董正法,黃蓓蓓,李 明,高凱春

(1.長江航道局，湖北 武漢 430010;2.長江航道規(guī)劃設(shè)計研究院，湖北 武漢 430040)

航道維護(hù)性疏浚技術(shù)主要利用人力、機(jī)械等清除水下土石方，是維持航道尺度、保持航道暢通的最有效手段之一[1-3]。2018年長江干線(宜賓道—瀏河口)航道維護(hù)性疏?？偣こ塘恳堰_(dá)到2 788.16萬m3,有效保障了長江全線航道的暢通。但傳統(tǒng)航道維護(hù)性疏浚技術(shù)主要立足于解決航道水淺問題[4-5]，對于船舶航行條件而言，其受水深、航寬、彎曲半徑、水流流態(tài)等多方面復(fù)雜因素影響[6-8]，導(dǎo)致目前維護(hù)性疏浚技術(shù)仍存在較多問題，部分重點(diǎn)礙航河段的航道維護(hù)性疏浚技術(shù)仍存在不足。

蘆家河水道處于山區(qū)與平原河流的過渡地帶，屬中游重點(diǎn)砂卵石淺灘礙航河段[9]，在水道放寬處河心有礫卵石磧壩，將水道分為沙、石兩泓，沙泓為枯水期主航道，石泓為中、洪水期主航道[10-11]。三峽水庫蓄水前，主航道在汛期退水時，一旦汛末退水速度過快，石泓水深已不足，而沙泓汛期大量淤積的泥沙又未沖開，則航道會出現(xiàn)緊張局面，另外，毛家花屋—姚港一帶枯水比降大、流速急，給上行船舶航行帶來很大困難。

蓄水后下游水道來水來沙條件發(fā)生明顯改變[12-14]，蘆家河水道航道問題主要表現(xiàn)為2012年后沙泓進(jìn)口航槽的沙質(zhì)淤積體礙航，以及常年存在的毛家花屋—姚港一帶的坡陡流急現(xiàn)象。同時在蓄水后，由于下游近壩水道來沙減少，河床沿程沖刷下切，砂卵石河段枯水位持續(xù)下降，葛洲壩三江下引航道水深不足的問題日益凸顯，作為砂卵石河段水位重要控制節(jié)點(diǎn)，蘆家河水道對上游水位的控制極為重要。2014年開展的宜昌—昌門溪河段一期航道整治工程，在蘆家河進(jìn)口實(shí)施了魚嘴工程以及石泓護(hù)底工程，有效緩解了沙泓進(jìn)口的淤沙問題，也對上游的枝城站水位控制起到了極為顯著的作用。但近期在葛洲壩三江下引航道水深不足的問題仍然存在，一直存在的沙泓中段的坡陡流急現(xiàn)象則呈加劇態(tài)勢，同時由于卵石推移質(zhì)局部搬運(yùn)又產(chǎn)生了新的局部卵石淤積性水淺問題，使得蘆家河水道礙航問題更趨嚴(yán)重，目前主要通過維護(hù)性疏浚保持航道暢通。本文以此為背景，分析礙航原因，提出了維護(hù)性疏浚思路、方案、設(shè)計參數(shù)，并利用數(shù)學(xué)模型分析疏浚工程的效果，成果可為內(nèi)河維護(hù)性疏浚技術(shù)提供借鑒。

1 河道概況

蘆家河水道上起陳二口、下至昌門溪，全長12 km，屬微彎放寬型水道，水道進(jìn)口右側(cè)有松滋河分流，見圖1。該河段河床組成為砂卵石，在水道放寬處河心有礫卵石磧壩，中洪水淹沒，枯水出露，將蘆家河水道分為沙、石兩泓，沙泓為目前主航道所在。本水道岸坡結(jié)構(gòu)主要是基巖質(zhì)、土礫質(zhì)和硬土質(zhì)3種類型，岸線多年來總體穩(wěn)定，河道格局未發(fā)生改變。年內(nèi)主流洪、枯水期的流向在沙、石泓之間左右擺動。

