張佳妮

(遼寧省大伙房水庫管理局有限責任公司，遼寧 撫順 110300)

自改革開放以來，長江水道航運飛速發(fā)展，通航里程長、運量大、運輸繁忙，被譽為中國的“黃金水道”[1]。近年來，因經(jīng)濟發(fā)展的迫切需求，長江河道上修建了大量的跨河橋梁?！秲?nèi)河通航標準》要求橋梁選址建在河床穩(wěn)定、水深充裕、水流條件良好的平順河段上,盡可能避開分汊河道、游蕩河段和支流入?yún)R河段,并充分考慮建橋后對上下游河道的影響[2]。但是由于區(qū)域發(fā)展、地形地貌等因素的限制，不得不在河段條件較差的地方選址建橋。這會使得橋梁附近的水流狀態(tài)發(fā)生急劇的變化，影響河勢，導致水道礙航現(xiàn)象頻繁。武漢長江大橋所處河段為順直分汊河道，在大橋建成以前，河道通航條件好，礙航現(xiàn)象少有發(fā)生，自建成以后，該河段經(jīng)常發(fā)生礙航現(xiàn)象，且已發(fā)生了70余起船撞橋事故，其中直接經(jīng)濟損失超過百萬元的就有十余起[3]，對經(jīng)濟和社會效益造成了嚴重影響。

導致武橋水道礙航現(xiàn)象發(fā)生的原因并不是航行所需的寬度和深度不夠，而是漢陽邊灘在枯水期過度淤長，突入江心，使得航線過于彎曲，不能夠通過設(shè)計的通航孔。針對這一問題，已采取了許多航道整治工程，但效果不是特別顯著?？梢姡瑢h陽邊灘河床演變及航道條件的深入探究迫在眉睫。

1 河床演變規(guī)律分析

1.1 近期演變現(xiàn)象及特點

近年來，在武橋水道兩岸修建了大量的堤防工程，使得岸線較為穩(wěn)定。白沙洲和潛洲年內(nèi)有沖有淤，年際間變化不大，總體來說較為穩(wěn)定。據(jù)近年來實測資料可得：在汛期，主流線較為順直，水動力條件較好，攜帶大量的泥沙進入到武橋水道，而由潛洲頭斷面2和洲尾斷面3測得的水流動力軸線均向右側(cè)擺動，使得左側(cè)漢陽邊灘處于緩流區(qū)，水流動力條件較差，大量泥沙落淤。在汛后的中水期，潛洲洲頭與洲尾附近的主流向左側(cè)擺動，故沖刷潛洲左叉附近淤積較為嚴重的漢陽邊灘。因受到武昌深槽吸流作用和橋墩雍水作用影響，主流在潛洲洲尾與武漢長江大橋坐彎，使得橋址附近漢陽邊灘的水流動力條件較差，故沖刷下來的泥沙在橋址附近落淤，漢陽邊灘迅速淤長，突入江心。但因中水期的水流相對枯水期的大，武橋水道仍然可滿足通航要求，進入到枯水期后水流減小、水深降低，礙航問題逐漸凸顯。此外，枯水季節(jié)，在武昌深槽吸流作用下，使得水流動力軸線在其附近做彎，流速減小，泥沙落淤。但因枯季來沙量較小，故漢陽邊灘整體形態(tài)變化不大。

1.1.1水動力軸線變化

水流動力軸線又稱之為主流線，是各個斷面最大垂線平均流速點的連線，其擺動變化會對邊灘沖淤、航運、行洪等方面造成重大影響[4]。影響水流動力軸線擺動變化的主要因素是流量大小，故根據(jù)不同流量用各個斷面實測流速來分析水流動力軸線的變化規(guī)律。

白沙洲水道上設(shè)立了2個實測斷面，分別在距離白沙洲大橋約1 970 m的上游處和約2 335 m的下游處布設(shè)，即斷面1和斷面1-1。武橋水道上也設(shè)立了2個實測斷面，分別在距離白沙洲大橋下游約3 910、5 890 m處布設(shè)，即斷面2和斷面3。在漢口水道上，距離武漢長江大橋下游約2 950 m處設(shè)立了1個實測斷面，即斷面4。對于以上5個斷面，分別實測了其不同起點距處的流速(圖1)。

