冯小香，张明

（交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室,天津300456）

艳洲枢纽下游近坝段航道整治研究

冯小香，张明

（交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室,天津300456）

枢纽下游的枯水位下降问题是航道出浅的重要原因，也是影响船闸通航、制约航道等级提升的重要因素。在分析澧水艳洲枢纽下游近坝段碍航特性、枯水位变化及原因的基础上，采用二维平面水流数学模型研究了澧水航道升级整治过程艳洲枢纽下游近坝段的浅滩整治问题，包括工程整治方案、整治效果及对枯水位的影响。结果表明：艳洲枢纽下游近坝段河床比降大、枯水位落差集中，具有明显的“陡坎”及“陡比降”现象，若仅以疏浚方式进行航道整治，则将引起艳洲枢纽船闸下游的枯水位明显下降,在艳洲枢纽船闸改扩建中下游设计最低通航水位的确定应充分考虑枢纽下游高等级航道整治工程的影响。

枢纽;航道整治;枯水位;下降；澧水

近年来，随着河道采砂、航道升级整治及清水冲刷等因素的影响，河流末级枢纽的下游普遍出现了河床下切、枯水位下降现象［1-5］。在河床下切过程中，局部河段由于河床底质抗冲性较强，在下游枯水位下降后逐渐出浅，形成一类特殊的碍航滩险（或浅段）。这类滩险在遏制下游水位向上游传递的同时，一般也具有陡坎、陡比降现象，枯水期对船舶的航行有一定的碍航作用。已有的相关研究成果表明，采取工程措施将局部陡坎河段内的水位集中落差改造为分散落差应是该类滩险整治的主要手段［5-6］。然而，此种整治方法对河道条件要求较高，需受整治河段内的特殊形态、上下游河段之间的关系制约，同时，整治的工程量一般也较大，工程费用不菲，在实践中往往受到一定限制。当整治滩险紧邻枢纽船闸下游时，由于需要考虑枢纽及船闸工程的安全性，以及工程自身的安全性问题，整治的难度将进一步增大，整治的效果也会影响船闸的安全运行。

艳洲枢纽为澧水最下游的梯级，坝址位于艳洲洲尾，下距澧县县城约5 km。枢纽于1982～1990年建成运行，同步建设的一个300 t级船闸于1985年正式通航，船闸尺度为130×12×2.5 m（长×宽×门槛水深，下同）。在船闸运行的近30 a间，随着下游枯水位的下降，近坝段逐渐出浅，比降越来越集中，严重影响了船舶的安全通行，并且随着过闸船舶大型化发展，近年来已多次出现船闸下游引航道水深不够的现象，艳洲枢纽船闸及坝下近坝段航道问题已成为制约澧水航运进一步发展的重要因素之一。

作为规划的环洞庭湖高等级航道网的重要组成，澧水自石门至茅草街要建设Ⅲ级航道［7］，其中艳洲枢纽1000t级船闸的改造工程和艳洲枢纽至茅草街河段的航道整治工程是航道升级整治的重要内容。在航道升级整治工程中，艳洲枢纽坝下近坝段由于滩险密布、沿程水面线复杂、且距离枢纽船闸较近等原因，对其整治就显得尤为重要，整治效果也将直接影响艳洲枢纽船闸的改造工程。因此，进行艳洲枢纽坝下近坝段的航道整治研究，不仅可以为澧水Ⅲ级航道建设提供技术支撑，还能为河流末级枢纽的建设与整治等提供一定的参考。

1 河道碍航特性

艳洲枢纽至津市桥河床组成以砂卵石为主，河势较为稳定，向下游洞庭湖洪道逐渐过渡为细砂、粘土和淤泥。由于近坝河段底质较粗，河床抗冲性较强，在下游河床下切后，上游逐渐形成明显的陡坎，河床纵比降变大。艳洲枢纽至宝塔湾间的6.5 km河段，河床平均比降为1.15‰，宝塔湾至津市桥间，除局部受滩险影响外，总体上枯水河槽逐渐展宽，河床比降减小。图1、图2分别为研究河段形势图和航槽纵剖面图。

