朱玉德，李少希，劉鵬飛

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

三峽水庫(kù)蓄水后，上游來(lái)沙大量減少，導(dǎo)致壩下砂卵石河段河床灘槽不均勻沖刷下切。隨著河床沖刷的發(fā)展，沿程水位逐漸下降，河床沖刷與水位下降不同步的變化給航道帶來(lái)了兩方面問(wèn)題：一是枯水位的下降導(dǎo)致船閘下引航道水深難以維持設(shè)計(jì)尺度；二是局部深泓高凸的卵石淺灘段航道條件因?yàn)樗唤德涠掷m(xù)惡化。解決問(wèn)題的關(guān)鍵在于抑制沖刷進(jìn)而控制水位的下降。在護(hù)岸、護(hù)灘工程維持河段邊界穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，為了抑制沖刷、穩(wěn)定航道水位，相關(guān)部門(mén)還實(shí)施了修建潛壩、護(hù)底帶等措施?？傮w而言，護(hù)底帶較潛壩的壅水效果更優(yōu)，且由此帶來(lái)的局部流速、比降增大現(xiàn)象相對(duì)較小[1]。但護(hù)底帶通常修筑于抗沖能力強(qiáng)、橫豎向變動(dòng)小的深水區(qū)，水流條件復(fù)雜，參數(shù)確定較為困難。本文通過(guò)七星臺(tái)深槽部位不同護(hù)底條件下的水位影響研究，為相關(guān)護(hù)底帶布置提供參考。

1 河段概況

長(zhǎng)江中游枝江—江口河段處于三峽工程下游沙卵石河段末端，上游緊鄰蘆家河重點(diǎn)淺灘河段，下游為抗沖性較弱的沙質(zhì)河床，是長(zhǎng)江中游最早受到三峽水庫(kù)蓄水影響的沙卵石河段之一[2]。由于三峽清水沖刷影響，壩下河段水位出現(xiàn)較大幅度下降，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2014年度在三峽下泄流量5 600 m3/s條件下，宜昌水位僅39.17 m，低于控制目標(biāo)39.19 m。同時(shí)由于枝江—江口河段河床質(zhì)差異，沿程沖刷不均勻、水位沿程降幅存在差異，枝江以上水位降幅較小，枝江—七星臺(tái)水位降幅沿程逐漸增大，下游七星臺(tái)—大埠街比降基本保持不變，曹家河—七星臺(tái)段比降增加，5 300 m3/s流量下曹家河—七星臺(tái)段2008、2010年比降分別增至1.1、1.4；加之三峽蓄水后柳條洲灘體面積急劇萎縮、灘體下移，灘形變狹長(zhǎng)，吳家渡邊灘沖刷，柳條洲—吳家渡邊灘過(guò)渡段水淺、流急，航道條件惡化[3]。下游曹家河—七星臺(tái)一帶已成為控制上游水位下降的節(jié)點(diǎn)，若該處節(jié)點(diǎn)不控制，水位下降變化持續(xù)發(fā)展，將無(wú)法實(shí)現(xiàn)本河段規(guī)劃航道尺度。為了抑制該區(qū)域河床持續(xù)沖刷、維持枝江以上河段水位的穩(wěn)定，減少枝江以下水位的降幅，避免河床持續(xù)沖刷形成集中落差，荊江河段航道整治工程中，在七星臺(tái)深槽部位實(shí)施3道護(hù)底帶工程(圖1)。

圖1 七星臺(tái)護(hù)底帶平面布置

2 模型設(shè)計(jì)

2.1 模型設(shè)計(jì)及率定

1)為準(zhǔn)確分析不同護(hù)底條件對(duì)水位變化的敏感性，模型采用幾何比尺較小的正態(tài)模型。研究河段河寬約1 500 m。選擇比尺為100的全河寬正態(tài)模型試驗(yàn)場(chǎng)地，供水等條件較為困難，因此，采用大區(qū)域半江模型以克服模型建立中場(chǎng)地、供水等的限制。但選取的模型研究寬度須遠(yuǎn)大于工程引起的流速變化區(qū)域，并確保選取區(qū)域內(nèi)水流大小和方向的相似。據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算，工程后右側(cè)護(hù)底頭部流速受工程影響區(qū)域不大于120 m，由此確定模型范圍橫向左側(cè)至七星臺(tái)深槽左岸、右側(cè)至吳家渡邊灘灘脊處，共0.7 km寬區(qū)域；縱向上至董家灣、下至阮家灣區(qū)域[4-6]。模型滿足如下相似關(guān)系:

