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        韓江高陂樞紐至東山樞紐段河床演變及治理效果研究

        2019-10-17 02:36:12王建軍楊云平李曉星王晨陽徐俊鋒
        人民珠江 2019年9期

        王建軍, 楊云平, 李曉星, 王晨陽, 徐俊鋒

        (交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 工程泥沙交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津300456)

        近年來,隨著流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)航運(yùn)的需求增加,急需進(jìn)一步提高航道尺度。對(duì)于韓江下游河道而言,國(guó)內(nèi)學(xué)者在徑流豐枯、周期性演化[1-5]、泥沙輸移量[6]等方面開展了大量研究工作,闡明了流域水沙輸移規(guī)律及其成因。在河道沖淤方面:1989—2008年期間,韓江上下游呈現(xiàn)不同的沖淤變化趨勢(shì),上游河段呈淤積趨勢(shì),而下游河段呈沖刷趨勢(shì),并預(yù)計(jì)今后一段時(shí)期內(nèi),總體上仍將維持現(xiàn)有河勢(shì)[7];1960—1998年期間韓江下游及三河洲區(qū)域河床沖刷主要是人工無序挖砂所致[8];采砂活動(dòng)已使得留隍站平均水位下降了0.6 m,也會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響[9-10]。在通航條件上:利用1974—2006年資料,計(jì)算了不穩(wěn)定流及河床下切條件下的韓江干流航道設(shè)計(jì)最低通航水位[11],并發(fā)現(xiàn)潮安站最低通航水位增加30%,北江、西江等均降低30%左右[12]。韓江中下游存在大量的采砂活動(dòng),對(duì)通航水位產(chǎn)生明顯影響[13]。隨著韓江干流樞紐工程建設(shè),通航水位得到一定改善,給航道水深提高帶來了有利條件。近期,廣東省航道局啟動(dòng)了“韓江三河壩至潮州港航道擴(kuò)能升級(jí)工程”項(xiàng)目,通過必要的工程措施,將全線航道等級(jí)提升為1 000 t級(jí)(或500 t級(jí))。已有研究成果總結(jié)了河道演變、設(shè)計(jì)水位變化,隨著航運(yùn)需求增加,需進(jìn)一步研究河道沖淤變化、航道水深進(jìn)一步提高的可能性,為航道擴(kuò)能升級(jí)工程論證工作提供支撐。

        本研究收集了2002—2017年期間5套地形圖,分析了河道沖淤量、斷面及深泓變化,利用平面二維數(shù)學(xué)模型手段,研究確定了韓江高陂樞紐至東山樞紐段的設(shè)計(jì)最低和最高水位,并模擬計(jì)算了整治工程實(shí)施后航道條件變化,論證航道水深提高的技術(shù)可行性。

        1 研究區(qū)域河道及航道概況

        1.1 河道概況

        韓江發(fā)源于廣東省紫金縣七星崠,梅江為主干流,由西南向東北流經(jīng)五華、興寧、梅縣至大埔的三河壩與汀江匯合后稱韓江,而后折向南流,經(jīng)豐順、潮州、澄海、汕頭等縣市,于汕頭、澄海兩市匯入南海(圖1a)。主要支流有汀江、五華水、寧江、石窟河和梅潭河,干流全長(zhǎng)約470 km,流域集水面積約30 112 km2。韓江三河壩以上稱為上游,三河壩至潮州竹竿山為中游,竹竿山以下為下游,至潮州市進(jìn)入韓江三角洲河網(wǎng)區(qū),分為東溪、西溪、北溪,由下游五閘入海。本文研究區(qū)域?yàn)轫n江高陂樞紐至東山樞紐河段,河段全長(zhǎng)約37 km (圖1b)。

        a) 韓江流域 b)高陂樞紐—東山樞紐圖1 韓江流域和中游高陂樞紐至東山樞紐河道位置及斷面

        1.2 航道及樞紐運(yùn)行狀態(tài)

        三河壩至廣濟(jì)橋段已按V級(jí)航道整治建設(shè),同時(shí)河段已建東山樞紐、潮洲樞紐,在建高陂樞紐,規(guī)劃建設(shè)有葛布樞紐,已建船閘有東山船閘、南溪橋閘、東里橋閘。廣東省航道局于近期啟動(dòng)了“韓江三河壩至潮州港航道擴(kuò)能升級(jí)工程”項(xiàng)目,擬在現(xiàn)行航道基礎(chǔ)上,通過新建船閘或改建、改造已有樞紐船閘和航道整治、改造(改建、重建)不能滿足通航凈空尺度要求的橋梁等措施,將研究河段航道等級(jí)提升為1 000 t級(jí)(或500 t級(jí))航道。

