陳一波 王舒濤
摘 要:瀾滄江244界碑至臨滄港四級航道建設(shè)工程以曼廳大沙壩河段航道整治為依托,針對三道拐河段航道整治方案進(jìn)行研究,分析了三道拐河段灘險成因及礙航特性,并通過物理模型試驗,重點對比不同方案實施后的整治效果,同時結(jié)合整體模型試驗,推薦最優(yōu)方案,為后續(xù)航道整治方案確定提供支撐,對今后類似復(fù)雜灘險航道整治具有一定的借鑒作用。
關(guān)鍵詞:模型試驗;復(fù)雜灘險;航道整治
中圖分類號:U617 ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A ? ? ? ? ? ?文章編號:1006—7973(2020)07-0112-03
瀾滄江-湄公河是亞洲唯一一條連接六國的國際河流,是連接中國—東盟自由貿(mào)易區(qū)的橋梁和紐帶,素有“東方多瑙河”之稱。隨著瀾湄合作、西部大開發(fā)戰(zhàn)略的深入實施和人民生活水平的不斷提高,對水路客、貨運的需求越來越大,2.0m×40m×300m(航深×航寬×彎曲半徑,下同)五級航道標(biāo)準(zhǔn)已不能滿足航運的需求,進(jìn)一步提升航道尺度是十分必要和迫切[1]。由于三道拐河段灘險兼有“彎、險、窄、急”等礙航特征,且水流條件十分復(fù)雜,整治難度較大[2],本文擬以瀾滄江四級航道建設(shè)工程物理模型研究為依托,針對三道拐河段航道整治方案進(jìn)行研究,為后續(xù)工程設(shè)計及類似復(fù)雜灘險航道整治提供借鑒。
1 灘險概況
三道拐河段位于景洪下游約39.0km,該河段灘險密集??菟趶澋兰绷麟U灘,灘險上游緊鄰曼廳大沙壩出口,下游200m緊鄰曼丙灘險。由三個連續(xù)的彎曲灘段組成,平面上呈“S”型,灘險進(jìn)口河窄,向下在第一彎曲段內(nèi)放寬,然后束窄成卡口,過卡口后逐漸放寬至第二個彎段,河道放寬,再向下,河道再次束窄成卡口,過卡口后進(jìn)入第三個彎段,江面放寬。
1991年至1996年曾對三道拐進(jìn)行切嘴、清障為主的整治施工,清除了第一、第二道彎道中岸線突出的巖盤,清除了江中大巖盤的上部分及江中部分明暗礁石。在瀾滄江五級航道一期工程中,針對灘險枯水期航槽彎曲、中洪水流態(tài)紊亂的礙航問題,采取對航槽淺區(qū)進(jìn)行清障開槽,布置了#1、#2、#3三個清障區(qū),清除航槽淺區(qū)礁石、石盤,疏浚淺區(qū)至設(shè)計航深,同時為促進(jìn)凸岸新開航槽的穩(wěn)定性,在一道拐修建#1~#3丁壩群和出口#4丁壩,在二道拐適當(dāng)將航槽右移,擴(kuò)寬航槽,并增加彎曲半徑,在彎頂上修筑#6、#7丁壩[3]。
2 礙航特性分析
三道拐灘由一拐、二拐、三拐等三個連續(xù)反向彎道組成。一拐灘位于勐罕渡口下游約10.0km,中、枯水分汊,河中縱臥礁石江心洲,高程大多+2.0m左右,最高點約+3.0m。左槽蜿蜒曲折,水流雜亂,為2007年前主航道;2007年開辟右槽,航槽微彎,流速較大。一拐洲頭分流區(qū)左向橫流較強,洲尾匯流區(qū)流態(tài)紊亂。該灘右側(cè)彎曲半徑、航寬不足。二拐灘位于勐罕渡口下游約10.6km,一拐下游約600m。二拐為彎曲河道,左側(cè)為寬大的礁石邊灘,灘面礁石雜亂,高低不平,高程+2.0~+10.0m不等,僅在大洪水時全部過流;右側(cè)為一大片回流區(qū),彎頂及其下游已建有2條丁壩,高程約+0.0m。二拐中枯水水流掃彎水強烈,流線與航槽極不適應(yīng),丁壩上、下流態(tài)紊亂,泡漩洶涌,另彎曲半徑不足,為基巖彎險灘。三拐灘位于勐罕渡口下游約11.0km,二拐下游約400m。三拐河中縱臥孤礁江心洲,頂部較高,最高點達(dá)+8.0m。左槽蜿蜒曲折,進(jìn)出口不順且水流雜亂,為現(xiàn)有主航槽;右槽順直,但河槽狹窄,現(xiàn)擬開辟為主航槽。三拐右側(cè)順直,但航寬、航深不足,為基巖窄險灘。
3 物理模型
根據(jù)模型場地以及試驗相關(guān)要求,確定模型范圍為勐罕~鬼門關(guān)。模型進(jìn)口于景洪大壩下游約30.59km(勐罕渡口上游約1.65km),出口于景洪大壩下游約46.78km(鬼門關(guān)下游約0.7km),全長枯水河道里程16.189km。按平面比尺1:120計算,模型全長134.9m,進(jìn)口具有17m(原型約2km),出口具有6m(原型約700m)的調(diào)節(jié)段,符合相關(guān)要求。
模型采用平面比尺=120、垂直比尺=60、變率=2的變態(tài)模型。根據(jù)河工模型相似基本準(zhǔn)則,需滿足幾何、重力、阻力以及連續(xù)等相似條件,由此可得如下相似比尺:
