基于数学模型的大河家桥滩段疏浚工程深幅方案优选研究

陈婷婷 吴林 于丽伟 四川省交通勘察设计研究院有限公司

2021年11月30日，黄河大河家至炳灵电站航运建设工程正式开工建设，标志着甘肃省“十四五”水运项目正式拉开建设序幕。黄河大河家至炳灵电站航运建设工程，起点为积石山县大河家桥，终点至炳灵电站大坝，航道总长29公里，按5级航道标准建设。工程主要包括对大河家桥浅滩、苏家窑子滩、喇家滩、韩陕家湾滩、崖底滩等5个滩段以及部分区段航道宽度内水深不足的浅滩进行航道疏浚整治，建设炳灵寺码头、大河家码头、祁河家码头、三二家码头等4座码头及相关附属设施。由于行洪等各方面原因，选择疏浚深幅方案是决定工程造价的重要因素，本次研究相比于之前同类工程对炸礁深幅方案优选研究重点在于设计水深的影响。

该工程是2021年甘肃省开工建设的第一个水运项目，也是交通运输部投资建设的内河水运重点项目。项目的开工建设，对改善黄河沿岸群众安全便捷出行、巩固拓展脱贫攻坚成果同乡村振兴有效衔接、协同推进黄河治理、助推水运项目建设开好局起好步、确保完成“十四五”规划目标任务等均具有十分重要的意义。

1.航道概况

黄河积石山县航运工程河段自大河家桥至炳灵水电站大坝，长约29km，河床主要为砂卵石，工程河段地势西高东低，大河家桥～三二家河段河床深泓沿程平均坡降约为1.65‰，单一河道，分汊较少，但河道形态弯曲多变，边界条件较复杂，其间存在急弯、宽浅河段及顺直河段，宽浅河段有众多高低不等的洲滩。

河道横断面形态一般呈宽阔不对称的“U”型，少数河段因江心洲的出现呈现“W”型。大河家码头至祁河家码头的距离为8.5km，河宽一般为88～300m；祁河家码头至三二家码头的距离为5.5k m，河宽一般为95～600m；三二家码头至炳灵水电站的距离为14.2km，河宽一般为67～760m。工程河段河势见图1。研究河段自大河家桥开始，沿程相关水利枢纽设施包括积石峡水电站、大河家水电站、炳灵水电站和刘家峡水电站。

图1 工程河段河势图

2.滩险概况

大河家桥浅滩位于大河家桥（项目起点）下游，滩长约300m，枯水期河宽在100～120 m，水面比降为2.40‰。属卵石质浅滩，般粒径30～180 mm，约占总重55%左右，粒径大于200 mm 的漂石含量约10～15%，最大粒径可见400～650mm。该滩航道局部水深不足，最小水深在0.7m以下。

苏家窑子滩位于大河家桥（项目起点）以下1.3～2.6k m，滩长约1.3 k m，属于分汊型河段。河道内有一处较大的江心洲，洲长约500 m，最宽处约163 m，顶高程1767.4～1770.86m。枯水期将水流一分为二，水位升至1770.86m时恢复单一河道。左汊为支汊，设计水位下宽43m，汊道入口处水深较小，平均水深不足1m；右汊为主汊，宽约81 m，2 m等深线基本可以贯通右汊，最深处水深为4.51m，水深条件较好。在江心洲洲尾，两汊交汇处由于水流交汇，流速降低后消能较大，泥沙在此处落淤。右汊河段流速1.67m/s～3.38m/s。该滩为枯水急流滩，右汊为主通航汊道，该汊槽窄、流急。河床底质属卵石质浅滩，般粒径30～180mm，约占总重55%左右，粒径大于200 mm的漂石含量约10～15%，最大粒径可见400～650mm。颗粒间由粗砂、中砂。

图2 大河家桥浅滩、苏家窑子滩疏浚方案布置图

表1 大河家桥浅滩方案沿程水深（航道中心线）

3.滩险成因及碍航因素

大河家桥浅滩为微弯顺直河段，设计水位下滩段进口水面宽度约100m，但在滩段中部河面扩宽至160m左右，因此，水流在这里因河面变宽，流速降低，水流携沙能力下降而导致泥沙落淤，进而表现为河床局部河段出浅，最小水深在0.7m以下。

苏家窑子滩为分汊型险滩，右汊为主流，虽然滩段内大部分航槽尺度能满足V级航道要求，但是由于枯水期河面窄，流速大，并伴有不良流态，船舶上滩困难，通航水流条件不满足航行要求，且右汊出口河中有一碍航小心洲，本滩目前主要为急险滩。

4.方案布置

该滩共布置有2处疏浚工程。1号疏浚工程（切边滩工程）疏浚长度为420m，通过疏浚工程增加右汊主航道的枯期流量，使水流归槽，同时通过疏浚工程，增加右汊航道的航槽宽度及航道水深，改善分汊口位置的水流流态、流速，使其满足船舶航行要求。2号疏浚工程疏浚长度为180m。

5.炸礁深幅优选

甘肃大河家至炳灵电站航运建设工程初步设计按国家内河Ⅴ级、设计最低通航水位多年历时保证率95%、航道尺度为1.3×40×270m（水深×航宽×弯曲半径）的标准开展设计，确定工程河段航道最小水深为1.3m，由于工程河段河床质覆盖层为卵石土，且考虑到泥沙状况较为复杂，根据疏浚实施后的二维数值模拟验证成果，为保证工程河段各滩能够有足够的水深，水流条件改善，保证船舶安全航行，每个滩险河段疏浚水深各不相同。

大河家桥浅滩属于宽浅型浅滩，水浅，航宽不足而碍航。该滩共布置有1处疏浚工程。根据数模计算结果，在只布置疏浚工程的情况，按照设计水深1.3m标准疏浚后，由于水面跌落，部分河段会出现水深不足的情况，因此根据数模计算结果，大河家桥浅滩1号疏浚深度为1.5m。

表2 苏家窑子滩方案沿程水深（航道中心线）

图3 大河家桥浅滩、苏家窑子滩方案前后沿程水深图（航道中心线）

图4 大河家桥浅滩、苏家窑子滩方案前后沿程水深图（左航线）

图5 大河家桥浅滩、苏家窑子滩方案前后沿程水深图（右航线）

图6 大河家桥浅滩、苏家窑子滩方案前及1.3m方案、1.5m方案后水深图

6.结论

运用二维数学模型，开展了大河家桥滩段航道疏浚工程的炸礁深幅方案优选研究。分析揭示，1.3m疏浚深度工况下，疏浚工程对航道流力改变不大。1.5m疏浚深度实施后，区域适航宽度均存在显著提升，治理前所存在不良流相显著改善，航行流水条件较佳。而从航道规格、航域连续性、航道维护、航标配置、工程量以及工程弃渣处理等等方面综合考虑，1.5m疏浚方案的优势更明显。故建议选择1.5m疏浚方案开展整治。