        高陂樞紐以防洪、供水為主,兼顧發(fā)電和航運(yùn)等綜合性水利樞紐,于2015年10月開工建設(shè),預(yù)計(jì)2021年投入使用。高陂樞紐正常蓄水位38.65 m,發(fā)電最低運(yùn)行水位30.65 m,供水最低運(yùn)行水位28.65 m。高陂水利樞紐配套建設(shè)1座Ⅳ級(jí)船閘,船閘有效尺度2.00 m×18.00 m×3.05 m。

        東山樞紐于2006年9月動(dòng)工興建,一期圍堰于2006年10月成功合攏。東山樞紐為徑流式電站,原則上不對(duì)徑流進(jìn)行調(diào)節(jié),樞紐正常蓄水位為26.15 m,其調(diào)度運(yùn)行方式:①上游來水流量Q≤1 567 m3/s(6臺(tái)機(jī)組滿發(fā)流量)時(shí),攔河閘門全部關(guān)閉,維持正常蓄水位26.15 m運(yùn)行,上游來水全部供電站發(fā)電;②上游來水量1 567 m3/s

        2 河道演變分析

        2.1 河道沖淤變化

        以枯水位為對(duì)象,統(tǒng)計(jì)高陂樞紐至東山樞紐段枯水位以下的河槽容積,進(jìn)一步計(jì)算得到河床沖淤量(表1、圖2),河床沖淤特點(diǎn)為:2002年9月至2008年11月期間河床總淤積量為38.50×104m3,年均淤積量為6.43×104m3/a;2008年11月至2015年11月期間河床為沖刷趨勢(shì),總沖刷量為452.20×104m3,年均沖刷量為64.60×104m3/a;2015年11月至2017年11月期間河床仍維持沖刷趨勢(shì),總沖刷量為804.00×104m3,年均沖刷量402.00×104m3/a。整體上,高陂樞紐至東山樞紐河段由淤積轉(zhuǎn)為沖刷,且沖刷強(qiáng)度為增大趨勢(shì),枯水河槽的沖刷,有利于航道水深的改善與提升。

        表1 高陂樞紐至東山樞紐河段河道沖淤量

        注:表中沖淤量和沖淤厚度中正值表示淤積,負(fù)值表示沖刷

        注:a) 2002年9月至2008年11月 b) 2008年11月至2015年11月 c) 2015年11月至2017年11月圖2 高陂樞紐至東山樞紐河段的河道沖淤分布

        2.2 深泓變化

        繪制高陂樞紐至東山樞紐段河道深泓變化(圖3),分析表明:2002年9月至2017年11月期間高陂樞紐至東山樞紐河段深泓縱向整體為下切趨勢(shì),平均下切深度為1.15 m,最大下切深度為5.2 m,其中2008年11月至2017年11月、2015年11月至2017年11月期間平均下切分別為0.75、0.65 m。

        a) 深泓變化

        b) 深泓累計(jì)下切值圖3 高陂樞紐至東山樞紐段縱向深泓變化

        2.3 斷面變化

        高陂樞紐至東山樞紐河段選取6個(gè)代表斷面(圖4),從深泓變化上看,斷面沖淤幅度較大。各斷面變化特點(diǎn)為:3號(hào)斷面位置為整體沖刷;7號(hào)斷面凸岸側(cè)淤積,凹岸側(cè)以沖刷為主;12號(hào)斷面2002年9月至2008年11月期間為左淤右沖,2008年11月至2015年11月期間為左沖右淤,基本遵循天然河道的演變規(guī)律,2015年11月至2017年11月期間左沖,右側(cè)變化相對(duì)較??;16號(hào)斷面2002年9月至2008年11月期間沖淤變化不大,2008年11月至2017年11月期間斷面單向沖刷,最大沖刷深度達(dá)10 m以上;19號(hào)斷面處于微彎段,2009年9月至2017年11月期間整體表現(xiàn)為凸岸淤積凹岸沖刷的特點(diǎn);23號(hào)斷面處于順直段,整體以沖刷為主,深泓游右擺較為明顯。

        a) 3號(hào)斷面(彎道段)

        b) 7號(hào)斷面(彎道段)

        c) 12號(hào)斷面(彎道段)

        d) 16號(hào)斷面(彎道段)

        e) 19號(hào)斷面(彎道段)圖4 斷面變化

        f) 23號(hào)斷面(彎道段)續(xù)圖4 斷面變化

        3 航道條件分析

        設(shè)計(jì)水位、通航水深、河道沖淤及治理效果等,均采用平面二維水流泥沙數(shù)學(xué)模型,泥沙模型包含了懸移質(zhì)和推移質(zhì),模型建立過程及驗(yàn)證見文獻(xiàn)[14]。