圖1 蘆家河水道河勢

2 礙航特性

2.1 礙航原因

2.1.1持續(xù)下降的枯水位

水位尤其是枯水位與航道條件關(guān)系極為密切，尤其是近壩砂卵石河段，河床堅硬難沖，航道條件好壞更多地取決于河道內(nèi)水位高低。三峽蓄水后，壩下近壩水道沿程沖刷，蘆家河水道僅2008—2014年間單位河長總沖刷量達(dá)172 m3/km，隨著河床持續(xù)沖刷，壩下河段枯水位均出現(xiàn)了顯著下降，見圖2。蘆家河水道內(nèi)陳二口、毛家花屋、姚港和昌門溪4處水尺，在5 600 m3/s枯水流量下，2017年的水位比蓄水前2002年分別下降0.31、0.46、0.59、0.59 m。水位的趨勢性下降加劇了蘆家河沙泓中段淺區(qū)的水深不足，航道條件趨于惡化。

圖2 5 600 m3/s流量下蘆家河水道水位變化

2.1.2局部河道坡陡流急

蘆家河水道沙泓中段河道坡陡流急問題由來已久。在175 m試驗性蓄水之前，蘆家河水道的坡陡流急程度較嚴(yán)重，6 000 m3/s左右流量時，天發(fā)碼頭附近400 m范圍內(nèi)比降可達(dá)近0.7‰，最大流速可達(dá)2.8 m/s。

三峽蓄水后，坡陡流急現(xiàn)象有所加劇。原因主要有兩方面：1)蓄水后近壩水道沿程沖刷，但由于不同區(qū)域抗沖能力不同，水道上下游枯水位未能同步下降，表現(xiàn)為下游降幅大而上游降幅小，且隨著蓄水持續(xù)，進(jìn)出口枯水落差趨于變大(圖3)，必然會對坡陡流急段的比降產(chǎn)生影響。沙泓中段的長程比降有所增加，2017年初5 km范圍內(nèi)比降超過了0.2‰，見圖4。2)對于沙泓中段局部而言，175 m試驗性蓄水以后，2014年后隨著天發(fā)碼頭前沿淺槽沖刷，坡陡流急段的局部比降增大，8 000 m3/s流量下，局部比降增大至0.8‰以上(圖5)，最大流速達(dá)到3.26 m/s，2017年來最大流速達(dá)3.5 m/s，較以往有所增加。

圖3 6 000 m3/s流量下陳二口(進(jìn)口)—昌門溪(出口)枯水落差變化

蘆家河河段內(nèi)存在的坡陡流急現(xiàn)象，船舶上行壓力依然較大。根據(jù)2017年初長江航道測量中心對急流段航跡觀測結(jié)果，動力較弱的船舶，上行較為困難。例如華懋1號在毛家花屋坡陡流急段附近水域的最小航速為0.83 m/s，換算時速為3 km/h。部分船舶為通過急流區(qū)而采取的“之”字上行路線，導(dǎo)致偏航，存在較大的安全隱患。

圖4 沙泓中段長程(5 146 m)比降變化

圖5 蘆家河水道沙泓中段局部比降變化

2.1.3砂卵石推移質(zhì)落淤出淺

蘆家河沙泓中段淺區(qū)在毛家花屋一帶枯水期坡陡流急問題十分突出，大流速引起床面卵石沖刷，沖起的卵石在水流稍緩處易落淤形成淺包。

從沙泓中段淺灘形態(tài)來看，以天發(fā)碼頭和三寧化工碼頭交接處為界，分為上下兩段，天發(fā)碼頭前沿為順直淺槽，而三寧化工碼頭前沿為逐漸放寬型淺槽，見圖6。天發(fā)碼頭前沿淺槽近年來逐漸沖刷下切。2004—2012年初，淺槽僅略有沖刷，淺槽下段開始出現(xiàn)5 m等深線。隨后，該淺槽沖刷速度開始加快，2016年初，5 m等深線完全貫通，并出現(xiàn)了深度大于6 m的水深點(diǎn)。沖刷的發(fā)展方向表現(xiàn)為自下而上，這與水動力特征吻合，即天發(fā)碼頭前沿深槽下段是流速最大的區(qū)域，即是沖刷強(qiáng)度最強(qiáng)的部位。

