閆 霞, 姚仕明，夏 煒，周銀軍，李志晶

(1.長江科學(xué)院 河流研究所，武漢 430010；2.長江航道局 疏浚養(yǎng)護處，武漢 430010)

1 研究背景

三峽工程蓄水運用改善了庫區(qū)航道條件，其中變動回水區(qū)下段涪陵至重慶段航道等級提高到Ⅱ級，最小維護水深3.5 m，上段重慶至江津航道等級為Ⅲ級，最小維護水深2.9 m[1]。但由于消落期變動回水區(qū)水位快速降低，部分河段出現(xiàn)暫時性淤積引起航深不足[2]，加之庫區(qū)泥沙淤積趨勢不可避免，因此，除開展重點淺灘的航道整治工程外，實施維護性疏浚是應(yīng)對三峽175 m蓄水期由于泥沙淤積造成的庫區(qū)航道礙航問題，保障消落期航道暢通的有效措施。自2010年開始，三峽庫區(qū)已經(jīng)陸續(xù)開展了多項維護性疏浚工程[1,3-5]，主要根據(jù)當(dāng)年通航條件監(jiān)測及調(diào)研情況，對變動回水區(qū)重點礙航水道實施維護性疏浚，保障當(dāng)年消落期重點水道航道暢通。

圖1 窎魚嘴淺灘示意圖及疏浚區(qū)位置Fig.1 Schematic diagram of Diaoyuzui shoal and its dredging scheme

窎魚嘴淺灘位于長江上游三峽變動回水區(qū)上段，是長江上游常見的彎曲分汊型水道，天然情況下，河段年內(nèi)處于“汛淤枯沖”演變過程中。三峽水庫試驗性蓄水后，河段位于水庫變動回水區(qū)上段，受水庫汛末蓄水影響，河道水位抬高，汛后沖刷不暢，泥沙逐漸落淤，水庫蓄水以來主要通過調(diào)整航標來保障最小航道尺度。近期由于窎魚嘴淺磧持續(xù)淤積擴張，右側(cè)水道航槽彎曲半徑和航寬進一步減小，為防止通航條件持續(xù)惡化，2018年汛后首次在窎魚嘴淺灘實施了維護性疏浚工程，本文通過對窎魚嘴淺灘疏浚工作技術(shù)后評估，分析疏浚工作的合理性、適應(yīng)性、可持續(xù)性等，為河段今后維護疏浚工作及上游類似航道維護性疏浚工作提供技術(shù)參考。

2 河段概況及礙航特性

窎魚嘴灘段緊鄰長江上游魚洞水道，河道平面彎曲狹窄(圖1)，凸咀、石梁、暗礁、深潭密布，水勢復(fù)雜，流態(tài)紊亂。左岸從上至下依次分布有洪漫磧、小筏子石石梁、香爐石石梁、窎鉤磧、銅盆磧大型邊灘，右岸依次分布有雞翅磧、周家磧、梅家梁、蝦子梁，其中蝦子梁長約1 500 m，又分小二口、大二口石梁縱臥江中。水流主流從魚洞長江大橋流出后，受兩側(cè)淺磧挾持居江心下行，過小筏子石之后分為左右兩汊，右汊偏向右岸深槽，過彎頂后集中在蝦子梁礁石群，左汊貼左岸下行，在銅盆磧頭部轉(zhuǎn)向右側(cè)，與右汊匯合，右汊為主汊。

根據(jù)兩汊通航條件，當(dāng)?shù)厮?.5 m(航行基面，下同)以下時，上水船舶抱窎魚嘴淺磧右緣緩流區(qū)上行；當(dāng)?shù)厮?.5 m以上時，上行船舶則抱淺磧左緣上行，在香爐石過渡至河心偏南岸上行。受彎道及蝦子梁限制，該河段下水船舶轉(zhuǎn)向困難，尤其是當(dāng)?shù)厮煌酥?.5 m以下魚洞石露出時，下水船操作更為困難。曾發(fā)生過上行船在窎鉤磧擱淺、下行船在蝦子梁觸礁事故。