        3.1 最低、最高通航水位計(jì)算

        高陂水利樞紐10 a一遇洪水流量為11 130 m3/s,樞紐恢復(fù)天然河道行洪狀態(tài)。東山樞紐10 a一遇洪水流量11 381 m3/s,樞紐恢復(fù)天然河道行洪狀態(tài)。依據(jù)GB 50139—2014《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)內(nèi)容,樞紐上、下游設(shè)計(jì)最高通航水位分別采用10 a一遇的天然洪水位,即高陂樞紐下游設(shè)計(jì)最高通航水位為39.38 m。高陂樞紐正常蓄水位為38.65 m,較10 a一遇洪水位低。因此,高陂樞紐下游的設(shè)計(jì)最高通航水位為39.38 m。東山樞紐正常蓄水位為26.15 m,10 a一遇洪水流量為11 381 m3/s,根據(jù)二維數(shù)學(xué)模型計(jì)算,相應(yīng)東山樞紐上游水位為26.62 m,較樞紐正常蓄水位高。因此,東山樞紐上游設(shè)計(jì)最高通航水位為26.62 m (圖5)。

        東山樞紐壩上航道設(shè)計(jì)最低通航水位:東山樞紐正常蓄水位為26.15 m。通過統(tǒng)計(jì)東山樞紐近年來發(fā)電放水的消落水位基本在0.50 m以內(nèi),因此,東山樞紐壩上航道設(shè)計(jì)最低通航水位考慮發(fā)電放水消落0.50 m,即25.65 m。高陂水利樞紐壩下航道設(shè)計(jì)最低通航水位:通過數(shù)學(xué)模型計(jì)算,采用高陂水利樞紐下游保證率P=95%日最小流量(Q=98 m3/s)與東山樞紐壩上航道設(shè)計(jì)最低通航水位37.45 m組合推算,為25.84 m。根據(jù)調(diào)查資料,近年來東山樞紐蓄水位最低值為22.65 m。另據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算,當(dāng)上游來流量為3 000 m3/s,樞紐敞泄,樞紐上游水位為19.13 m。因此,東山樞紐上游庫(kù)區(qū)河段設(shè)計(jì)通航水位應(yīng)取流量3 000 m3/s敞泄時(shí)水位和東山樞紐最低運(yùn)行水位中的低值。

        圖5 高陂樞紐至東山樞紐段最低最高通航水位計(jì)算

        3.2 航道水深分析

        最低通航水位下水深不足2.5 m的河段主要集中在高陂壩下至高陂大橋,該段為高陂樞紐壩下河段,水深大多在1.5~2.0 m(圖6);高陂大橋至東山樞紐河段為東山樞紐庫(kù)區(qū)河段,水深條件較好,最低通航水位下水深基本在3.0 m以上,滿足設(shè)計(jì)航道尺度要求。

        圖6 高陂樞紐至東山樞紐河段設(shè)計(jì)航線位置水深

        4 航道整治工程及效果分析

        4.1 整治工程方案介紹

        高陂樞紐至東山樞紐河段整治工程類型為疏浚、丁壩拆修及新建(表2),其中疏浚量為1.34×105m3,疏浚位置主要在高陂樞紐至高陂田家炳大橋區(qū)域,其中田家炳大橋附近疏浚區(qū)域較為集中。疏浚量計(jì)算起始地形時(shí)間為2017年11月,超挖0.3 m,邊坡1∶3。丁壩修復(fù)和新建均按300 t級(jí)航道整治時(shí)丁壩的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行整治,整治寬度從125 m調(diào)整至160 m。根據(jù)韓江300 t 級(jí)航道整治時(shí)丁壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),修復(fù)后的丁壩采用梯形斷面如下。

        a) 丁壩壩身頂寬1.6 m,壩頭長(zhǎng)10.0 m,頂寬2.6 m,迎水坡1∶1.25,背水坡1∶1.5,丁壩頂縱坡取1∶200,壩頭向河坡取1∶3。

        b) 壩根護(hù)岸長(zhǎng)度。上游長(zhǎng)15 m,下游長(zhǎng)25 m,設(shè)計(jì)水位+0.5 m以下為拋石護(hù)腳,護(hù)腳棱體頂寬2.0 m,外坡1∶1.5,以上為拋筑塊石,厚0.5 m,河岸自然邊坡略加整理平順,護(hù)坡護(hù)至壩根頂高程以上1.0 m。

        c) 丁壩高程。高陂樞紐至三洲村河段,壩頂高程為設(shè)計(jì)水位以上1.5 m。舊丁壩修復(fù)主要集中高陂樞紐至三洲村河段和東山樞紐壩下至蔗溪口河段,共計(jì)修復(fù)丁壩148座。

