草尾河响水坎河段水流及碍航特性研究

2022-02-03叶应明普晓刚海显盛章日红杨燕华

水道港口 2022年5期

叶应明，普晓刚，海显盛，章日红，杨燕华

(1.湖南省益阳航道事务中心，益阳 413001；2.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；3.湖南省交通规划勘察设计院有限公司，长沙 410008)

草尾河又称开湖航线，位于洞庭湖中部，上游西起茅草街，向东经草尾、黄茅洲、新河口、幸福港、漉湖至鲇鱼口汇入湘江洪道，全长73 km，是沅水、澧水及长江三口(藕池口、太平口和凇滋口)来水流入东洞庭湖的主要洪道之一，是连接西、南与东洞庭湖的捷径航道。该航道原为西南洞庭湖的泄洪道，后随着洞庭湖的淤积和围垦而逐渐冲刷发展成为一条季节性航道，著名险滩“响水坎”(图1)就处在该水道中[1-3]。草尾河经过多次治理[4-6]，该航段基本满足Ⅲ级航道标准，可通航1 000 t级船舶。为适应沿江经济发展和船舶大型化需要，《湖南省“十四五”水运基础设施建设规划》草尾河航道等级由Ⅲ级提升至Ⅱ级，航道水深将由2.0 m提高到3.0 m。

图1 草尾河响水坎位置示意图Fig.1 Location of Xiangshuikan of Caowei River

河道水流特性是研究河床演变规律、分析碍航特性的基础[7-10]，在航道整治工程方案研究中，对河段现状水流特性与方案实施后水流特性对比分析，是判断整治方案效果的重要方法[11]。为了解草尾河响水坎河段水流及航道碍航特性，弥补原型实测资料的不足，采用正态定床水流模型试验，对现状条件下各特征流量的水面比降、水流动力轴线的位置、流场及航道流速沿程分布等进行了深入研究。成果为研究河段航道整治思路的确立提供依据。

1 基本概况

草尾河原是一条季节性航道，每年仅5～10月高水期通航，中、枯水期因浅滩水深不足以及响水坎滩出现跌水而断航。1971年—1986年对该河段进行基建整治，按IV级航道标准建设，通航保证率95%，设计水深1.6～1.8 m，航宽50～80 m，弯曲半径大于500 m，共整治浅滩16处，施工河段长度达航线全长的一半。

2002年—2006年实施了III级航道整治工程，通过采用变坡加局部拓宽的方案，将集中比降分配至响水坎上游各段，流速、比降得到了调整，结束了工程前船舶枯水期需助航上滩的历史，取得了很好的整治效果。2006年10月整治完成后，河段当时实测比降分配较为均匀，最大比降为0.65‰，河段平均比降为0.26‰ 。

草尾河开湖航线历经多年整治，成为沟通西、南洞庭湖与东洞庭湖的捷径航道。近年来受湖区水沙情势变化和河道采砂等高强度人类活动的综合影响，“响水坎”河段航道整治竣工地形受到严重破坏，响水坎河段(主要指阿弥石及灵官咀两滩段)附近通航条件又急剧恶化，枯水期船舶通航困难，为“战枯保畅”，确保安全，湖南省水运管理局于2018年12月12日成立“漉湖响水坎公益助航点”，采用大功率顶推轮2艘、拖轮1艘实行公益助航，协助过往船舶通行。

2 模型概况及试验水文条件

2.1 模型概况

响水坎河段定床物理模型范围上起茶盘洲镇，下至漉湖镇，航道里程约K16.5～K28.5，模拟原型河道长约12 km(图2)，包括阿弥石、灵官咀和漉湖共三个滩段；模拟宽度至高程29 m附近，原型河道宽度500～1 000 m。

模型制作依据2019 年5 月实测1:2 000河道地形图，模型平面及垂直比尺80、流速比尺8.944，流量比尺512 000，糙率比尺2.076。模型开展了验证试验，分别对实测Q=515 m3/s、724 m3/s、1 300 m3/s三级流量的水面线、断面流速分布等进行对比验证。验证结果表明，模型与原型达到了阻力相似和水流运动相似，满足《水运工程模拟试验技术规范》的要求。

表1 试验典型流量级Tab.1 Typical flow level of test

2.2 试验水文条件

研究河段上游设有草尾水文站(航道里程K70)，物理模型出口附近(航道里程K17)布设了1把常年固定水尺，观测有2019年2月～11月逐日水位资料，研究河段内无大的支流入汇。

因高水期草尾河水面平缓，船舶航行情况较好，故物理模型重点针对中枯水期航道条件进行研究。根据草尾站1990年—2020年多年实测流量统计，平均流量为1 038 m3/s。根据河道来流情况，确定了4种试验工况(表1)。