該河段在三峽175 m蓄水期，為庫區(qū)河段，蓄水期水深條件有所改善，但消落期需要調(diào)整航標來保障航道最小維護尺度。河段目前航道等級為Ⅲ級，最小航道維護尺度為2.9 m×50 m×560 m(航深×航寬×彎曲半徑，下同)，通航保證率為98%。其中年內(nèi)12月至次年4月執(zhí)行2.9 m×50 m×560 m的維護尺度，5月份和11月份執(zhí)行3.2 m×60 m×600 m的維護尺度，6月份和10月份執(zhí)行3.5 m×60 m×600 m的維護尺度，7—9月份執(zhí)行3.7 m×80 m×700 m的維護尺度。

3 疏浚維護方案及施工過程

窎魚嘴淺灘河段具有急、彎、險的特點，且近年來窎魚嘴淺區(qū)磧翅及磧尾年際間呈現(xiàn)緩慢淤積趨勢。窎魚嘴淺區(qū)在磧尾和上下游深槽過渡段汛期均存在一定的淤積，淤積幅度在0.3～1.0 m之間。根據(jù)2018年8月份測圖，3 m線(水深線)已深入航槽30余米。鑒于此，2018年9月長江重慶航運工程勘察設(shè)計院編制了《2018年度長江航道疏浚維護(合江門至豐都段)窎魚嘴淺灘單項設(shè)計》[6]，根據(jù)設(shè)計方案，對窎魚嘴淺磧右側(cè)磧翅至磧尾進行疏浚開挖，初定疏?；€長743 m(圖1)，相對順直段疏?；€基本平行設(shè)計航槽布置，以設(shè)計航槽邊線外10 m控制；下游末端入口處為喇叭口型，以設(shè)計航槽邊線外20 m控制。拋泥區(qū)為疏浚區(qū)下游6 km的長江右岸馬尾磧(上游航道里程685.5 km處)。窎魚嘴淺灘疏浚方案典型斷面圖,如圖2所示?？紤]與周邊地形平順銜接，拋泥頂高程基本控制為165 m，約為設(shè)計水位下3.0 m。

圖2 窎魚嘴淺灘疏浚方案典型斷面Fig.2 Profile of dredging scheme of Diaoyuzui shoal

工程施工時間為2018年10月21日—12月11日，機具為4 m3抓斗挖泥船。工程實施過程中，對拋泥區(qū)位置和施工工程量進行了變更。拋泥區(qū)變更為滑石灘水域，并取消了K0+520至末端約223 m長的改善性疏浚區(qū)施工。工程量變更主要原因有兩點：一是該范圍必須禁航施工，且時間較長，但由于航道彎曲狹窄，無法解決下行船舶調(diào)頭作業(yè)區(qū)域和等讓區(qū)選定問題；二是河段馬上進入禁漁期，地方漁業(yè)管理部門禁止開展疏浚作業(yè)。因此，取消了下半段的疏浚工程。

4 疏浚維護工程分析及評價

4.1 設(shè)計方案適應(yīng)性分析

4.1.1 與河床演變規(guī)律的適應(yīng)性

長江上游的彎曲型航道，自然情況下年內(nèi)淺灘演變規(guī)律為“洪淤枯沖”，深槽演變規(guī)律為“洪沖枯淤”。由于三峽工程汛期及汛末防洪調(diào)度和提前蓄水，壓縮了變動回水區(qū)河段汛后退水沖刷時間和力度，引起泥沙累積性淤積，呈現(xiàn)出“淤灘沖槽”的演變趨勢[7]。

2007—2018年窎魚嘴淺區(qū)3 m等深線(圖3)呈持續(xù)擴展趨勢，其中2007年3月至2014年3月，頭部沖刷后退、尾部淤積后延，整體寬度及長度均有所增加；2014年3月至2018年3月，淺磧右緣向河心淤展明顯，淤展寬度約10～22 m，磧尾向下游延伸約30 m，至2018年8月，淺磧尾部繼續(xù)淤積外延，擠壓右側(cè)航槽，使航線更加彎曲。同時淺磧磧腦位置2007—2014年基本保持穩(wěn)定，左汊入口滿足3 m水深寬度約95～120 m，但2014年—2018年3月淤積明顯，出現(xiàn)淺梗，左汊入口3 m等深線斷開，最淺點水深1.2 m，較2014年同期淤高約2.2 m(圖4)。河段內(nèi)除淺區(qū)持續(xù)淤積外，右側(cè)深槽呈持續(xù)沖刷下切趨勢，2014—2018年，深坑平均高程降低約15 m，導(dǎo)致右岸汊道吸流增強，主流右移，進一步加劇了江心淺磧的淤積展寬。