平面比尺:λL=120
垂直比尺:λH=60
變率:η=2
流速比尺:λV=7.746
水流時間比尺:λt=15.49
流量比尺:λQ=55771
糙率比尺:λn=1.4(采用曼寧糙率公式)
河段枯水主槽最淺處位于曼哈洲尾淺區(qū),設(shè)計流量時深弘水深約1.9m,模型水深3.2cm,符合避免表面張力影響對模型最小水深1.5cm的要求。該處枯水主槽流速不小于2.0m/s(模型0.26m/s),模型水流雷諾數(shù)ReM=52000,遠(yuǎn)大于模型水流進(jìn)入紊流狀態(tài)(雷諾數(shù)1000)的要求。
模型主要進(jìn)行枯水、中水的水面線、大斷面橫向和垂向流速分布以及浮標(biāo)流向等內(nèi)容的驗證。經(jīng)對模型的水位、大斷面流速及浮標(biāo)流向、流態(tài)的驗證,其結(jié)果滿足定床河工模型的相似性要求。[2]
4 方案優(yōu)化試驗
本文主要針對S5、S4壩方案進(jìn)行優(yōu)化試驗。
(1)布置一拐、二拐、三拐共3個炸礁區(qū),根據(jù)下游方案試驗結(jié)果,同時考慮到本段炸礁可能引起的水面降落,炸深分別取3.5m、3.0m、3.2m。
(2)布置S1~S5共5條整治建筑物,頂部高程均為+0.0m,S1、S5洲頭壩主要優(yōu)化其長度,S2、S3丁壩主要優(yōu)化其壩頭位置,S4壩分為潛壩和丁壩兩種工況。
4.1 S5洲頭壩的優(yōu)化
修筑S5洲頭壩的主要目的是改善洲頭橫流,壅高上游水位,盡量減小開挖引起的水位降落。試驗方案基礎(chǔ)為一拐、二拐、三拐共3個炸礁區(qū)+S5洲頭壩,試驗Q=800m3/s。
表1是S5洲頭壩長度對水力參數(shù)的影響試驗結(jié)果??梢钥闯觯?/p>
(1)三道拐炸礁對水位的影響十分顯著,一拐、二拐、三拐最大分別降落了0.76m、0.50m、0.65m(含下游工程的影響)。
(2)洲頭壩對抬高上游水位的作用非常明顯,在無壩的基礎(chǔ)上,三種壩長可分別抬升三拐水位0.38m、0.24m、0.15m;對二拐也有作用,可分別抬升0.25m、0.16m、0.10m;對一拐影響不大。
(3)洲頭壩明顯增加了右側(cè)航槽的分流量,流速增加較大,三種壩長最大流速達(dá)到了4.72、4.35、4.07m/s,除壩長27m工況外,其余上灘指標(biāo)均超標(biāo)。
(4)S5洲頭壩對減小洲頭橫流效果明顯。因此,綜合考慮,壩長27m的工況基本可行。
4.2 ?S4壩的優(yōu)化
已建5#、6#壩區(qū)域水流紊亂,掃彎水強烈,在二拐炸礁區(qū)末端出現(xiàn)局部滯留區(qū),泥沙有可能落淤,修建S4壩(原6#壩延長)以期調(diào)整流速分布,同時壅高水位、改善流態(tài)。試驗方案基礎(chǔ)為一拐、二拐、三拐共3個炸礁區(qū)+S5洲頭壩(長度27m),試驗Q=800m3/s。
試驗擬定了兩個工況,丁壩:原6#壩延長33m,壩頭高程+0.0m,距航槽邊22m;潛壩:原6#壩延長線上,高程-4.0m,壩頭靠近航槽邊。圖2是 S4壩局部流場的影響,可以看出,丁壩可縮小滯留區(qū),而潛壩作用微弱,不過可壅高上游水位0.05~0.07m,改善局部流態(tài),其中丁壩可能對通航有一定影響。
5 結(jié)論
綜合考慮整治效果和相互影響,提出兩個方案:
(1)一拐、二拐、三拐炸礁+S5洲頭壩(長27m)+S4潛壩,壩頂高程均為+0.0m。
(2)一拐、二拐、三拐炸礁+S5潛壩(頂高程-3.0)+S4潛壩+S2、S3壩+S1洲頭壩(長46m),壩頂高程均為+0.0m。
通過物理模型試驗,從最大流速、比降與工程前相比的最大水位變化來看,兩方案均能改善三道拐灘河段航道條件,使該河段的航道尺度達(dá)到規(guī)劃目標(biāo)。通過“局部和整體優(yōu)化相結(jié)合”的方法進(jìn)行試驗,首先獲得單灘相對可行的初步方案或初步認(rèn)識,再將各灘基本可行的方案組合形成整體方案進(jìn)行整體測試優(yōu)化,最終確定推薦采用方案一作為三道拐航道整治的實施方案。
參考文獻(xiàn):
[1]長江重慶航運工程勘察設(shè)計院.瀾滄江244界碑至臨滄港四級航道建設(shè)工程施工圖設(shè)計[R].2016.12.
[2]重慶交通大學(xué).瀾滄江244界碑至臨滄港四級航道建設(shè)工程曼廳大沙壩河段物理模型試驗研究報告(定床部分)[R].2017.3.
[3]庹瑤. 瀾滄江三道拐河段航道整治模型試驗研究[J]. 重慶交通學(xué)院學(xué)報, 1999, 18(2): 109-113.