艳洲枢纽下游近坝段枯水期的水位落差集中，滩险的比降较大，且水面线变化复杂。根据2012年3月全河段瞬时比降观测结果，在流量85～90 m3/s，艳洲枢纽至茅草街约110 km河段的水位总落差为4.3 m，其中津市桥以下92 km河段的水位落差为1.02 m，艳洲枢纽坝下至津市桥18 km河段的水位落差为3.24 km，尤其是艳洲枢纽坝下至宝塔湾间的6.5 km河段，水位落差为3.02 m，占艳洲枢纽至茅草街之间河段落差的70%；坝下近坝段实测比降达1.2‰，与河床比降大致相当。

艳洲枢纽坝下近坝河段的陡坎效应使得枯水期航道水深不足，揭家滩附近航道水深不足1.3 m，金鸡滩附近航道水深不足1.6 m。在澧水进行Ⅲ级航道建设时，浅滩的水深不足问题将是制约航道等级提升的重要因素。

图1 艳洲枢纽坝下近坝河段形势图Fig.1River regime in the downstream of Yanzhou hydro⁃junction

图2 艳洲枢纽坝下近坝河段航槽纵剖面图Fig.2Channel profile in the downstream of Yanzhou hydro⁃junction

2 近坝段枯水位变化

津市水文站下距艳洲枢纽约18 km，根据该站资料，1996～2010年澧水多年平均流量为447 m3/s，年平均最小流量为224 m3/s，出现在2006年；1991～2010年间，保证率95%的水位为27.97 m，其对应的流量为106 m3/s。

枯水流量时，津市下游石龟山水文站相同年份的水位流量关系相对单一（图3），表明石龟山及其上游河段在枯水期并不受洞庭湖湖水的顶托影响，而津市水文站的水位流量关系比较散乱（图4），在枢纽运行前，相同流量下的水位变化应主要受支流入汇和河床冲淤等因素的影响，而在枢纽运行后，除上述原因外，电站的调峰也进一步增加了同流量下的枯水位变化。

1980 年以来，津市水文站同流量下的水位有大幅下降，以各年106 m3/s流量对应的水位来看（图5），1992年以前基本维持在29 m以上，1992～2002年间，逐渐下降，由29.36 m降至27.68 m，下降了1.68 m，年均下降0.17 m，2002年以后又相对稳定。从津市水文站枯水位下降发生的时间来看，主要出现在艳洲枢纽正式运行后的第3～13年间，由于艳洲枢纽蓄水拦沙所引起的下游河床清水冲刷以及由于电站调峰产生的非恒定流对近坝段的冲刷应是津市水文站及近坝段水位下降的重要原因，此外，从下游石龟山、南咀2个水文站的枯水位变化来看（图3、图6），1980～2010年间2个水文站同流量对应的水位均有不同程度的下降，表明津市水文站的枯水位下降除因受近坝段的河床下切影响外，下游的水位下降向上游的传递也有一定的影响。根据有关资料［7］，澧水洪道津市至茅草街航段经历了多次整治，1984年以前，对全线的数十处滩险进行了大量的治理，使该航道达到了Ⅵ级通航标准，其中既有因水道的演变和改道而相应进行的航道疏浚；也有筑坝与疏浚相结合的整治工程；1984～1991年，按照Ⅳ级标准又对该航道进行了系统整治，航道维护尺度为1.6 m×50 m×300 m（水深×航宽×弯曲半径，下同），可通行500 t级船队，尤其是1984年对津茅河段落差比较集中的沙罗航道进行了拓宽，工程于1987年冬竣工，竣工后石龟山、津市站的枯水位明显下降。

图3 石龟山水文站水位流量关系（Q＜600 m/s）Fig.3Stage⁃discharge relation curve at Shiguishan hydrographic station(Q＜600 m3/s)