圖3 淺灘3 m等深線變化Fig.3 Variation of the shoal’s 3 m isobath

圖4 2014—2018年淺灘沖淤分布Fig.4 Sediment distribution from 2014 to 2018

綜上，由于窎魚嘴淺灘存在持續(xù)淤積擴展趨勢，一方面擠壓右側(cè)航槽，導(dǎo)致航寬及彎曲半徑不足，另一方面影響左側(cè)航槽的進流條件，導(dǎo)致進口處淤積出淺。加之下游深槽的持續(xù)沖刷下切有可能進一步加劇航道的惡化，若不及時維護，可能會導(dǎo)致枯水期航道尺度不足。

4.1.2 與年度水沙輸移趨勢的適應(yīng)性

受三峽水庫蓄水影響，變動回水區(qū)水位每年的10月中旬至次年4月上旬水位抬高，其他月份恢復(fù)天然徑流狀態(tài)。2018年汛期寸灘站共出現(xiàn)6次洪峰過程(圖5)[6]，洪峰陡升陡降，持續(xù)時間短，峰值較大，年內(nèi)流量、水位基本同步。最大洪峰出現(xiàn)在7月中旬，達到57 100 m3/s，此時三峽水庫實施防洪調(diào)度，抬高水位，壩前平均水位達150.8 m，比汛限水位高5.8 m，汛期最高水位為156.76 m(7月21日)，壩前蓄水高水位與上游洪峰來流結(jié)合，上游輸移泥沙可能會有大部分落淤到庫區(qū)；主汛期8月三峽水庫持續(xù)實施防洪調(diào)度，壩前水位較高，月平均水位達152.4 m，比汛限水位高7.4 m，9月上旬三峽水庫進行175 m試驗性蓄水，至10月31日水庫壩前水位達到175 m，累積水位上升22 m，均不利于泥沙沖刷。

圖5 寸灘站2018年6—8月流量水位變化過程線[6]Fig.5 Process lines of flow rate and water level at Cuntan Station from June to August, 2018[6]

根據(jù)淺灘“洪淤枯沖”的規(guī)律，2018年汛期洪峰流量大持續(xù)時間長，導(dǎo)致大量泥沙落淤在淺區(qū)，而汛后三峽水庫的防洪調(diào)度和試驗性蓄水，又不利用泥沙沖刷下移。因此，從年度水情考慮，枯水期淺區(qū)航道條件趨于惡劣，需提前考慮維護疏浚工作。

4.2 施工時機合理性分析

4.2.1 疏浚時機合理性

長江上游航道航槽普遍較窄，通航密度大，過往船舶密集，施工與通航矛盾突出，因此施工時段需避免選取在水位較低的時間，以緩解施工與通航的矛盾[8]。對于變動回水區(qū)河段，利用汛后三峽水庫蓄水水位抬高時施工即可保障施工水位和通航要求，10—12月份窎魚嘴灘段逐漸受三峽蓄水頂托，成為庫區(qū)河段，此時上游來流減小、流速減緩，可確保施工和通航安全。

此外，汛后施工避開了泥沙落淤時間，充分利用了汛末水流的自然沖刷能力，可以達到“事半功倍”的效果。

4.2.2 設(shè)計變更的合理性

窎魚嘴淺灘單項設(shè)計報告于2018年9月完成，設(shè)計及施工圖采用2018年8月實測航道測圖，10月下旬工程施工。長江上游典型的“洪淤枯沖”特性導(dǎo)致洪水期泥沙在淺灘段落淤，但一般情況下汛后大部分落淤泥沙會被沖刷帶往下游。利用汛期河道地形進行疏浚設(shè)計，可能會增加設(shè)計的工程量。由于航道疏浚項目市場化對設(shè)計、施工、監(jiān)理等各環(huán)節(jié)的要求，疏浚方案的設(shè)計時間較施工時間均會提前，因此，需要在施工過程中進行動態(tài)管理，及時對疏浚方案及施工組織設(shè)計進行相應(yīng)必要的調(diào)整和變更，以適應(yīng)外部條件的要求。

在窎魚嘴淺灘維護性疏浚施工過程中，對疏浚部位和疏浚工程量均進行了變更，一方面充分考慮了河段通航、禁采期等管理要求；另一方面通過對河道水下地形的觀測確定能夠滿足枯水期航道維護尺度。盡管設(shè)計變更后并沒有影響疏浚效果，但在之后的工程中應(yīng)充分考慮施工中可能遇到的問題，如禁航施工所需要的船舶停泊等候區(qū)域，施工面臨的環(huán)境保護、魚類保護等要求，提前謀劃，統(tǒng)籌推進。

