金 輝，陳健強(qiáng)，馮小香，普曉剛

(1.交通運(yùn)輸部 a.天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所;b.工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456；2.湖南省航務(wù)管理局，長(zhǎng)沙 410200)

湘江營(yíng)田灘河段2 000 t級(jí)航道整治工程效果數(shù)值模擬

金 輝1a,1b，陳健強(qiáng)2，馮小香1a,1b，普曉剛1a,1b

(1.交通運(yùn)輸部 a.天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所;b.工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456；2.湖南省航務(wù)管理局，長(zhǎng)沙 410200)

營(yíng)田灘位于湘江濠河口至城陵磯河段，為洞庭湖區(qū)洪道，具有典型的河湖兩相性，淺灘演變規(guī)律復(fù)雜。近年來本灘段的采砂活動(dòng)日益增多，對(duì)河床的邊界破壞很大，通航水流條件受到影響。在湘江2 000 t級(jí)航道建設(shè)一期工程中，需采取相應(yīng)的整治措施，以提升航道等級(jí)，滿足規(guī)劃要求。針對(duì)營(yíng)田灘河段的具體礙航特性，提出了相應(yīng)的整治措施，采用平面二維水流數(shù)學(xué)模型，對(duì)整治效果進(jìn)行了分析論證。結(jié)果表明：設(shè)計(jì)方案滿足航道整治規(guī)劃要求，右汊方案中洪水期航道水流條件不受上、下挖口入?yún)R水流的影響，又有利于地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展，建議右汊方案作為整治工程的推薦方案。

營(yíng)田灘；航道整治；河湖兩相；采砂；二維數(shù)學(xué)模型

湘江又稱湘水，發(fā)源于廣西臨桂縣海洋坪的龍門界，流經(jīng)廣西興安、全州，于湖南省東安縣下江圩進(jìn)入湖南。沿途經(jīng)永州、冷水灘、衡陽、株洲、湘潭、長(zhǎng)沙至湘陰的濠河口注入洞庭湖，與資、沅、澧水及長(zhǎng)江三口來流相匯，沿洞庭湖湘江洪道經(jīng)岳陽至城陵磯入長(zhǎng)江。營(yíng)田灘位于濠河口至城陵磯河段，是一個(gè)河湖交匯處的汊道淺灘。在湘江千噸級(jí)航道整治工程中，將右汊開辟為主航道。但原整治工程洲頭順壩未沿洲脊線布置，且受目前河道挖沙影響，順壩上的丁壩破損嚴(yán)重，局部河床下切嚴(yán)重，河中也出現(xiàn)了零亂的卵石堆，通航水流條件受到影響。在湘江2 000 t級(jí)航道建設(shè)一期工程中，需采取相應(yīng)的整治措施，以提升航道等級(jí)，滿足規(guī)劃要求。本研究根據(jù)實(shí)測(cè)資料分析了營(yíng)田灘的河床演變規(guī)律和礙航特征，采用平面二維水流數(shù)學(xué)模型對(duì)航道整治方案進(jìn)行了模擬研究[1-3]。

圖1 營(yíng)田灘地理位置及灘洲分布示意圖Fig.1 Geographical location and marshland distribution of Yingtiantan

1 河段特征分析

1.1 河段水文特性

營(yíng)田灘位于濠河口至城陵磯河段，該河段為洞庭湖區(qū)洪道，具有洪水成湖、枯水成河的特性(見圖1)。湘江在此河段徑流從1—6月份逐月遞增，期間來水量占全年來水量的61.2%。6—12月份來水遞減。自然條件下本河段洪枯水位變化較大，變幅達(dá)11.6～19.3 m； 7—9月份受洞庭湖洪水頂托，水位有所抬高。洞庭湖水位越高，頂托的影響就越大，這種影響在湘江下游流量較小時(shí)，非常明顯，隨著湘江下游流量的加大，洞庭湖頂托影響逐漸減弱。

1.2 淺灘特性分析

湘江洪道東、西2支流在蘆林潭匯合后，下行4 km至虞公廟再度分汊，右汊經(jīng)營(yíng)田鎮(zhèn)至推山咀與左汊匯合，左汊中部有上挖口、尾部有下挖口與荷葉湖相通，洪水期南洞庭湖有部分水流由上、下挖口匯入湘江洪道。左汊較順直，枯水時(shí)左汊河面寬約300～450 m，上挖口以上較窄，以下較寬；右汊向右彎曲，其枯水水面寬300～430 m，進(jìn)口和中間較寬，出口段較窄。江心新洲長(zhǎng)約3 000 m，最寬處寬約600 m，洲頂高程在28～28.5 m(1985國(guó)家高程基準(zhǔn))(見圖1)。營(yíng)田灘河段具有典型的河湖兩相性，水位受洞庭湖頂托，同時(shí)又有南洞庭湖水匯入，加上本灘枯水期為分汊河段，淺灘的演變規(guī)律復(fù)雜。