        4.2 計(jì)算條件

        收集了2010—2017年潮安水文站的水沙資料,多年平均徑流量為244.8×108m3,多年平均流量775.8 m3/s,多年平均輸沙量568.2×104t (表3)。2016年徑流量為466.4×108m3,接近多年平均徑流量的2倍,考慮到大水年份河床沖淤變化較大,選取2016年為大水年份。2012年徑流量為237.5×108m3,其徑流條件與多年平均值接近,為平水年計(jì)算條件;2015年徑流量為205.6×108m3,為小水年。

        4.3 整治工程對(duì)流態(tài)的影響

        圖7為不同流量級(jí)下工程前后航中線位置流速變化情況,結(jié)果表明:整治工程實(shí)施后,各流量級(jí)下,設(shè)計(jì)航道內(nèi)沿程縱向流速總體呈增加趨勢(shì),橫向流速呈減小趨勢(shì);各設(shè)計(jì)流量下,設(shè)計(jì)航道中線位置縱向流速增幅0.04~0.28 m/s,橫向流速減幅0.01~0.14 m/s;隨著流量增加,工程前后流速變化越來越小。

        表2 高陂樞紐至東山樞紐段航道整治工程信息

        表3 潮安站2010—2017年來水來沙情況

        a) Q = 810 m3/s圖7 工程前后典型流量條件下航槽流速變化

        b) Q =1 567 m3/s

        c) Q =7 501 m3/s

        d) Q = 9 423 m3/s續(xù)圖7 工程前后典型流量條件下航槽流速變化

        4.4 整治工程對(duì)航道水深影響分析

        航道整治工程集中在高陂樞紐至三洲村區(qū)段,工程內(nèi)容為丁壩修復(fù)與新建。以2017年11月地形為基礎(chǔ),測(cè)圖疏浚量為13.4×104m3,考慮丁壩新建及修復(fù)工程,疏浚后經(jīng)歷大水年、平水年和小水年后的回淤量分別為2.7×104、1.1×104、0.6×104m3,回淤率分別為20.1%、8.2%和4.5%。從不同代表水文年河床沖淤變化看,經(jīng)歷大水年、平水年及小水年航道最大沖刷深度分別為2.47、1.86、0.85 m (圖8)。從不同代表水文年后設(shè)計(jì)航道內(nèi)水深變化看,高陂樞紐至東山樞紐河段設(shè)計(jì)水位下2.5 m航深能夠保持貫通,并滿足規(guī)劃航道尺度要求。

        a) 河道沖刷深度

        b) 航道條件變化圖8 航道整治工程后河道沖刷深度及航道水深變化

        5 結(jié)論

        本文研究了2002—2017年韓江高陂樞紐至東山樞紐段河道沖淤量、深泓及斷面等變化,運(yùn)用平面二維數(shù)學(xué)模型手段,計(jì)算確定了最低、最高通航設(shè)計(jì)水位,并核查了不同水深航道條件,模擬計(jì)算了工程初步效果。主要結(jié)論如下。

        a) 高陂樞紐至東山樞紐段河床由淤積逐漸轉(zhuǎn)為沖刷,深泓平均下切深度為1.15 m,2015—2017年與2008—2015年比較,沖刷強(qiáng)度略有增大。

        b) 運(yùn)用平面二維數(shù)學(xué)模型手段,考慮樞紐運(yùn)行方式,計(jì)算得到高陂樞紐下游近壩段最低、最高通航水位分別為25.84、39.38 m,東山樞紐上游最底、最高通航水位分別為19.13、26.62 m。

        c) 最低通航水位下水深不足2.5 m區(qū)段在高陂壩下至高陂大橋,水深集中在1.5~2.0 m;高陂大橋至東山樞紐河段為東山樞紐庫(kù)區(qū)河段,水深條件較好,最低通航水位下水深基本在3.0 m以上。

        d) 高陂樞紐至東山樞紐河段整治工程類型為疏浚、丁壩拆修及新建,數(shù)學(xué)模型計(jì)算表明,工程后航道水深滿足2.5 m要求。

        在研究過程中,航槽內(nèi)雖無不良流態(tài),但局部流速最大位置集中在彎曲段,建議進(jìn)行船舶模型試驗(yàn),并進(jìn)一步優(yōu)化船舶操作規(guī)程。

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