4.3 航道可持續(xù)性分析

目前，三峽水庫蓄水已經(jīng)15 a，經(jīng)過了139 m蓄水、156 m蓄水及175 m試驗性蓄水3個階段，進入175 m試驗性蓄水階段后，汛末蓄水時間提前、水庫高水位運行歷時延長都會增大水庫泥沙淤積[9]。庫尾河段走沙能力主要受入庫流量、含沙量、壩前水位等方面因素共同影響[10]，整體來看，變動回水區(qū)河段累積性淤積發(fā)展較緩，試驗性蓄水以來，工程所處的變動回水區(qū)上段航道年內(nèi)沖淤過程主要表現(xiàn)為：汛期與天然情況一致，汛后泥沙先沖(未受蓄水影響)后淤(受蓄水影響)，蓄水期基本穩(wěn)定，消落期沖刷。隨著消落期壩前水位逐漸消落，水庫自上而下逐漸進入天然航道，水動力條件逐漸加強，泥沙逐漸開始沖刷下移，河段主要表現(xiàn)為沖刷，此時如果長江上游來流不大，淤積泥沙沖刷不完全，挖槽回淤，影響維護疏浚工程的實施效果，造成航道尺度不足。

此外，窎魚嘴淺區(qū)位于彎道凸岸，天然情況下，彎道演變遵循凸岸淤積，凹岸沖刷的規(guī)律，即窎魚嘴邊灘存在持續(xù)淤長的趨勢。而上游水庫群的梯級調(diào)度和三峽水庫汛期提前蓄水等[11-13]，將進一步改變庫區(qū)水沙情勢，河段下游大沙壩的采砂活動[14]也將導(dǎo)致河床邊界條件產(chǎn)生變化，以上因素均會導(dǎo)致航槽不穩(wěn)。此次維護性疏浚工程并未改變河段的水沙條件和邊界條件，因此，仍需對該區(qū)域加強觀測和分析，尤其是汛后沖刷期河道沖淤的觀測，以便及時制定維護疏浚方案，確保航道維護尺度。必要時結(jié)合航道整治措施，修建航道整治建筑物，強化束水攻沙力度，減少泥沙回淤，維護航槽的穩(wěn)定[15]。

5 結(jié)論及討論

(1)窎魚嘴淺灘近期存在持續(xù)淤積擴展趨勢，擠壓右側(cè)航槽，影響左側(cè)航槽的進流條件，加之年度汛期高水位持續(xù)時間長，泥沙大幅落淤，汛后三峽水庫提前蓄水減弱了枯期沖刷力度，因此，對淺灘開展維護性疏浚與河道演變規(guī)律及水沙輸移趨勢是適應(yīng)性的。

(2)疏浚時機選在汛后水庫蓄水高水位，有效緩解了施工與通航的矛盾，并且利用汛后沖刷的規(guī)律達到了事半功倍的效果，疏浚過程中定期對河道水下地形進行測量，統(tǒng)籌考慮疏浚工作與外部因素關(guān)系，及時變更設(shè)計方案，整體來看，疏浚過程是規(guī)范合理的。

(3)由于疏浚工程僅在航道主槽局部進行，未改變引起河床演變的水沙條件及邊界條件，因此，維護疏浚工程難以保證航道的穩(wěn)定性和可持續(xù)性。今后仍需對該區(qū)域加強觀測和分析，尤其是汛后沖刷期河道沖淤的觀測，以便及時制定維護疏浚方案，確保航道維護尺度。

由于河床演變規(guī)律及水沙輸移情勢與天然情況有所不同，因此，疏浚灘段選擇和方案制定應(yīng)充分考慮蓄水后河道沖淤規(guī)律及水沙輸移趨勢。另外，長江上游航道狹窄，主城區(qū)河段通航密度大，疏浚時機的選擇要統(tǒng)籌考慮河段水位條件及通航要求，也要盡量避免汛期施工，防止灘段泥沙大幅回淤。從窎魚嘴淺灘的設(shè)計方案及其變更過程來看，長江上游尤其是重慶主城區(qū)河段，維護性疏浚工作需要統(tǒng)籌考慮通航要求、環(huán)境保護、魚類保護等各方面要求，事前溝通協(xié)調(diào)工作比較重要。