圖1 流速實測斷面位置

流速分布圖中起點距0的位置為起測點(左岸)，2 500 m的位置為右岸。由斷面1的流速分布可得(圖2)，流速自起點距500 m以外至右岸間出現(xiàn)遞減的趨勢，主要受到下游靠近右岸處白沙洲的礙流作用，而左岸起至起點距500 m處，逐漸擺脫邊岸對水流的控制作用,使得流速呈現(xiàn)遞增趨勢。當流量在9 000 ～40 000 m3/s之間時，該斷面的最大流速均在起點距約為600 m的位置，而當流量為6 050 m3/s時，最大流速所在位置的起點距小于500 m?？梢?，水流動力軸線在較大流量下向右岸擺動，但由于受到白沙洲阻礙水流的影響，水流動力軸線向右擺動的幅度不大，一般情況下，其距離左岸仍然小于800 m。此外,當流量為39 835 m3/s(大水)時，向右擺動幅度最大；當流量為17 400(中水)、12 500、9 070 m3/s(流量15 000 m3/s以下均為小水)時，水流動力軸線向左擺動幅度微?。欢斄髁繛? 050 m3/s時，水流動力軸線向左急劇擺動，擺動幅度約為300 m。在汛期，水流流量大，水流動力軸線向右大幅度擺動，左側(cè)荒五里邊灘處于緩流區(qū)，使得泥沙在東風閘至白沙洲大橋之間落淤，促進了荒五里邊灘的淤長。因中水期的水流動力軸線擺動幅度微小，故沖淤變化不大，而在枯水期，流量較小時，因水流動力軸線大幅度向左擺動，故此段邊灘受到?jīng)_刷而下移，下移的泥沙在荒五里附近淤積，到了汛期又被沖刷下移。所以荒五里年內(nèi)演變規(guī)律為：東風閘至白沙洲大橋間的荒五里邊灘遵循“汛淤枯沖”的規(guī)律，而白沙洲大橋至楊泗廟之間則遵循“汛沖枯淤”的演變規(guī)律。

施測斷面1-1和斷面2位于白沙洲洲尾和潛洲洲頭之間(圖1)，其水流動力軸線均靠近左岸。對于斷面1-1，當流量為39 835(大水)、17 400(中水)、12 500 m3/s(小水)時，水流動力軸線所在位置擺動幅度小，當流量為9 070 m3/s時，其向左大幅度擺動。斷面2的施測結(jié)果見圖4，其水流動力軸線有著“大水向右擺，中水和小水向左擺，中水的擺動幅度大于小水的擺動幅度”的規(guī)律。斷面3位于潛洲洲尾(圖5)，水流動力軸線在潛洲的左汊通過，也遵循“大水右擺，中水和小水左擺”的變化規(guī)律，但是其在相同流量下的擺動幅度最小，主要是因為主流受到潛洲的排擠作用。可見，在2004年7月的汛期，流量為39 835 m3/s，泥沙在斷面2和3處落淤，促進了漢陽邊灘的淤長，使得水流動力軸線向右側(cè)偏移。當流量為17 400 m3/s時，水流動力軸線大幅度向左側(cè)偏移，可見此時斷面2和3處的漢陽邊灘受到了沖刷而萎縮。當流量為12 500、9 070、6 050 m3/s時，水流動力軸線相對中水期擺動幅度小，故此處漢陽邊灘沖淤變化較小。故有：潛洲左汊附近的漢陽邊灘遵循“汛期淤積，中水沖刷下移，枯季較為穩(wěn)定”的演變規(guī)律。斷面4的實測結(jié)果見圖6，當流量為6 050、9 070 m3/s時，水流動力軸線分別在距離起點距約1 100、1 450 m處，靠近右岸。當流量為12 500 m時，水流動力軸線靠近江心。而流量為39 835、17 400 m3/s時，水流動力軸線靠近左岸。由此可見，其擺動幅度最大。造成這一結(jié)果的原因主要是：在枯水季節(jié)，漢江水流的匯入，對長江的水流會產(chǎn)生一定的頂托作用，再加上漢口邊灘位于左岸，對主流具有較強的控制作用，從而使得水流動力軸線靠近右岸。在汛期和中水期時，由于流量大，水動力條件較好，故上述影響因素的作用減小，使得水動力軸線逐漸向右岸擺動。