(1)

(2)

(3)

式中：λl為水平比尺；λh為垂直比尺；λv為流速比尺；λQ為流量比尺;λn為阻力比尺。

2)模型為半江模型，左側(cè)按天然河岸地形控制水流流向；右側(cè)為一個(gè)流切面，根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算流線方向、設(shè)置動(dòng)邊界以控制各流量下模型流速方向，模型地形按實(shí)際地形模擬。試驗(yàn)前據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算的模型進(jìn)口流量、斷面流速分布、水位及邊界條件對(duì)模型進(jìn)行率定，率定流量分別為5 300、8 750、12 500、35 000 m3/s；通過(guò)進(jìn)口及邊緣活動(dòng)邊界調(diào)整模型水流大小及流向，使局部正態(tài)模型與數(shù)學(xué)模型提供的水位、流速等能夠相似，滿足試驗(yàn)要求。

2.2 試驗(yàn)水文條件、試驗(yàn)方案

依托七星臺(tái)深槽護(hù)底初步方案開(kāi)展護(hù)底帶水位影響多組試驗(yàn)研究，見(jiàn)表1。試驗(yàn)選擇對(duì)河段最常出現(xiàn)、較不利的水動(dòng)力條件，包括：三峽蓄水后常出現(xiàn)的洪水流量35 000 m3/s、三峽蓄水后多年平均流量12 500 m3/s、整治流量8 750 m3/s、設(shè)計(jì)流量5 300 m3/s。

表1 試驗(yàn)方案

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 護(hù)底帶不同間距對(duì)水位影響

不同流量下護(hù)底帶間距變化與水位關(guān)系見(jiàn)圖2，分析可知：

1)流量、壓載厚度一定，護(hù)底帶壅水效果隨間距增加而增加，當(dāng)護(hù)底帶間距達(dá)到某一距離時(shí)，護(hù)底帶上游水位壅高達(dá)到最大；若護(hù)底帶間距進(jìn)一步增加，其壅水效果開(kāi)始減弱。流量5 300 m3/s、壓載2 m條件下，當(dāng)護(hù)底間距100 m時(shí)，工程上游最大壅水7.0 cm，約300 m時(shí)工程上游最大壅水8.2 cm，間距500 m時(shí)上游最大壅水6.1 cm。

2)壓載厚度一定、護(hù)底帶阻水面積不變條件下，隨著流量增加，護(hù)底帶壅水效果最佳時(shí)的護(hù)底間距也逐漸增大；當(dāng)來(lái)水超過(guò)某一流量級(jí)時(shí)，護(hù)底帶壅水效果逐漸減弱，護(hù)底帶間距的調(diào)整對(duì)壅水的作用已不明顯。

3)壓載厚度一定，護(hù)底上游的壅水高度隨著流量的增大而減小。小流量時(shí)護(hù)底帶淹沒(méi)深度小，對(duì)縱向水面線的影響要大；大流量時(shí)護(hù)底帶淹沒(méi)深度大，對(duì)縱向水面線的影響略小。

圖2 護(hù)底帶間距與水位關(guān)系

3.2 護(hù)底帶不同壓載厚度對(duì)水位的影響

與平整床面相比，護(hù)底帶人為造成了河床床面凸起，使得相同流量與相同出口水位的水面線抬高，工程區(qū)發(fā)生壅水；水流越過(guò)工程區(qū)后，過(guò)水?dāng)嗝鏀U(kuò)大，水位跌落，距離最后一條護(hù)底帶下游約200 m左右水位降至最低，之后逐漸恢復(fù)。流量相同、護(hù)底間距一定的條件下，護(hù)底是否壓載及壓載厚度對(duì)工程區(qū)水位產(chǎn)生明顯影響，壓載體厚的護(hù)底帶沿程水面線變化幅度要明顯大于壓載體薄的護(hù)底，同一流量不同壓載厚度下護(hù)底帶對(duì)縱向水面線影響趨勢(shì)基本相似，但壓載較厚的護(hù)底更容易導(dǎo)致深槽航道流態(tài)趨差，對(duì)航行安全帶來(lái)影響。由圖3可知，5 300 m3/s流量下，壓載厚度為3 m時(shí)，工程區(qū)域最大壅水高度達(dá)10 cm；壓載厚度為2 m時(shí)，工程區(qū)域最大壅水高度為8 cm。