1.2.1 水面縱比降的變化

枯水期，本河段水位不受頂托或受到洞庭湖輕微頂托，水面比降大，一般都大于0.024‰；湘江汛期，水位受到一般頂托，水面比降由大變小；長(zhǎng)江汛期，洞庭湖區(qū)水位普遍抬高，從7—10月份本河段水位受到嚴(yán)重頂托，水面比降??；11—12月份，長(zhǎng)江及洞庭湖區(qū)水位下降，頂托減弱，灘段水面比降由小變大。水面比降洪水期小枯水期大，營(yíng)田灘呈現(xiàn)明顯的洪淤枯沖規(guī)律。

1.2.2 汊道分流比

據(jù)歷年實(shí)測(cè)資料，汊道的分流比與上挖口出水量的大小有著非常密切的關(guān)系。枯水期，湖區(qū)頂托作用很小，上挖口出水量較小時(shí)，左汊流量略大于右汊，但右汊的分流比仍占44.5%～49.7%。當(dāng)水位繼續(xù)升高時(shí)，上挖口來水增加，頂托作用逐漸加大，左汊流量逐漸減少，右汊分流比占到60%以上。

近年來，采砂船舶在營(yíng)田灘河段大量開挖，造成河床凹凸不平，深者達(dá)10 m左右，淺者露出枯水面1 m，引起汊道河床劇烈變化，改變了本灘左右2汊中、枯水分流比。1983年前，營(yíng)田灘右汊進(jìn)口河床高出左汊進(jìn)口1 m以上；1994年右汊進(jìn)口比左汊低2.0 m以上，而且右汊上段河床普遍低于左汊；2008年左汊進(jìn)口至上挖口段河床比右汊低3 m左右。1983年2汊分流比基本相當(dāng)，而1994年右汊分流比占到61%，2008年以來右汊分流比又逐漸減少。

1.2.3 深泓線變化

根據(jù)1987，2008，2010年測(cè)圖資料分析(圖2)，平面形態(tài)上，1988年分汊河段上游深槽位于河道中間。左汊上挖口以上河段深泓線位于河道中間且較為順直，上挖口以下河段深泓線彎曲呈“S”型。右汊深泓線順應(yīng)河勢(shì)，呈微彎弧形，基本位于右汊河道中間。除左汊上挖口附近河段深泓線縱斷面起伏變化較大，其余左、右汊河段河床比降平緩，深槽高程大都在16～17 m之間。

圖2 營(yíng)田灘深泓線平面變化及高程變化Fig.2 Variations of plane and elevation of the thalweg of Yingtiantan

1987—2008年，由于人為采砂影響，分汊河道上游深槽向河道右側(cè)偏移。左汊受人為因素影響較小，深泓線走向基本沒變化，上挖口以上河段深泓線略向右側(cè)偏移，上挖口附近深槽向左岸移動(dòng)，最大偏移量在160 m左右。右汊深泓線受人為采砂及整治工程影響有較大的擺動(dòng)，進(jìn)口段深泓線向右移動(dòng)約240 m，中部河段深泓線向左移動(dòng)，最大偏移量約為160 m。右汊河床深槽普遍下切，局部下切深度可達(dá)13 m。

2008—2010年，2 a間該河段無序采砂的現(xiàn)象非常嚴(yán)重，年河道深泓線左右搖擺不定，平面狀態(tài)呈鋸齒狀，左右2汊深泓線均向江心洲迫近，右側(cè)明顯大于左汊，最大偏移量約為210 m。河床形態(tài)發(fā)生急劇變化，河床嚴(yán)重下切，局部下切深度達(dá)到12.4 m。由于無序采砂現(xiàn)象非常嚴(yán)重，河床表面坑坑洼洼的，極不平整，河床斷面形態(tài)呈鋸齒狀。