圖6 沙泓中段淺區(qū)

三寧化工碼頭前沿淺槽沖淤不定，淺槽內(nèi)淺包時有時無，時大時小，分析認(rèn)為是卵石推移質(zhì)落淤所致。結(jié)合整個沙泓的水流條件來看，因為上游流速較緩，卵石推移質(zhì)對水流條件極為敏感，不大可能在緩流區(qū)輸移而在急流區(qū)落淤，故卵石來自天發(fā)碼頭上游的可能性極低。因此，估計推移質(zhì)主要來源于天發(fā)碼頭前沿淺槽的沖刷，且淺區(qū)上段的沖刷與下段的落淤均發(fā)生在枯水期流速轉(zhuǎn)急的時段。2013年12月與2014年2月的地形變化證明了這一點(diǎn)，見圖7，隨著天發(fā)碼頭前沿淺槽的逐漸沖刷，三寧化工碼頭前沿淺槽的淺包逐漸長大，近年來，三寧化工碼頭前沿航槽內(nèi)近年來新淤的卵石淺包，擠壓航槽造成航道彎窄，且因水流較急，航行條件較差。

圖7 沙泓中段局部地形變化

蘆家河河段礙航特性由沙泓中段兼具水淺、坡陡、流急問題演變成為毛家花屋窄槽段的坡陡流急與三寧化工碼頭段水淺的新格局。

2.2 航道條件

沙泓中段坡陡流急與水道下游枯水位變化關(guān)系密切，若汛后下游枯水位進(jìn)一步下降，則坡陡流急也將隨之加?。凰疁\問題與水流條件關(guān)系密切，如果急流段流速進(jìn)一步加大，毛家花屋前沿淺槽可能加劇沖刷，三寧化工碼頭前沿淺包的淤積也將隨之加大。綜合來看，本年度枯水期蘆家河水道航道條件仍將較為緊張，水淺、坡陡流急現(xiàn)象仍可能加劇，航道維護(hù)的壓力較大。

3 疏浚思路

考慮到蘆家河水道礙航特性的復(fù)雜性，目前疏浚維護(hù)總體思路宜在兼顧上游水位控制的前提下，通過維護(hù)疏浚，清除三寧化工碼頭前沿淺包，并適當(dāng)預(yù)留淺區(qū)回淤，降低后續(xù)枯水維護(hù)難度，保障蘆家河河段枯水期航道暢通；以緩解坡陡流急段通航安全隱患為目標(biāo)，對毛家花屋航槽右緣一定范圍內(nèi)的亂石堆進(jìn)行清除，適當(dāng)拓寬緩流航槽寬度，改善通航條件。

3.1 兼顧上游水位控制和水淺問題的系統(tǒng)維護(hù)理念

宜昌—大埠街砂卵石河段緊鄰三峽葛洲壩下游，三峽蓄水后隨著河道的大幅沖刷，枯水同流量下水位出現(xiàn)顯著下降。三峽蓄水以來，宜昌站對應(yīng)流量5 600 m3/s下枯水位已累計下降0.67 m，葛洲壩三江下引航道水深問題日益凸顯。2016—2017年度，宜昌5 600 m3/s流量對應(yīng)的水位為38.95 m(吳淞高程)。已經(jīng)無法滿足《三峽后續(xù)工作總體規(guī)劃》中提出的宜昌水位控制目標(biāo)。對此，三峽水庫汛后加大下泄流量，2016—2017、2017—2018年度的枯水期最小流量分別為6 060、6 200 m3/s，對應(yīng)宜昌最低水位分別為39.2、39.5 m，確保了宜昌水位不低于39.0 m，但長遠(yuǎn)來看，宜昌枯水位問題仍將是制約該河段航道條件的關(guān)鍵問題。

