謝玉杰，周玉潔，何 熙

(四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610017)

嘉陵江川境段全長(zhǎng)534 km，是四川省最長(zhǎng)的一條通航河流，發(fā)源于陜西省秦嶺南麓，廣元以下至合川為中游。目前嘉陵江川境段已渠化完成，但由于亭子口電站設(shè)計(jì)水位變幅高達(dá)20 m，導(dǎo)致庫尾存在長(zhǎng)約28 km的變動(dòng)回水區(qū)，龍爪灣灘即為限制該段航道達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的咽喉，為使嘉陵江川境段達(dá)到設(shè)計(jì)的航道標(biāo)準(zhǔn)，研究龍爪灣灘的整治方案具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-3]。同時(shí)嘉陵江川境段航道自復(fù)航以來，變動(dòng)回水區(qū)船舶安全航行的問題較為突出，龍爪灣灘航道整治后是否能滿足代表船型安全通行，對(duì)于整治效果至關(guān)重要[4]。本文將采取水文統(tǒng)計(jì)法對(duì)嘉陵江中游龍爪灣整治流量進(jìn)行推算，并運(yùn)用水流二維數(shù)學(xué)模型對(duì)整治效果進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1 灘險(xiǎn)概況

龍爪灣灘位于嘉陵江中游昭化境內(nèi)，上距白龍江匯合口5.3 km。該河段屬于典型的山區(qū)急彎河段，河床為卵石質(zhì)，呈V形，河谷最窄處僅40 m。龍爪灣灘在2010—2016年期間受沙石開采影響嚴(yán)重，沙石堆、采沙坑星羅棋布，局部河床深潭達(dá)10.0 m，導(dǎo)致出現(xiàn)明顯跌水，至今該灘河床仍處于自然重塑階段，中枯水彎曲半徑僅350 m，灘急水淺。河岸受右岸公路路基約束，彎道發(fā)展受到限制，彎曲半徑基本維持現(xiàn)狀，見圖1。受彎道環(huán)流作用，主流困彎，深泓位于右側(cè)，凸岸邊灘發(fā)育，為典型彎道型急流灘，目前枯水最小水深僅0.4 m，流速達(dá)3.5 m/s以上。

圖1 龍爪灣灘段

2 礙航特性

2.1 水流特性

隨著上石盤、亭子口電站的相繼建成，龍爪灣灘河道的水沙過程發(fā)生明顯變化。當(dāng)下游亭子口壩前水位較高時(shí)，變動(dòng)回水區(qū)水位受壅水頂托影響，水面線比降一般小于天然情況下同級(jí)流量的水面比降，導(dǎo)致沿程水流輸沙能力降低，這對(duì)淺灘影響較大；另一方面，當(dāng)上游上石盤電站入庫流量大于電站發(fā)電引用流量253 m3/s且小于水庫排沙避峰流量1 800 m3/s時(shí)，電站滿發(fā)并將大于發(fā)電引用253 m3/s的流量部分，通過控制閘門孔數(shù)和開度控制下泄，汛后當(dāng)入庫流量逐漸恢復(fù)至253 m3/s或更低時(shí)，閘門全關(guān)，電站恢復(fù)正常發(fā)電。主要表現(xiàn)為中枯水期流量削減，造床流量持續(xù)時(shí)間減少，枯水期歷時(shí)增加。

2.2 礙航特征

龍爪灣灘礙航特性復(fù)雜，總體因流急、水淺、彎曲半徑小而礙航。該灘位于嘉陵江中游彎道處，左岸為較大面積沙卵石邊灘，深槽位于右岸凹岸處，深槽寬度窄且與左岸邊灘存在較大高差，造成枯水期該段橫流較大；另外該灘受采沙影響，彎道上下河床局部地形差較大，枯水期水流在此形成嚴(yán)重跌水，當(dāng)?shù)胤Q為“吊坎水”，見圖2。同時(shí)該灘主流位于凹岸一側(cè)，水流困彎明顯，主流最大流速達(dá)3.5 m/s以上，中枯水期船舶自航上灘困難。