1.2.4 淺灘沖淤變化

根據(jù)1987，2008，2010年測(cè)圖分析(圖3)，營(yíng)田灘洪水岸線基本穩(wěn)定，江心洲以淤積為主，主河槽變形很大，受人為采砂影響以下降為主。尤其是營(yíng)田灘洲頭斷面最為典型。1987—2008年該斷面地形比較平緩，變化幅度較小，左汊沖淤均有，右汊以沖刷為主，平均變化幅度在1.0 m左右；2010年測(cè)圖斷面河床地形參差不齊，局部地形跟2008年地形比較下切幅度很大，左汊上挖口附近變化最大，河床整體下切，形成一個(gè)400 m寬、800 m長(zhǎng)的深潭，河床極不平整，高程從1.3 m到18.2 m，變化幅度達(dá)17 m，主要是由采砂導(dǎo)致。

圖3 營(yíng)田灘典型斷面變化Fig.3 Variations of typical sections of Yingtiantan

1.2.5 整治沿革及目前礙航特征

從本灘的整治過程看，人工采砂對(duì)本灘的治理方向及整治措施的確定有著至關(guān)重要的影響。歷史上左汊為主航道，有營(yíng)田、上挖口及白鶴灘3個(gè)淺灘。在1989年按千噸級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整治時(shí)，選擇了左汊作為通航汊道，取得了一定的整治效果。但20世紀(jì)90年代后，在本灘段的采砂活動(dòng)日益增多，無休止的在汊道內(nèi)采挖，對(duì)河床的邊界破壞很大，已大大超過了自然演變所能達(dá)到的程度，并嚴(yán)重影響了左汊航槽的穩(wěn)定，致使對(duì)該灘的整治方案重新作了調(diào)整，通航汊道由左汊改右汊，既避開了上、下挖口的不良影響，又有利營(yíng)田鎮(zhèn)建設(shè)和地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

從目前情況看，整治基本上是成功的，只是洲頭順壩未沿洲脊線布置，偏于洲脊左側(cè)，布置得不盡合理。河道采砂使得順壩上的丁壩破損嚴(yán)重，右汊分流比又呈逐漸減少的態(tài)勢(shì)，不利于航槽的穩(wěn)定?？菟?，因局部河段出現(xiàn)較大采沙坑，局部水面比降較大，通航水流條件受到影響。在湘江2 000 t級(jí)航道建設(shè)一期工程中，需采取相應(yīng)的整治措施，以提升航道等級(jí)，滿足規(guī)劃要求。

2 平面二維水流數(shù)學(xué)模型

2.1 基本控制方程

研究采用的模型為正交曲線二維水流動(dòng)力運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，此模型在內(nèi)河工程建設(shè)水流動(dòng)力條件研究中已得到了廣泛應(yīng)用[4-8]。模型水平坐標(biāo)為(ξ，η)網(wǎng)格。

水流運(yùn)動(dòng)方程為

(1)

水流平面動(dòng)量方程為

(2)

(3)

式中：u和v分別是ξ和η方向水深平均流速分量(m/s)；f是柯氏力；Fξ和Fη分別是ξ和η方向的應(yīng)力梯度；Pξ和Pη分別是ξ和η方向的壓力梯度；Mξ和Mη分別是源(匯)在ξ和η方向的動(dòng)量分量；Uv是垂向黏性系數(shù)；Q是源(匯)項(xiàng)；Cξ和Cη分別是坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系數(shù)。

2.2 邊界條件的處理

模型初始條件采用賦值水位方法，賦初值水位為計(jì)算起始水位平均值，對(duì)應(yīng)初始速度場(chǎng)為u=v=0。模型上邊界、上挖口及下挖口按流量控制，下邊界按水位控制。

3 模型驗(yàn)證計(jì)算

3.1 計(jì)算區(qū)域及正交曲線網(wǎng)格

模型計(jì)算范圍全長(zhǎng)約7.7 km(圖4)，共布置481×361個(gè)網(wǎng)格，為正交網(wǎng)格。網(wǎng)格縱向長(zhǎng)度10～23 m，平均16 m，橫向長(zhǎng)度2～10 m，平均5 m。

圖4 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格示意圖Fig.4 Grids of computation domain

3.2 模型驗(yàn)證結(jié)果

根據(jù)研究河段2008年3月測(cè)圖及同期實(shí)測(cè)水位、斷面流速分布資料和2010年11月測(cè)圖及同期實(shí)測(cè)水位、斷面流速分布2組水文資料，對(duì)水流模型進(jìn)行了驗(yàn)證，模型上挖口、下挖口流量均按實(shí)測(cè)流量給出。驗(yàn)證結(jié)果如下：①水文資料水位的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合較好(見表1、圖5)；②斷面流速分布基本一致，沿程各斷面流速計(jì)算值與實(shí)測(cè)值誤差在5%以內(nèi)(見圖6)，模型計(jì)算精度可以滿足規(guī)范要求；③2008年3月實(shí)測(cè)營(yíng)田灘左汊、右汊分流比分別為47%，53%，模型計(jì)算值為49.8%，50.2%；2012年11月實(shí)測(cè)左汊、右汊分流比分別為58%，42%，模型計(jì)算值為59.9%，40.1%。模型計(jì)算2汊分流比情況結(jié)果合理。

