稳定性验算和抗倾覆稳定性验算。计算公式为：

Kc=f∑N/∑P

(3)

K0=∑MN/∑MP

(4)

式中：Kc为抗滑移稳定安全系数；f为摩擦系数；∑N为垂直方向作用力总和(kN)；∑P为水平方向作用力总和(kN)；K0为抗倾覆稳定安全系数；∑MN为抗倾力矩总和(kN·m)；∑MP为倾覆力矩总和(kN·m)。

计算工况按照竣工后，坝体第一次遭受山洪、发生过小型山洪后再次发生山洪、发生过大型山洪后再次发生山洪分别对应坝后为空库、半库、满库，提出支墩设计工况。