圖2 天然情況設(shè)計(jì)流量下龍爪灣灘水面線與1.6 m水深線

3 航道整治

3.1 整治標(biāo)準(zhǔn)

3.1.1航道尺度標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)嘉陵江川境段航運(yùn)配套工程通航標(biāo)準(zhǔn)，龍爪灣灘整治標(biāo)準(zhǔn)為內(nèi)河Ⅳ-(3)級(jí)航道，設(shè)計(jì)船型尺度為58.0 m×10.8 m×1.6 m(長(zhǎng)×型寬×設(shè)計(jì)吃水)，設(shè)計(jì)航道尺度為1.6 m×30 m×330 m(水深×單線航寬×彎曲半徑)[5]。

3.1.2水流條件

工程推薦設(shè)計(jì)船型為500噸級(jí)集散兩用船，船型主尺度為總長(zhǎng)58 m、型寬10.8 m、設(shè)計(jì)吃水1.6～1.8 m，載貨量為616 t(45 TEU)，主機(jī)功率294 kW。通過理論公式對(duì)船舶推力和航行阻力進(jìn)行估算，并通過推阻比對(duì)船舶自行上灘水流流速進(jìn)行估算。

機(jī)動(dòng)船有效推力估算公式為：

(1)

式中：T0為機(jī)動(dòng)船有效推力(N)；Hp為主機(jī)總功率(kW)；vs為上行船的船水相對(duì)速度(m/s)；e為有效推力系數(shù)，可使用船舶設(shè)計(jì)書或出廠時(shí)實(shí)測(cè)結(jié)果所提供的數(shù)據(jù)。

船行阻力計(jì)算公式為：

(2)

式中：R為船隊(duì)的航行阻力(N)；Rj為比降阻力(N)；RV1為機(jī)動(dòng)船的航行水流阻力(N)；RV2為駁船隊(duì)的總航行阻力(N)；RV2i為駁船i的航行阻力(N)；σ為船隊(duì)編隊(duì)系數(shù)。

具體方法為根據(jù)載質(zhì)量和船型確定吃水、水線長(zhǎng)、浸水面積、舯剖面積等→給定比降→計(jì)算比降阻力→給定上灘流速→計(jì)算對(duì)水航速→計(jì)算水流阻力→確定航行阻力R→根據(jù)功率及相關(guān)參數(shù)計(jì)算船舶推力T→判斷航線阻力R是否等于船舶推力T，如相等則給定的比降和流速即為該載質(zhì)量、該功率下的急灘通航水力指標(biāo)，否則需要新假定流速，直到阻力和推力平衡為止。計(jì)算得到設(shè)計(jì)代表船型上灘指標(biāo)見表1。

表1 設(shè)計(jì)代表船型自航上灘水力指標(biāo)

3.2 設(shè)計(jì)思路

龍爪灣灘礙航因素之一是彎曲半徑小，船舶下行時(shí)調(diào)整航向困難，由于自然條件所限，增加彎曲半徑較困難，因此改善船舶調(diào)整航向條件的措施可拓寬中枯水期的航槽寬度，通過新建整治建筑物，改善彎道水流條件，并提高水流的沖刷能力，防止航槽回淤[6]。

針對(duì)龍爪灣灘航道礙航情況及河床演變趨勢(shì)，該段航道整治線須重點(diǎn)考慮變動(dòng)回水區(qū)航道特點(diǎn)，特別是整治高度的設(shè)計(jì)要考慮適當(dāng)增加高度，延長(zhǎng)整治建筑物作用時(shí)間，增加中水沖刷歷時(shí)，保證水流對(duì)航槽的沖刷力[7]。

鑒于龍爪灣灘河床地形受采砂影響嚴(yán)重，局部河床形成跌水的情況，疏浚工程布置時(shí)在滿足航槽水深標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，著重考慮調(diào)整河床地形起伏，消除跌水。