圖3 流量5 300 m3/s護(hù)底不同壓載厚度下工程區(qū)域水面線變化

3.3 護(hù)底帶最佳間距

護(hù)底帶不同間距、不同壓載厚度的試驗(yàn)表明：護(hù)底帶對(duì)上游水位的影響與護(hù)底帶間距、護(hù)底帶阻水面積、來(lái)流量等有關(guān)；同一流量情況下，隨護(hù)底帶壓載厚度的增加，護(hù)底帶壅水效果最佳間距也逐漸增大。圖4表明：七星臺(tái)深槽護(hù)底在壓載厚度為2 m、設(shè)計(jì)流量下(5 300 m3/s)護(hù)底帶平面間距應(yīng)優(yōu)化至300～340 m較為合理。

圖4 流量5 300 m3/m下護(hù)底帶間距、高度變化與水位關(guān)系

(4)

式中：L為最佳護(hù)間距；v0為建前流速。

通過(guò)式(4)計(jì)算得到：江口七星臺(tái)深槽護(hù)底帶設(shè)計(jì)護(hù)底帶壓載厚度2 m條件下最優(yōu)間距為325 m。

4 護(hù)底帶對(duì)水位下降溯源傳遞的影響

護(hù)底帶對(duì)下游水位降落敏感性研究以護(hù)底帶排上拋石壓載2 m、間距為325 m方案為基礎(chǔ)，模擬下游水位降落0.3、0.5、1、1.5 m條件下有、無(wú)護(hù)底帶沿程水位變化情況，見(jiàn)圖5。研究表明：

1)相同流量、無(wú)護(hù)底條件下，若下游水位降落，則七星臺(tái)深槽沿程水位普遍降落，且沿程降落幅度基本一致；護(hù)底工程實(shí)施后若下游水位降落相同值，則工程區(qū)及上游沿程水位降落幅度明顯減小。5 300 m3/s流量、下游水位分別降落0.3、0.5、1.0、1.5 m時(shí)，無(wú)護(hù)底條件下試驗(yàn)段上邊界水位分別降落0.29、0.48、0.95、1.45 m，而護(hù)底后試驗(yàn)段上邊界水位分別降落0.252、0.427、0.889、1.377 m；12 500 m3/s流量、下游水位降落條件下，有、無(wú)護(hù)底時(shí)沿程水位變化趨勢(shì)與5 300 m3/s流量下基本一致。據(jù)此可知，護(hù)底帶對(duì)下游水位降低向上游傳遞具有明顯減弱效果。

2)相同流量不同出口水位條件下，同一床面凸起高度抬升水位的幅度不同。出口控制水位越低、水深越小，水位抬升幅度越大，且水位抬升幅度隨出口控制水位的變化存在突變。不同流量條件下，相同出口水位時(shí)床面凸起使得水位抬升的幅度不同，流量越大，則抬升幅度越大，且不同流量下水位抬升幅度隨出口控制水位的變化轉(zhuǎn)折點(diǎn)也不同。由上述分析可知，護(hù)底帶工程的影響，產(chǎn)生了形態(tài)阻力，從而增大糙率，引起水面線的變化。

3)河床凸起也會(huì)影響到出口水位下降的溯源傳遞特性。同理可以分析，相同的流量和出口水位下，床面凸起較床面平整溯源傳遞的范圍應(yīng)該要小，且相同水位測(cè)站的水位降幅減小。換句話說(shuō)，河床凸起本身將使上游水位受下游出口水位下降的影響程度變小，河床凸起抑制了下游侵蝕基準(zhǔn)面降低的溯源傳遞，包括傳遞范圍和幅度。

圖5 下游水位不同降落幅度時(shí)工程區(qū)沿程水位變化

5 結(jié)論

1)采用局部正態(tài)模型，依托七星臺(tái)深槽護(hù)底初步方案，通過(guò)研究護(hù)底帶壅水效果與間距、高度的關(guān)系，提出了條形深水護(hù)底帶壅水的影響規(guī)律。

3)護(hù)底帶對(duì)水位下降溯源傳遞的影響研究表明：護(hù)底對(duì)下游水位降低向上游傳遞具有明顯減

弱效果，原因是由于護(hù)底增加了河床形態(tài)阻力、河床糙率，從而引起水面線的不均勻變化，即人為的河床凸起改變了自然水位下降的溯源傳遞特性；另一方面護(hù)底能較好地抑制河床沖刷下切，兩方面的綜合作用使護(hù)底成為維持河段水位穩(wěn)定、減少水位降幅、避免形成集中比降的有效措施。