表1 水位驗(yàn)證成果Table 1 Result of water level validation m

圖5 水位驗(yàn)證結(jié)果比較(2008年流量1 574 m3/s)Fig.5 Comparison of water level validation results (discharge 1 574 m3/s in 2008)

圖6 測(cè)流斷面垂線平均流速分布驗(yàn)證(2008年流量1 574 m3/s)Fig.6 Verification of the average vertical velocity distribution of measured sections (discharge 1 574 m3/s in 2008)

驗(yàn)證結(jié)果表明，計(jì)算的水面線、典型斷面流速分布以及左右汊分流比都與實(shí)測(cè)資料符合良好，表明所采用的數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法能夠準(zhǔn)確反映河段的水流運(yùn)動(dòng)特性，可進(jìn)行工程方案的試驗(yàn)研究。

4 航道整治方案論證

4.1 整治原則

根據(jù)河床演變分析，確定該河段整治原則為：

(1) 因地制宜，疏浚與筑壩相結(jié)合，固灘束流，歸順枯水流路，改善航道條件。營(yíng)田灘河段為洞庭湖區(qū)洪道，具有洪水成湖，枯水成河的特性。河流坡降小，水量充沛，采用對(duì)淺段進(jìn)行疏浚并根據(jù)需要輔以必要的整治建筑物，利用湘江水量充沛的優(yōu)勢(shì)，充分發(fā)揮整治建筑物的作用，達(dá)到?jīng)_刷和穩(wěn)定航槽的目的。

(2) 以中枯水整治為主，利于行洪。本段航道整治工程的內(nèi)容主要包括筑壩、疏浚，整治建筑物盡可能不要做得太高，只起控制枯水河槽的作用，以免壅高洪水位。

4.2 整治標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)參數(shù)

按Ⅱ級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)，航道設(shè)計(jì)尺度為水深3.0 m、航寬90 m、彎曲半徑不小于550 m，通航保證率為98%。航道設(shè)計(jì)流量為800 m3/s，整治流量為1 200 m3/s。

4.3 航道整治方案

營(yíng)田灘河段整治方案分為單獨(dú)整治右汊和單獨(dú)整治左汊2種方案。右汊方案：以右汊為通航汊道，整治線寬度340 m，尾部收窄至320 m，整治超高為1.8 m。沿洲脊線布置1座順壩，順壩上筑3座丁壩，構(gòu)成梳齒壩，維修洲尾順壩，拆除洲頭老順壩，并對(duì)淺段進(jìn)行疏浚(見圖7(a))。左汊方案：選擇左汊為通航汊道，右汊進(jìn)口右岸作3座丁壩，維修白鶴灘的老壩及洲尾順壩，并對(duì)淺段進(jìn)行疏浚(見圖7(b))。

圖7 右汊、左汊方案工程布置Fig.7 Layout of projects on the left branch and right branch

4.4 整治效果計(jì)算與分析

方案論證計(jì)算數(shù)學(xué)模型上挖口、下挖口按無流量匯入或匯出處理。表2給出了設(shè)計(jì)流量和整治流量下工程前后航槽最小水深、最大比降、航槽平均流速以及整治汊分流比變化情況。

(1) 設(shè)計(jì)流量800 m3/s下，整治工程前，左、右汊部分航槽水深小于3.0 m；整治工程實(shí)施后，航槽水深均能滿足3.0 m要求。整治流量1 200 m3/s下，整治工程左、右汊有局部航槽水深小于3.0 m；整治工程實(shí)施后航槽水深均能滿足3.0 m要求。

(2) 設(shè)計(jì)流量800 m3/s和整治流量1 200 m3/s下工程前后航槽內(nèi)平均比降及最大比降較工程前均有所減小。

(3) 設(shè)計(jì)流量800 m3/s和整治流量1 200 m3/s下，整治工程實(shí)施后，除局部挖槽河段平均流速稍有減小外，河段航槽平均流速整體呈增加趨勢(shì)，整治工程實(shí)施后有利于航槽穩(wěn)定。