三峽蓄水后河床可動性的沿程變化使得河段沖刷沿程呈不均勻變化的特點(diǎn)。砂卵石河段中河寬較窄、床面高凸、河床抗沖能力較強(qiáng)且橫豎向變動很小的部位多為對上游水位起關(guān)鍵控制作用的節(jié)點(diǎn)，尤其是蘆家河強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，對宜昌枯水位起著重要的控制作用。因此，在蘆家河疏浚之前，開展宜昌—昌門溪河道一期整治工程，工程實(shí)施后，雖然河段內(nèi)水位快速下降趨勢受到一定遏制。然而，近年沙泓中段毛家花屋一帶卵石淺灘區(qū)域河道地形出現(xiàn)了明顯的沖刷，對上游枯水位的控制作用產(chǎn)生了威脅。因此，蘆家河水道的治理必須兼顧上游水位的控制。

同時，蘆家河水道也存在局部水深不足等問題。由于本區(qū)域新淤積的砂卵石，造成了淺區(qū)礙航。因此，在制定疏浚方案時，提出兼顧上游水位控制和水淺問題的系統(tǒng)治理理念，主要在一期工程對水位控制作用基礎(chǔ)上，對三寧化工碼頭前沿淺包(非水位控制區(qū)段)進(jìn)行疏浚，在改善水淺問題的同時，不對上游水位造成大的影響。

3.2 坡陡流急與航寬尺度改善相結(jié)合

蘆家河水道沙泓中段毛家花屋附近的坡陡流急，是上下游水位差大和局部地形起伏較大雙重影響所致。對于上下游水位差大的問題，要徹底解決，目前最直接方式有兩種，即抬高下游水位和降低上游水位。現(xiàn)階段相關(guān)研究成果表明，兩種措施均不具備可行性，下游水位抬高難度較大，工程量大且效果不明顯；而通過疏挖降低上游水位的措施涉及復(fù)雜而敏感的外部條件，實(shí)施難度較大。因此，本次疏浚暫不考慮徹底解決上下游水位差大的問題，主要通過解決局部地形起伏較大而引起的坡陡流急問題。因此，對毛家花屋航槽右緣亂石堆進(jìn)行清除，在降低其對坡陡流急影響的同時，適當(dāng)拓寬緩流航槽寬度，改善通航條件，降低安全隱患是有必要的。

3.3 提前疏浚以降低枯水位維護(hù)壓力

從疏浚維護(hù)施工角度來看，水位過低時，本河段枯水期毛家花屋附近滿足3.5 m通航水深要求的航寬在150 m左右，且該區(qū)域水流流速較快，航標(biāo)擺動幅度較大，易造成施工船舶擱淺。另一方面，本河段處于近壩河段，在上游水庫調(diào)度影響下，一旦水位陡降，不僅施工時間、疏浚效果難以保證，也會進(jìn)一步加劇船舶積壓，與通航需求相矛盾。而水位過高時，施工水深若超過12 m，硬臂式抓斗船施工難度較大。因此，建議充分利用姚港水位在航基面上2～7 m的有利時機(jī)滿負(fù)荷施工。2018年擬利用退水前水位較高、施工水域廣闊的有利時機(jī)，提前進(jìn)行疏浚，以緩解枯水期維護(hù)時疏浚與通航的緊張局面，減輕枯水期維護(hù)壓力，再結(jié)合枯水期的實(shí)際航道尺度情況，進(jìn)行應(yīng)急疏浚，在保證枯水期航道尺度的同時，降低了全年度的維護(hù)壓力。

3.4 兼顧施工與通航的分區(qū)分層作業(yè)