圖2 武橋斷面1流速分布

圖3 武橋斷面1-1流速分布

圖4 武橋斷面2流速分布

圖5 武橋斷面3流速分布

圖6 武橋斷面4流速分布

1.1.2洲灘變化

武橋水道內(nèi)礙航現(xiàn)象頻頻發(fā)生，其與該水道內(nèi)漢陽邊灘、潛洲的沖淤變化緊密相關(guān)。故通過4.5 m(恒基面以下4.5 m)等深線的實測資料來分析武橋水道的航道條件，并通過對2 m(恒基面以下2 m)等深線的實測資料進行分析，來揭示漢陽邊灘和潛洲的演變規(guī)律。

表1 漢陽邊灘和潛洲在4.5 m 等深線下的面積和周長

武橋水道的原航深標準為3.7 m，難以滿足地區(qū)發(fā)展的需要。為此，中國于2014年頒發(fā)了《國家發(fā)展改革委辦公廳關(guān)于印發(fā)長江宜昌至安慶段航道整治模型試驗研究工作方案》，方案規(guī)劃了船舶的通航要求，即以4.5 m等深線作為武橋水道通航的下線水深。武漢長江大橋橋址附近的河寬約為1 100 m，其設(shè)計通航孔為上水4號孔,下水6號孔，其中上水4號孔距離右岸邊線約為510 m(表1)。在4 a實測資料中有4 a漢陽邊灘的“距岸線向外延伸最長距離”大于510 m，其中2010、2014年枯季分別為775、636 m，遠大于510 m，使得航線過于彎曲，船只不能夠從設(shè)計通航孔通過，對河道航運造成了重大影響。2010年汛后實施了河道整治工程，抑制了漢陽邊灘淤長，這使得2011、2012年枯季漢陽邊灘的“距左岸岸線向外延伸長最長距離”較2010年分別減少了196.5、238 m。此外，2011年汛期漢陽邊灘的“距左岸岸線向外延伸最長距離”僅為282 m，不妨礙航運，主要是因為在汛期，潛洲洲尾至武漢長江大橋之間的漢陽邊灘受到來水的沖刷作用，使得漢陽邊灘逐漸變?yōu)楠M長形態(tài)。除此之外，漢陽邊灘在2011年7月汛期的4.5 m等深線處的面積為854 095 m2，是實測資料中邊灘面積最小的年份，與多年平均值比較，偏小了25.7%。確實改善了2011、2012年的通航條件，但是隨著時間的推移，整治工程效果降低，礙航現(xiàn)象又頻繁出現(xiàn)。

2011年7月汛期的4.5 m等深線較為順直、狹窄且靠近左岸，船只可以順利通過設(shè)計通航孔。2011年4月枯季，在距離武漢長江大橋約230 m上游4.5 m等深線較為順直且靠近左岸，但在此后，等深線向右岸急劇彎曲延伸，沿程230 m的長度內(nèi)就向右岸彎曲延伸了約370 m，基本封堵了5號橋孔，使得無法從設(shè)計橋孔通過，產(chǎn)生礙航現(xiàn)象。2010年汛期和枯季的4.5 m等深線和2011年有著類似的變化規(guī)律，可見漢陽邊灘年內(nèi)沖淤變化較大。

2010、2011、2014年枯季在武漢長江大橋處的4.5 m等深線均突入到了5號橋孔附近，無法從設(shè)計通航橋孔通過，阻礙航運。對于潛洲至大橋之間的4.5 m等深線，2010、2014年較寬，突入江心。而2010年的則較窄，靠近左岸。2012年枯季在武漢長江大橋處的4.5 m等深線僅封堵了3號橋孔，通航條件好，可見年際間變化較大。

圖7 4.5 m等深線實測地形

圖8 2 m等深線實測地形

此外，2010年8月汛期，漢陽邊灘在潛洲左叉附近大量淤積，其灘體展寬并與潛洲相接，漢陽邊灘的下半段仍較為順直、狹窄。在枯季，邊灘形態(tài)與汛期的形態(tài)剛好相反，即潛洲左叉附近邊灘狹窄，武漢長江大橋附近邊灘突入江心，符合“汛期淤積，中水期沖刷，枯季沖淤變化較小的演變規(guī)律”。