图4 津市水文站水位流量关系（Q＜600 m3/s）Fig.4Stage⁃discharge relation curve at Jinshi hydrographic station(Q＜600 m3/s)

图51980 ～2010年津市水文站同流量下的水位变化（Q=106 m3/s）Fig.5Water level variation at the same discharge from 1980 to 2010 at Jinshi hydrographic station(Q=106 m3/s)

图6 南咀水文站水位流量关系（Q＜600 m3/s）Fig.6Stage⁃discharge relation curve at Nanzui hydrographic station(Q＜600 m3/s)

图7 艳洲枢纽下游近坝段整治前后的水面线变化图Fig.7Water level variation along the reach before and after channel improvement project

3 整治方案

3.1 航道建设标准

目前，澧水石门至青山间的航道等级为V级，青山至津市间的航道等级为Ⅶ级,津市至茅草街间的航道等级为Ⅳ级。为了实现1000t级航道规划，确保1000t级船型从石门直接通航至城陵矶，航道升级采用的通航标准为Ⅲ（3）级，设计航道尺度为2.0 m×60 m×480 m，航道通航保证率为95%，同时需要对青山和艳洲两座枢纽船闸进行改造，其中艳洲枢纽船闸拟改造标准为1000t级船闸，闸室有效尺度为180 m×23 m×3.5 m。

3.2 航道整治思路与方案

在澧水石门至茅草街进行1000t级航道整治过程中，艳洲枢纽坝下近坝河段主要的碍航问题是滩上航槽水深不足。为增加航槽水深，初步有三种方案：一是进行浅滩段的航道挖槽；二是利用丁坝等整治建筑物来分段抬高水位；三是采用塞支强干的方式以增加主槽的流量来抬高航道水位。结合坝下近坝段的河道特性，枯水位落差集中，主要集中于宝塔湾以上的浅滩段，下游宝塔湾至津市桥河段的水位落差小，水位平缓；如果在下游建设丁坝等建筑物来分级抬高水位，根据工程经验，不仅工程造价较高，后期维护也很困难［5］，因此方案二的应用难度较大；对于方案三，由于在枢纽设计最低通航流量106 m3/s时，各浅滩的支汊基本不过流，堵塞支汊的效果将不明显，因此方案三的整治效果有限。根据以上分析，近坝段应主要采用方案一即挖槽的方式进行航道整治。

艳洲枢纽至津市桥航段的河床比降大，滩面极不平整，主流左右摆动，为增加航槽水深，应顺应河势布置挖槽，适当布置护滩工程稳固边滩。其挖槽的控制标准为：在艳洲枢纽设计最小通航流量106 m3/s时，枢纽下游近坝段航道整治的控制水位为津市水文站设计最低通航水位，通过调整各段的挖槽深度，以逐渐达到设计航道最小水深的要求。

津市水文站设计最低通航水位，主要通过艳洲枢纽至茅草街间的长河段二维水流数学模型来计算确定，在设计整治方案下，计算得到津市水文站的设计最低通航水位为27.45 m，其中由津市下游的航道整治所引起的水位下降为0.37 m。

图8 艳洲枢纽下游近坝段整治前后的比降与水位下降Fig.8Slope and water level lowing before and after channel improvement project

图9 艳洲枢纽下游近坝段整治前后的流速变化图Fig.9Velocity variation along the reach before and after channel improvement project