對(duì)于灘險(xiǎn)整治，龍爪灣灘設(shè)計(jì)思路為：航路規(guī)劃充分利用現(xiàn)有河道主流，順應(yīng)河道演變規(guī)律，整治線布置盡可能與現(xiàn)有中枯水航槽走向一致；整治工程以加深現(xiàn)有航槽，擴(kuò)寬凸岸邊灘，控制凹岸水流，改善彎道流態(tài)，同時(shí)考慮一定的整治高度保證航槽穩(wěn)定。

3.3 整治參數(shù)

本工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為內(nèi)河Ⅳ-(3)級(jí)航道，設(shè)計(jì)最高通航水位采取5 a一遇洪水，設(shè)計(jì)最低通航水位采取250 m3/s流量對(duì)應(yīng)水位。

龍爪灣灘受上游電站下泄流量與下游壩前水位雙重影響，整治參數(shù)的確定十分復(fù)雜[8]。特別是造床流量對(duì)于河道的河型塑造和河床演變起到關(guān)鍵作用。造床流量分為第一造床流量和第二造床流量，其中枯水河槽橫斷面形態(tài)是第二造床流量，一般將其作為航道整治流量[9]。本文根據(jù)亭子口長(zhǎng)系列20 a入庫流量資料統(tǒng)計(jì)分析得到第二造床流量為499 m3/s，見圖3。

圖3 河道流量與河床特性關(guān)系

根據(jù)《航道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]，計(jì)算得龍爪灣灘整治線寬度取90～120 m，整治流量為499 m3/s，整治水位較設(shè)計(jì)水位高1.0 m。

4 方案及整治效果分析

4.1 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)思路，龍爪灣灘整治線規(guī)劃以右岸作為主導(dǎo)河岸，上游側(cè)以現(xiàn)有河灘為節(jié)點(diǎn)，下游側(cè)以右岸公路路基外側(cè)為節(jié)點(diǎn)，規(guī)劃整治線為彎曲線，航槽選擇現(xiàn)有深槽，沿設(shè)計(jì)航槽中心線布置挖槽工程，沿右側(cè)整治線布置1座彎道順壩，順壩壩根以丁壩接岸，見圖4。

圖4 龍爪灣灘設(shè)計(jì)方案布置

對(duì)設(shè)計(jì)方案采取數(shù)值模型試驗(yàn)研究，模型上邊界為龍爪灣灘上游4 km處的白龍江匯合口，下邊界為灘下游4 km處亭子口汛限水位回水末端。分別采用250 m3/s(設(shè)計(jì)流量)、499 m3/s(整治流量)和5 000 m3/s(中水流量)3級(jí)流量，并考慮亭子口電站汛限水位頂托，進(jìn)行工程前后的對(duì)比試驗(yàn)，分析水流條件變化情況，并對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。

4.2 設(shè)計(jì)方案整治效果

4.2.1整治前水流條件

整治工程實(shí)施前，設(shè)計(jì)流量工況下，龍爪灣灘不滿足最小航深1.6 m的航道長(zhǎng)達(dá)1 km，占模型河段的12.5%；靠近左岸邊灘處流速在0.04～2.38 m/s，平均流速為0.82 m/s，右岸深槽主流區(qū)最大流速達(dá)3.74 m/s，在規(guī)劃航線上水位比降在0.02‰～12.04‰，平均比降為1.24‰；灘內(nèi)存在明顯的跌水現(xiàn)象，見圖5。

圖5 整治前后設(shè)計(jì)流量下水位變化對(duì)比

整治流量下，工程實(shí)施前的龍爪灣灘航道內(nèi)流速在0.02～2.96 m/s，平均流速為1.25 m/s，水位比降在0.02‰～13.22‰，平均比降為1.18‰，灘內(nèi)流速、比降隨流量增加而增大；灘內(nèi)跌水現(xiàn)象仍然存在。龍爪灣灘設(shè)計(jì)流量下實(shí)施前流場(chǎng)見圖6。