(4) 工程實(shí)施后，整治汊分流比均有所增加，其中設(shè)計(jì)流量下右汊方案整治汊分流比增加24.10%，左汊方案整治汊分流比增加7.48%；整治流量下右汊方案整治汊分流比增加5.94%，左汊方案整治汊分流比增加4.89%。

表2 設(shè)計(jì)流量、整治流量下工程前后進(jìn)口水位、比降、航槽平均流速及分流比變化Table 2 Variations of water level, surface slope andaverage flow velocity and split ratio respectively inthe presence of design discharge and regulationdischarge before and after the regulation works

綜上所述，在設(shè)計(jì)流量和整治流量下，2方案工程實(shí)施后航槽內(nèi)水深均滿足設(shè)計(jì)要求；航槽平均流速均有所增加，有利于航道穩(wěn)定；整治汊分流比均有所增加，其中右汊方案枯水期分流比增加幅度大于左汊方案，更有利于航道穩(wěn)定。右汊方案中洪水期航道水流條件不受上、下挖口入?yún)R水流的影響。經(jīng)綜合對(duì)比分析，建議右汊方案作為整治工程的推薦方案。

5 結(jié) 語

(1) 營(yíng)田灘具有典型的河湖兩相性，水位受洞庭湖頂托，同時(shí)又有南洞庭湖水匯入，加上本灘枯水期為分汊河段，淺灘的演變規(guī)律復(fù)雜，具有明顯的洪淤枯沖的規(guī)律。近年來河床主要受人為采砂影響以下切為主，采砂船亂采亂挖導(dǎo)致河床破壞很大，是引起本灘河床劇烈變化的重要原因。加強(qiáng)采砂管理，維持營(yíng)田灘左右汊分流比的穩(wěn)定是解決營(yíng)田灘礙航的關(guān)鍵。

(2) 根據(jù)計(jì)算河段的河床形態(tài)特點(diǎn)，建立了適用于河道特征的曲線坐標(biāo)系下的平面二維水流數(shù)學(xué)模型。用營(yíng)田灘河段實(shí)測(cè)水文資料對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，本文所采用的數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法能夠準(zhǔn)確反映本河段水流運(yùn)動(dòng)特性。

(3) 根據(jù)河段的河床演變特點(diǎn)及礙航特點(diǎn)，采取疏浚與筑壩相結(jié)合的整治原則，提出了右汊方案和左汊方案兩組整治方案，并對(duì)整治效果進(jìn)行了計(jì)算論證。設(shè)計(jì)流量和整治流量下，工程實(shí)施后，2方案航槽內(nèi)水深均滿足設(shè)計(jì)要求，航槽平均流速、整治汊分流比均有所增加，利于航道穩(wěn)定。右汊方案中洪水期航道水流條件不受上、下挖口入?yún)R水流的影響，又有利于地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展，建議右汊方案作為整治工程的推薦方案。

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(編輯：姜小蘭)

Numerical Simulation on the Effectiveness of Regulation Project for2000t Navigation Channel of Yingtiantan Segment of Xiangjiang River

JIN Hui1，2, CHEN Jian-qiang3, FENG Xiao-xiang1，2, PU Xiao-gang1,2

(1.Tianjin Research Institute of Water Transport Engineering,M.O.T.,Tianjin 300456, China;2.Key Laboratory of Engineering Sediment,M.O.T.,Tianjin 300456, China;3.Hunan Provincial Navigation Administration Bureau, Changsha 410200, China)

Yingtiantan is located at the segment between Haohekou and Chenglingji. It is a flood channel of Dongting Lake and has typical characteristics of rivers and lakes with complex shoal evolution. In recent years, riverbed has been damaged seriously by activities of sand excavation. Regulation actions are proposed in order to improve the channel level in the first-stage of Xiangjiang 2000t channel construction project. The effect of the proposed regulation actions are analysed by using 2-D mathematical flow model and the results indicated that the proposed two design schemes could both meet the design requirements. The right branch scheme is recommended because the flow condition in the channel is not affected by the confluence of the upper and lower stream opening. It could also contribute to local economic development.

Yingtiantan; channel regulation; river and lake; sand excavation; 2-D mathematical model

2013-10-10；

2013-12-05

交通運(yùn)輸部科技項(xiàng)目(20113280001570)

金 輝(1983-)，男，河南開封人，助理研究員，碩士,主要從事水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)的研究，(電話)18622519036(電子信箱)304476750@qq.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.02.002

TV85

A

1001-5485(2015)02-0005-06

2015,32(02):5-10