4 整治效果分析

采用平面二维水流数学模型计算了航道整治前后近坝段的水位、流速变化，依据的地形为2011年6月艳洲枢纽至茅草街河段的实测地形资料。由图7可见，航道整治后，近坝段的水位明显下降，且距离坝址越近，下降幅度越大。在坝下1 km范围内，平均下降2.8 m，最大下降2.85 m；在坝下6.5 km附近，水位下降0.46 m；之后，水位下降基本维持在0.37～0.46 m间，总体来看，水位落差越集中，需要开挖的深度也就越大，水位下降的幅度也相应增大，尤以宝塔湾以上河段最为明显。但水位的下降又使得航槽水深达不到设计水深要求，需进一步挖深。在随着挖深的逐渐增加，相同幅度的挖深所引起的水位下降幅度将减小，在达到设计的2.0 m航槽水深要求时，坝下0.4 km所在断面的航槽底高程将达到26.56 m，河床最大挖深将超过4 m，此时设计流量下的水位为28.56 m，将比艳洲枢纽现有的300 t级船闸下游设计最低通航水位30.80 m低2.24 m。

整治工程实施后，由于近坝段的水位下降，比降也随之减小（图8）。设计流量106 m3/s时，最大比降由工程前的1.7‰减小到工程后的0.29‰。同时，由于水面比降减小，流速也有所降低（图9），整治工程实施前，航槽最大流速为1.66 m/s，整治后，最大流速为0.89 m/s。从沿程变化来看，流速的沿程变化与比降基本一致。

工程实施后，揭家滩上游断面和揭家滩中部断面航槽流量分别为99.7 m3/s和102.8 m3/s，分别占枢纽下泄的106 m3/s流量的94%和97%，水流归槽特征明显。

5 结语

（1）在艳洲船闸运行的近30 a间，由于航道整治、电站非恒定流冲刷及清水下泄等因素的影响，澧水下游枯水位大幅下降，全河段比降逐渐向近坝段集中，在近坝段形成了坡陡、流急的碍航浅段。

（2）根据艳洲枢纽坝下近坝河段的河道特性，提出采用挖槽增深的方式以达到设计的航道尺度。按照1000t级航道尺度标准整治时，近坝段航槽内最大挖深将超过4 m，现有的300 t级船闸下游的设计最低通航水位将下降2.24 m，航槽内比降减小，流速降低，航道的开挖是引起水位下降的重要因素之一。

（3）研究主要针对澧水航道升级过程中艳洲枢纽下游近坝段的航道整治问题以及由于航道整治所引起的设计水位下降问题进行了计算分析，没有考虑其他人为因素对于设计水位的影响，鉴于下游河道挖沙等人为因素对河道变形及枯水位变化可能造成一些不可预测的影响，建议在艳洲枢纽船闸改建过程中对于船闸下游底槛高程除考虑航道开挖引起的水位下降值外，还要考虑一定的富裕量。

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Study on waterway regulation in near⁃dam reach downstream the Yanzhou hydro⁃junction

FENG Xiao⁃xiang,ZHANG Ming
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China）

The descent of low water level downstream hydro⁃junction is an important cause for shallow chan⁃nel,also an important unfavorable factor for ship lock safe navigation and waterway grade improvement.In this pa⁃per,the navigation⁃obstructing characteristics and the causes of low water level change in near⁃dam reach down⁃stream Yanzhou hydro⁃junction in Lishui River were analyzed,then the 2⁃D flow mathematical model was employed to study the shoal regulation problem in waterway grade improvement,including regulation scheme,effect and influ⁃ence on low water level.The results indicate that∶the river bed gradient in near⁃dam downstream the Yanzhou hydro⁃junction is high,and the height of low water is concentrate,with obvious“scarp”and“steep gradient”phenome⁃non,and thus the dredging method is an appropriate way to achieve the design depth;when the channel regulation plan in Lishui River is implemented,the lowest navigation water level downstream the Yanzhou existing ship lock may largely descend,and need reduce its lowest navigation water level.

hydro⁃junction;waterway regulation;low water level;descent;Lishui River

U 641；TV 61

A

1005-8443（2015）05-0409-05

2015-05-21；

2015-07-28

冯小香(1977-)，女，河南省人，副研究员,主要从事水力学及河流动力学、内河港航工程研究。

Biography：FENG Xiao⁃xiang（1977-），female,associate professor.