图2 水流特性试验水尺布置Fig.2 Layout of water gauge for flow characteristic test

3 各级流量下水面比降

研究河段沿程共布设了22把水尺，每个滩段滩头、滩中及滩尾分别布置1把水尺，阿弥石、灵官咀滩段进行了加密布置(图2)。

图3 沿程水面线变化Fig.3 Variation of water surface line along the route

各级流量下沿程水面线变化(图3)可以看出，试验河段沿程水面线随流量的增加而升高，试验河段水位落差随流量增加而明显减小，最小落差发生在流量1 500 m3/s时，为0.39 m；最大落差发生在设计流量460 m3/s时，为3.78 m，其中阿弥石-灵官咀前段(L1～L14)长约4.8 km，水位降落3.59 m，约占该流量级下试验河段水位总降幅3.78 m的95%。

试验河段水面比降(图4)具有如下特征：阿弥石-灵官咀前段滩段在枯水期水面比降较大，其中阿弥石滩段L3～L4、灵官咀滩段L13～L14河段水流归槽，且其下游附近均紧接深槽放宽段，两处比降较大出现跌水现象，灵官咀前段平均比降最大达1.58‰，随流量增加逐渐减小，Q=1 500 m3/s时，降至0.25‰；灵官咀后段-漉湖滩段为深槽区，各级流量下滩段水面比降平缓，在0.20‰以内。

4 设计流量下航道水深

图5中为设计最小通航流量(460 m3/s)下航道内底(浅点)高程与设计3.0 m航深线沿程分布对比。可以看出，阿弥石、灵官咀滩段航深较浅，最小水深仅为1.35 m、1.06 m，且滩段浅区相连；漉湖滩处于深槽河段，河道内水深较大，局部区域航深不足，最小水深2.03 m。可以看出，航线布置时虽已充分考虑利用深槽，但设计流量下，仍有大部分滩段不能满足设计3.0 m的航深要求。

图4 不同流量下比降沿程变化Fig.4 Variation of gradient along the path under different flow rates图5 航道底高程与设计3.0 m航深线沿程分布对比Fig.5 Comparison of channel bottom elevation and design 3.0 m navigation depth line along the route

5 各级流量下流速场

5.1 流场变化

各级流量下，大流速区出现在阿弥石、灵官咀的束窄段。

(1)Q=460 m3/s、700 m3/s时水流归槽，阿弥石滩段枯水河槽为S型弯道(图6)，弯曲段主槽由右侧过渡至左侧，且中间存在两处深潭，河床形态复杂；受弯道河势及滩中部两处深潭影响，枯水流量下连续弯道段存在弯道水流坐弯现象，水流流态差。灵官咀陡坎以上水面宽度狭窄，水流基本集中于主槽内，水流流速相对较大，陡坎附近水流由上游窄浅急流突扩进入下游宽深缓流区，在陡坎下游附近主流左侧形成一强度较大的椭圆形回流区(图7)，受回流区顶推作用，主流带弯曲且向右偏转，而后顺下游深槽河势而下；灵官咀陡坎与漉湖束窄段之间河面放宽，水深增大，水流流速变缓；漉湖束窄段深槽狭窄，水流流速有所增大。

(2)Q=1 000 m3/s、1 500 m3/s时，阿弥石、灵官咀段河面随流量增大展宽，边滩开始过流，同时水流流速相应减小；灵官咀陡坎及漉湖束窄段水面增大，流速变缓。

图6 阿弥石滩段水流流态(Q=460 m3/s)Fig.6 Flow pattern of Amishitan section (Q=460 m3/s)图7 灵官咀陡坎附近水流流态(Q=460 m3/s)Fig.7 Flow pattern near Lingguanzui scarp (Q=460 m3/s)5.2 航道内流速

图8 现状条件下航道内沿程流速变化Fig.8 Variation of flow velocity along the channel under current conditions

典型流量下各滩段航道内沿程流速变化(图8)特征：阿弥石滩段，受枯水期水流归槽、槽底高程沿程变化幅度大、水面比降大等因素影响，航道内沿程流速变化幅度较大，Q=460 m3/s、700 m3/s流量下，航道内流速分别介于0.43～3.27 m/s、0.57～3.54 m/s；随流量增加，滩地逐渐漫水过流，航道内最大流速有所减小，Q=1 500 m3/s时，最大流速为1.64 m/s。

灵官咀滩前段枯水期水流归槽，滩段水面比降大，航道内流速较大，Q=460 m3/s、700 m3/s流量下，流速分别介于0.31～3.46 m/s、0.58～3.50 m/s；中水期滩地漫水分流，航道内流速有所减小，Q=1 500 m3/s时，流速介于0.83～1.52 m/s。

漉湖滩段，Q=460 m3/s、700 m3/s、1 500 m3/s三级流量下，航道内流速分别介于0.29～1.74 m/s、0.35～1.80 m/s、0.36～1.23 m/s，最大流速出现在漉湖中段束窄河段(航道里程K18)，洪水期滩地漫水分流，航道内最大流速较枯水期有所减小。