4.2.2工程實(shí)施后水流條件

在龍爪灣灘右岸布置一條丁順壩，沿規(guī)劃航槽中心線布置一個(gè)長(zhǎng)挖槽。為消除灘內(nèi)跌水，挖槽上下游設(shè)計(jì)底高程等于所在處河床高程，上游側(cè)為445.50 m(設(shè)計(jì)水位448.76 m)，下游側(cè)為444.50 m(設(shè)計(jì)水位447.45 m)。

設(shè)計(jì)方案實(shí)施后，龍爪灣灘水面比降得到緩解，跌水現(xiàn)象消失(圖7)，但在灘頭區(qū)域航深仍存在不足1.6 m的區(qū)域。設(shè)計(jì)流量下，航道內(nèi)流速在0.15～2.09 m/s，平均流速為1.27 m/s，水位比降在0‰～2.81‰，平均比降為0.82‰，航槽內(nèi)局部大流速較工程前減小0.29 m/s，這是由于疏浚消除了局部河床“吊坎水”所致。另外航槽內(nèi)平均流速較工程前增加0.45 m/s，這是由于右岸丁順壩縮窄了河道，減少了過流面積所致，航槽平均水面比降較工程前降低0.42‰。表明疏浚方案對(duì)緩解急流灘水面比降和降低局部大流速起到了很好的作用，右岸順壩將增加航槽沖刷能力，對(duì)減小疏浚區(qū)回淤有利。

圖7 工程實(shí)施后流場(chǎng)

整治前跌水上下地勢(shì)高差大，其靠岸側(cè)為深槽，枯水期水流在該區(qū)域分為兩汊，并在下游處匯入主航道造成主航槽內(nèi)橫流較大。丁順壩修筑后，水位不漫頂時(shí)，丁壩段堵塞該處汊道，水流經(jīng)主航槽宣泄。方案實(shí)施后，龍爪灣灘得到明顯改善，但該處整治后上游水位下降明顯，水位平均下降了0.60 m。方案實(shí)施后導(dǎo)致龍爪灣灘上游灘險(xiǎn)出淺范圍增加，上游河道疏浚工程量大幅增加，同時(shí)該方案龍爪灣灘挖槽工程量較大。

4.3 優(yōu)化方案

鑒于龍爪灣灘河床局部地形高差較大，枯水期水流在此形成嚴(yán)重跌水，本次疏浚工程通過調(diào)整灘內(nèi)河床縱比降，消除灘中部跌水。設(shè)計(jì)方案雖然能夠改善通航條件，但是該方案灘上游水位下降較大，達(dá)0.60 m，考慮該類灘險(xiǎn)在枯水期隨著疏浚水深的增加，水位降落值逐漸增大，過多增加疏浚深度后，航道水深反不增加，設(shè)計(jì)方案可能存在過量疏浚的問題。為減小灘上游新增疏浚工程量，同時(shí)為進(jìn)一步減少龍爪灣灘設(shè)計(jì)疏浚工程量，優(yōu)化方案將挖槽設(shè)計(jì)底高程增加1.0 m，上游段修改為446.50 m，下游段修改為445.50 m，同時(shí)對(duì)灘上游航深不足1.6 m的區(qū)域增加1處疏浚工程，該疏浚設(shè)計(jì)河底高程與周邊河床齊平，取447.00 m。

優(yōu)化方案實(shí)施后，龍爪灣灘水深仍能滿足最小航深1.6 m的要求，同時(shí)該灘挖槽工程大幅減少，龍爪灣灘及其上游水位降落相比設(shè)計(jì)方案有所減小。優(yōu)化方案實(shí)施后，灘上游水位較設(shè)計(jì)方案上升0.09～0.12 m，灘內(nèi)水位平均上升0.10 m。