考慮枯水期疏浚擠壓航槽，為便于施工與通航的協(xié)調(diào)調(diào)度，施工采用分區(qū)作業(yè)的思路，即將蘆家河水道疏浚區(qū)域分為兩處疏浚區(qū)，先后施工，減小對通航影響。同時考慮到泥沙輸移一般從上至下，若先疏浚下游勢必引起上游泥沙在下游回淤，而橫向開挖又會影響通航，因此，疏浚一般自上而下分條開挖。分條最大寬度不得超過抓斗式挖泥船左右開挖的有效工作半徑，一般為10 m左右?？紤]到抓斗式挖泥船性能，當(dāng)整平區(qū)厚度大于抓斗一次下斗所能開挖的最大厚度時，應(yīng)分層施工；當(dāng)整平區(qū)厚度小于抓斗一次下斗所能開挖的最大厚度時，應(yīng)一層施工。

4 疏浚方案及參數(shù)

4.1 疏浚方案

疏浚方案主要包括兩部分區(qū)域，見圖8。淺包清除區(qū)：對三寧化工碼頭前沿淺包進(jìn)行整體清除，工程挖槽區(qū)長約500 m、寬30～150 m；亂石堆清除區(qū)：對沙泓中段毛家花屋航槽右緣亂石堆進(jìn)行清除，最大清除寬度約50 m、長度約1 000 m，清除區(qū)上段航槽與枯水位控制卡口以斜線銜接，下段以喇叭口形式逐漸拓寬與三寧化工碼頭前沿航槽銜接，由于工程區(qū)水位變化不大，采用平坡設(shè)計。

圖8 蘆家河水道維護(hù)性疏浚平面布置

4.2 疏浚參數(shù)

4.2.1設(shè)計水位

本次疏浚的設(shè)計水位取值主要依據(jù)2008年三峽175 m試驗性蓄水以來最枯水位確定。據(jù)統(tǒng)計，蘆家河水道沙泓中段2008年以來枯水期最低水位在航基面下0.5 m左右。因此，三寧化工碼頭前沿設(shè)計最低通航水位取33.1 m。沙泓中段毛家花屋航槽右緣亂石堆清理區(qū)距離較短，水位變幅不大，設(shè)計最低通航水位取33.2 m。

4.2.2疏浚底高程

本水道2017—2019年航道維護(hù)尺度為3.5 m×100 m×750 m(水深×寬度×彎曲半徑)?？紤]到三寧化工碼頭前沿為落淤型淺區(qū)，淺區(qū)水流挾沙能力較上游河段小是卵石落淤的根本原因。因此，為降低枯水期維護(hù)難度，設(shè)計水深取為航基面下4.5 m，疏浚底高程為29.1 m。毛家花屋附近的坡陡流急區(qū)，水流動力較強(qiáng)，目前處于刷深狀態(tài)，因此設(shè)計水深并未考慮富余，取航基面下4.0 m，底高程為29.7 m。

4.2.3挖槽寬度

淺包清除區(qū)：本年度疏浚著眼于解決水淺問題，清除三寧化工碼頭前沿及枝江上淺區(qū)的淺包。因此，按照最新測圖中的淺包形態(tài)，確定三寧化工碼頭前沿挖槽設(shè)計的寬度為30～150 m，枝江上淺區(qū)挖槽設(shè)計的寬度為20～80 m。

亂石堆進(jìn)行清除區(qū)：毛家花屋坡陡流急段窄槽進(jìn)口目前地形較為穩(wěn)定，形成卡口，考慮到卡口對宜昌枯水位的重要控制作用，為盡可能避免疏浚對卡口產(chǎn)生的不利影響，自卡口下游500 m處開始對航道右緣卵石堆進(jìn)行清除，并以斜線形式逐漸過渡至卡口。坡陡流急下段逐漸展寬，以喇叭口形式逐漸與三寧化工碼頭段連接，平順航槽。