5.3 水动力轴线

Q=460 m3/s、1 500 m3/s两级枯、洪水流量下的水流动力轴线位置变化可知，Q=460 m3/s、1 500 m3/s两级枯、洪水流量下，研究河段水流动力轴线与深槽位置及航道走向基本一致，大部分河段的水流动力轴线相差不大，以下河段水动力轴线略有移动：(1)阿弥石滩中段S型弯道段(图9)，随中水期下弯段右侧滩段漫水过流，水流动力轴线趋直，至弯道出口水动力轴线调整至航槽范围内，弯道以下水动力轴线较枯水期最大右移约200 m；(2)漉湖滩束窄段下游(图10)，随中水期侧滩地漫水过流，上游附近河段水动力轴线较枯水期右移约80 m。

6 碍航特性分析

草尾河响水坎河段航道应为Ⅲ级，航道尺度为2.0 m×90 m×500 m，通航1 000 t级船舶。目前，由于近年来河道采砂和三峡水库运行对水位的影响日趋明显，研究河段下游所处的洞庭湖区周围代表性各站的枯水同流量下水位大幅下降，同时受工程河段冲淤变化影响，研究河段多处河段航道水深较小，部分河段不能满足2.0 m的最小航深要求。在航道等级由Ⅲ级提升至Ⅱ级后，设计航道水深需提高到3.0 m，响水坎河段的阿弥石、灵官咀滩段大部分航段不能满足3.0 m设计航深要求。此外，由于响水坎河段河道过度采砂，导致该河段河床下切严重，下游段成湖区，在灵官咀、阿弥石滩段形成陡坎，即相同长度的工程河段范围，水位总落差略有增加的情况下，下游段比降趋于平缓，水面比降向上游段集中，水流特性试验结果表明两滩段均存在急流碍航，且枯水期航深不足，即研究河段主要表现为枯水期流急、水浅的碍航特性。

图9 阿弥石弯道水动力轴线变化Fig.9 Variation of hydrodynamic axis of Amish bend图10 漉湖段水动力轴线变化Fig.10 Variation of hydrodynamic axis in Luhu section

根据本河段的航道现状、河道特性、水流特点和航运需求，确定本工程的整治原则为：(1)统筹兼顾原则，以航运为主，统筹兼顾水利泄洪排涝、生态环保等要求，河道综合治理，实现总体利益最大化；(2)疏浚为主原则，充分考虑工程河段湖区水流特性，兼顾河段防洪重要性，以防洪安全为原则，尽量布置挖槽进行疏浚，尽量不增加整治建筑物；(3)因势利导原则，根据河床演变的规律，顺应河势确定整治线在河道中的位置，尽可能与现有中枯水航槽走向相一致。

7 整治方案效果

针对研究河段的碍航特性，提出整治思路为：将河段整体考虑为滩群，按“上挖下填”整治思路，兼顾河道生态性综合治理，尽量恢复河床，调整工程河段河床坡降。即采取上游疏挖+下游修复性填槽工程措施，以调整河段比降，降低流速，增加航道水深，同时有必要对河段进行恢复和防护，控制响水坎下游河道深槽上延，防止响水坎跌坎的再次形成和上溯，减少响水坎邻近河道冲刷，以维持河岸和航道长期稳定。

整治方案对灵官咀陡坎至漉湖河段的深槽进行修复回填，回填顶高程按设计水位下4 m控制；对航槽水深较浅区域进行疏挖，考虑到近期洞庭湖水位下降态势，研究河段灵官咀陡坎以上航槽水深按3.3 m考虑。灵官咀陡坎以下至漉湖滩段航槽平均回填厚度分别为2.80 m，灵官咀陡坎以上航槽平均疏挖深度为1.31 m。

整治方案实施后，灵官咀陡坎以下至漉湖滩段水位上升，灵官咀陡坎上游疏挖区水位下降，减小了阿弥石至漉湖河段的比降。设计最小通航流量460 m3/s时，沿程水位最大升高0.29 m，出现在陡坎附近；沿程水位最大下降1.98 m，出现在阿弥石滩头附近。在试验工况条件下，研究河段局部比降最大值出现在流量460 m3/s，最大比降由工程前的1.58‰减小到0.61‰；航道内最大流速出现在流量700 m3/s，由工程前的3.54 m/s减小到2.35 m/s。整治方案实施后，灵官咀河段左岸回流基本消失，水流较为平顺；此外，通过对阿弥石弯道左、右侧进行拓宽，并对阿弥石河段深槽进行修复性回填后，水流比较平顺，水流条件明显改善。总的来看，采取上游疏挖+下游修复性填槽工程措施，可以有效治理研究河段枯水期流急、水浅的碍航问题。