4.4 優(yōu)化方案整治效果

4.4.1設(shè)計(jì)流量

龍爪灣灘為典型的彎道性礙航灘險(xiǎn)，流速大、比降陡、流態(tài)亂，左岸為沙卵石淺灘，右岸為深槽，枯水期水流集中右深槽，造成航道完全半徑不足，同時(shí)右岸深槽與左岸邊灘的地形高差導(dǎo)致彎曲段橫向流速較大，優(yōu)化方案在右岸修建1處丁順壩將水流導(dǎo)入規(guī)劃航槽內(nèi)，起到減小航道彎曲半徑的作用，同時(shí)對(duì)規(guī)劃航槽浚深，丁順壩的修建縮窄了航道過水?dāng)嗝婷娣e，設(shè)計(jì)流量下航道內(nèi)水深在1.75～5.53 m，滿足設(shè)計(jì)最小航深1.6 m的要求，航道內(nèi)流速0.54～2.09 m/s，航槽內(nèi)比降在0‰～2.51‰，平均比降為0.68‰，整治方案起到較好效果。

4.4.2整治流量

整治流量下航道內(nèi)水深在2.58～6.41 m，滿足設(shè)計(jì)最小航深1.6 m的要求，航道內(nèi)流速在0.77～2.82 m/s，航槽內(nèi)比降在0.02‰～2.43‰，平均比降為0.77‰，整治方案起到較好效果。

龍爪灣灘挖槽區(qū)水深按照整治流量下平均水深2.85 m，計(jì)算得到該處泥沙臨界起動(dòng)流速1.67 m/s，整治實(shí)施后，整治流量下挖槽區(qū)為微沖，整治效果較好。

4.4.3中水流量

優(yōu)化方案實(shí)施后，在設(shè)計(jì)流量以及整治流量下均取得較好整治效果。為了探求在中水時(shí)的航道條件，對(duì)優(yōu)化方案水流條件選取了5 000 m3/s(中水流量)進(jìn)行整治效果分析。

中水工況下，隨著水位升高，河面進(jìn)一步拓寬，航槽內(nèi)流速有所增加，流速為0.82～4.28 m/s，流速變幅在0.05～1.13 m/s，該灘段比降在0.01‰～3.44‰，平均比降為0.51‰。整治方案對(duì)中水影響較小，從流速以及流態(tài)來看，工程前后幾乎沒有影響，航道斷面流態(tài)分布較為均勻。

5 結(jié)語

1)龍爪灣灘位于嘉陵江中游昭化境內(nèi)，屬于典型彎道卵石急流淺灘，其主要問題是受亭子口電站回水頂托和上石盤電站發(fā)電引流影響，中枯水期流量削減，造床流量持續(xù)時(shí)間減少，枯水期歷時(shí)增加，造成航道出淺及急彎河段彎曲半徑小，船舶安全過彎和自航上灘困難。

2)本灘的設(shè)計(jì)思路為航路規(guī)劃充分利用現(xiàn)有河道主流，順應(yīng)河道演變規(guī)律，整治線布置盡可能與現(xiàn)有中枯水航槽走向一致；整治工程以加深現(xiàn)有航槽、擴(kuò)寬凸岸邊灘控制凹岸水流、改善彎道流態(tài)，同時(shí)考慮一定的整治高度保證航槽穩(wěn)定。

3)本灘疏浚設(shè)計(jì)河底采用挖槽上下端河床地形作為控制高程，對(duì)削弱橫流、降低局部大流速及消除灘內(nèi)跌水起到了很好的作用；在彎道凹岸布置丁順壩后，有利于提高中枯水期航槽沖刷能力，改善彎道水流條件。整治方案效果顯著，能夠保證船舶安全通行。

4)計(jì)算結(jié)果表明，工程實(shí)施后的航道條件能夠滿足設(shè)計(jì)要求，中枯水期水面比降和大流速區(qū)有所緩解，航槽沖刷能力有所提升，船舶能夠在該灘正常航行。