1.2 主要存在的航道問題

自武漢長江大橋建成以來，武橋水道礙航現(xiàn)象頻頻發(fā)生，至今已經(jīng)發(fā)生70余起船撞橋事故。導致該航道問題的主要原因是“漢陽邊灘在枯季過度淤長，突入江心，邊灘突嘴擠壓航道，使得航線過于彎曲，來往船只無法從設(shè)計通航孔通過。礙航現(xiàn)象嚴重時，漢陽邊灘甚至會直接封堵4號橋孔。荒五里邊灘枯水期的大小對下游漢陽邊灘的大小影響較大，當荒五里邊灘枯水期大時，漢陽邊灘就小，航道條件就好。反之，漢陽邊灘就大，枯季航道條件就差[5]。此外，白沙洲洲頭在年際間受到?jīng)_刷，未來將引發(fā)右側(cè)發(fā)展，不利于左側(cè)航槽的維持。潛洲右汊沖刷(圖8)，洲頭左擺，使得該處航寬展寬，潛洲洲頭左偏，易與荒五里邊灘相連，導致左汊主槽礙航現(xiàn)象的出現(xiàn)。

2 河床演變及航道條件趨勢

2.1 來水來沙條件趨勢

三峽工程建成后，在上游來沙減少作用下，長江中下游來沙明顯減小[6]，水沙條件顯著改變，搜集2000年以后的水沙資料(2000—2002年的資料用于與蓄水后的水沙資料進行對比)，取K值為2來進行滑動平均，使序列高頻震蕩(水沙特別年份)對水沙變化趨勢分析的影響得以弱化[7]?；是f水文站的年徑流量和年輸沙量變化幅度較大，近年來均有減小的趨勢(圖9)。漢口站年輸沙量與皇莊站和漢口站年輸沙量差值在2000—2007年間均呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(表2)，于2007年之后較為穩(wěn)定。此外，兩者的年徑流量有略顯減小的趨勢，但并不明顯。由此可見，漢江水沙條件的變化對長江水沙變化的趨勢影響甚微。

2.2 河床演變趨勢

河床演變規(guī)律受到諸多因素的影響，但最主要的影響因素是來水來沙條件和河道邊界情況，故本文以近4 a的實測地形資料(圖7—8)、來水來沙條件規(guī)律(圖9—11)及地址地貌特征來對武橋水道進行河床演變和航道條件的近期趨勢分析。

表2 漢口站與皇莊站年輸沙量與年徑流量

圖9 皇莊站年徑流量與年輸沙量滑動平均

圖10 漢口站年徑流量與年輸沙量滑動平均

圖11 漢口站、皇莊站年徑流量與年輸沙量差值滑動平均

2.2.1白沙洲水道仍然維持順直分汊河型

近年來，在兩岸修建了大量堤防工程，使得岸線年際間變化甚微，故白沙洲水道和武橋水道將長期保持順直型。此外，由圖2可知，水流動力軸線在大水時向右擺動，小水時急劇向左擺動，擺動幅度較大，但其仍居于白沙洲左側(cè)且距白沙洲有較長距離，故白沙洲右汊一直處于緩流區(qū)，水流動力條件差，泥沙易落淤，從而導致右汊淤積萎縮。但三峽水庫調(diào)節(jié)程序計算模擬可得，蓄水后Q>35 000 m3/s、來流天數(shù)大于40 d的來水過程依然存在，白沙洲洲頭還將繼續(xù)沖低，右汊依舊會被沖刷展寬，故較長時間內(nèi)不會發(fā)生并岸現(xiàn)象，仍然維持順直分汊河型。

2.2.2潛洲洲體形態(tài)變化

近期：2010年汛后，在潛州上實施了長順壩結(jié)合單側(cè)魚骨壩的河道整治工程，該工程對潛洲洲體形態(tài)起到較強的控制作用且對主流的流向也有一定的引導作用，再加之上游近期的來水來沙條件趨于穩(wěn)定，年際間變化較小，故潛洲在近期不會發(fā)生大的形態(tài)變化。

遠期：大水時，有利于潛洲的淤長，在小水年時會被沖刷萎縮。而由三峽水庫調(diào)節(jié)程序計算模擬可得，小于15 000 m3/s(小水)的來流天數(shù)有所提升，使得潛洲頭部沖刷后退，引發(fā)該處航槽展寬，潛洲右汊發(fā)展，潛洲洲頭左擺的現(xiàn)象。