4.2.4超深超寬

根據(jù)《疏浚與吹填工程設(shè)計規(guī)范》[15]，并結(jié)合本區(qū)域施工條件，選擇斗容為4 m3的小型抓斗式挖泥船進(jìn)行疏浚施工，開挖橫斷面計算超深取0.4 m、超寬取4 m。

4.2.5底坡及邊坡

由于疏浚區(qū)域較短，長度一般在1 km以內(nèi)，河床高程降幅較小，因此按平底槽開挖。根據(jù)蘆家河河段河床組成，疏浚區(qū)域為近年新淤積卵石及粗砂礫，開挖邊坡取1:3。

5 疏浚效果分析

5.1 對上下游水位的影響

方案對上下游水位影響見表1。從計算結(jié)果來看，蘆家河水道疏浚工程對水位的影響主要集中于疏浚區(qū)及其上游，且影響幅度越往上游越小，在6 000 m3/s流量下陳二口水位下降了9 mm；對下游姚港及昌門溪的水位幾乎無影響。

表1 Q=6 000 m3/s下疏浚對水位影響

5.2 對流速的影響

蘆家河沙泓中段現(xiàn)狀的表面流速在2.5～3.5 m/s，流速相對較大，船舶上行困難。工程區(qū)流速在1.8～2.0 m/s，但該區(qū)域存在亂石堆，局部通航水深難以滿足要求。對航道右緣一定范圍內(nèi)的亂石堆按設(shè)計水位下3.5 m進(jìn)行清除后，能保證枯水期的通航水深。疏浚工程實(shí)施后，航槽右邊緣疏浚區(qū)表面流速在1.6～1.8 m/s，流速不大于2.6 m/s的航槽寬度最小有100 m，可為船舶上行提供較寬的緩流區(qū)。

5.3 對比降的影響

選取枯水期流量為6 200 m3/s時，對實(shí)測比降進(jìn)行分析，結(jié)果見表2。工程實(shí)施后，蘆家河枯水坡陡流急段枯水比降顯著減小，比降由疏浚前的0.460‰銳減至0.222‰。大比降分散轉(zhuǎn)移至上下游相鄰河段，降低了蘆家河水道坡陡流急程度。

表2 Q=6 200 m3/s下蘆家河枯水比降變化

6 結(jié)論

1)蘆家河水道位于長江中游砂卵石河段中下段，多年來礙航嚴(yán)重，其礙航特性主要包括上游船閘通航對水位的需求、持續(xù)下降的枯水位、局部河道坡陡流急、砂卵石推移質(zhì)落淤出淺以及施工與通航矛盾尖銳等，難以保證分月維護(hù)水深。

2)蘆家河水道近期疏浚宜采用兼顧上游水位控制和水淺問題的系統(tǒng)維護(hù)、坡陡流急與航寬尺度改善相結(jié)合、提前疏浚以降低枯水位維護(hù)壓力、兼顧施工與通航的分區(qū)分層作業(yè)的思路，清除三寧化工碼頭前沿淺包以及沙泓中段毛家花屋航槽右緣亂石堆。

3)本次淺包清除區(qū)疏浚設(shè)計水位為33.1 m，底高程為29.1 m，寬度為30～150 m。亂石堆清除區(qū)設(shè)計水位為33.2 m，底高程為29.7 m。開挖超深取0.4 m，超寬取4 m。兩處均按平底槽開挖，邊坡取1:3。

4)工程實(shí)施后，能保證枯水期的通航水深，對水位影響主要集中于疏浚區(qū)及其上游，6 000 m3/s流量下陳二口水位下降9 mm，對下游姚港及昌門溪水位幾乎無影響。疏浚區(qū)附近流速降低，航槽右邊緣疏浚區(qū)表面流速在1.6～1.8 m/s，流速不大于2.6 m/s的航槽寬度最小有100 m，比降由疏浚前的0.460‰銳減至0.222‰,降低了沙泓中段坡陡流急程度。