2.2.3武昌深槽沖淤狀態(tài)變化

武昌深槽形成年代久遠，在近30 a呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的狀態(tài)。因武昌深槽上游處的潛洲洲頭形態(tài)變化不大且近期來水來沙條件趨于穩(wěn)定，使得武昌深槽近期依舊遵循“汛期槽首淤積，槽體展寬，枯季槽首沖刷，槽體沖刷還原”的演變規(guī)律。即汛期主流居中趨直，武昌深槽的吸流作用相對較弱，隨著流量減小，武昌深槽吸流作用增強，枯水時主流由左岸向右岸過渡，在漢陽邊灘處流速減小，水流挾沙力減弱，造成漢陽邊灘淤積[8]。但隨著近年來白沙洲右汊的萎縮，進入到潛洲右汊的水流相應(yīng)的減少，使得其出口水流頂托作用降低，不利于武昌深槽槽首在汛期的淤長上延，但總體變化較小。

因模擬結(jié)果得出：Q>35 000 m3/s的來流天數(shù)明顯減少，故武昌深槽淤積程度減小，促進了槽首的沖刷上延。

2.2.4漢陽邊灘年內(nèi)與年際間依然變化較大

漢陽邊灘右側(cè)的武昌深槽和潛洲在較長的時間內(nèi)將維持現(xiàn)有的狀態(tài)和演變規(guī)律，武橋水道內(nèi)的洲灘深槽格局相對穩(wěn)定[9]。所以，水流動力軸線在施測斷面2和3處依然遵循“大水右擺，中水左擺，小水擺幅較小”的規(guī)律，使得潛洲左汊附近的漢陽邊灘在汛期迅速淤長，武昌深槽對岸的漢陽邊灘受到?jīng)_刷而成狹長型，中水期則恰好相反，即上半段邊灘沖刷下移，下半段邊灘泥沙落淤，突入江心，至枯水期時，邊灘凸顯，所以年內(nèi)變化在較長的時間內(nèi)依舊較大。但隨著近年來漢江年徑流量有著減小的趨勢，使得其水流匯入長江時所產(chǎn)生的頂托作用降低，不利于中水期泥沙在漢陽邊灘上的淤積，但因漢江年徑流量相對長江而言較小，故總體來說對武橋水道內(nèi)的邊灘演變的影響不大。此外，隨著三峽工程的投入運行，大量的泥沙在庫中淤積，使得下游年輸沙量大幅度減小，但塑造邊灘的泥沙量并未減小[10]。

此外，大水時，漢陽邊灘淤積，中水時，沖刷下移并在武漢長江大橋附近落淤，而由模擬結(jié)果得出15 000～35 000 m3/s之間(中水)的來流天數(shù)和大于35 000 m3/s(大水)的來流天數(shù)均明顯下降，故漢陽邊灘年內(nèi)的淤積程度有所降低，灘體寬度小于400 m(5號封堵)的頻率將有所上升。

2.3 航道條件變化趨勢

武橋水道內(nèi)洲灘槽年內(nèi)和年際間的演變規(guī)律基本維持不變，再加之上游來水來沙條件和岸線也趨于穩(wěn)定。所以，主流線在汛期較為順直且潛洲與武漢長江大橋之間的漢陽邊灘受到?jīng)_刷而呈狹長型，通航條件好。在中水期，潛洲左汊附近的漢陽邊灘受到?jīng)_刷而下移，在武橋水道附近落淤并突入江心，并隨著枯水期的到來，水位降低，從而發(fā)生礙航現(xiàn)象。所以在自然條件下，武橋水道的礙航現(xiàn)象在一定年份內(nèi)不會有所改變。

3 結(jié)語

本論文是對漢陽邊灘演變規(guī)律的初步研究，根據(jù)實測的來水來沙條件、地形資料，以及從參考文獻中的歷史資料，進行了武橋水道礙航問題的初步探討。主要研究成果大致包括以下內(nèi)容。

a)通過4.5 m等深線圖的分析得出：在年內(nèi)，汛期通航條件好。在枯季，因漢陽邊灘突入江心，突嘴擠壓航道，使得航線過于彎曲，來往船只無法從設(shè)計通航孔通過，嚴重時，甚至封堵設(shè)計通航孔，導致礙航現(xiàn)象發(fā)生。

b)通過三峽水庫調(diào)節(jié)程序計算模擬和近期來水來沙條件趨勢分析，對河床演變和航道條件變化趨勢做了初步研究。結(jié)果表明：武橋水道內(nèi)洲灘槽的演變規(guī)律總體變化不大，漢陽邊灘年內(nèi)的淤積程度有所降低，礙航現(xiàn)象依舊持續(xù)存在。