王 斐，闫 涛，李少希，乾东岳

(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)

山区河流广泛分布于我国西南、中南部地区，其航运开发对腹地经济的发展起着积极的推动作用。“十三五”国家内河高等级航道网建设规划包含了川、渝、湘、黔等地的嘉陵江、岷江、乌江、湘江、沅水、南盘江以及两广地区的红水河、柳江、黔江、北江等众多山区河流。因山区河流具有河道狭窄、弯曲，枯水流量小、历时长，而洪水流量陡增，洪、枯水位变幅大等特点，山区河流航道建设常面临弯、急、浅、险等碍航问题，特别是急弯河段航道，不仅自然弯曲而且非常狭窄，限制了航行船舶过弯尺度，增加了船舶操作难度[1-5]。本文以厢廊急弯段为研究对象，采用物理模型与船模试验相结合的研究手段，分析研究水位变化、航道流速及航线布置等对船舶航行的影响，以期为类似工程整治提供参考。

1 厢廊急弯段概况

厢廊急弯段位于珠江水系北江干流上源的武江段，是弯曲型的山区河流(图1)。武江厢廊弯道急弯且河面较窄，弯顶航道转向角较大，入弯和出弯段主流流速较大，船舶在上下行通过弯顶时也均需占用对向航道，在流量较大时上下行船舶无法通过厢廊急弯段。现阶段该航道维护等级为VI级，通航100吨级船舶，航道维护尺度为1.0 m×30 m×180 m(航深×航宽×弯曲半径)，保证率为90%。航道整治目标按内河Ⅲ级、设计航道尺度2.5 m×60 m×270 m、通航1 000吨级船舶标准建设。其中整治流量192 m3/s，整治水位62.9 m，整治线宽度150～200 m。

图1 武江厢廊急弯河段平面河势

2 试验设计

本试验采用1:100正态模型，模拟河段长度5 km(图2)，通过水面线、流速和流态的验证试验，模型与原体的水流运动达到了相似要求。选用的1 000吨级单船尺度为80 m×10.8 m×2.0 m(长×宽×满载吃水)。船模几何比尺同为1:100。试验典型流量级见表1。

表1 试验典型流量级

图2 模型模拟河段范围

3 整治方案研究

3.1 凹岸开挖

3.1.1方案布置

岸坡切除区域底高程58 m，坡度1:2.5，为防止岸坡冲刷，采取护岸工程措施提高岸坡的整体稳定性。入弯口航宽由60 m扩展至90 m，向下游直线段连接弯曲半径为338 m，弧长为1.1 km的圆弧段，出弯段与直线航道衔接，出弯段原开挖区附近航宽60 m(图3)。

3.1.2整治效果

试验结果表明：以桥址下游3 km处为分界，上半段出现了明显的水位降落，且桥址处的降幅为最大。在中、枯水流量下，水流基本归于航槽，出现大幅度水位降落，当流量为605 m3/s时，水位最大降幅达1.2 m，1 200 m3/s时为0.98 m；2 010 m3/s时为0.95 m，沿程比降最大0.86‰。随着流量的增大，归槽水流流量占比下降，因而水位降幅也逐渐减小，至3 920 m3/s流量时，水位降幅为0.8 m。桥下3 km下游，水位与天然情况基本一致。航中线最大纵向流速位于入弯段，最大横向流速位于在距桥址约3.1 km处。随着流量的增加，航中线纵向、横向流速逐渐增加，Q<2 010 m3/s时，整个航段vy均在3 m/s内，vx均在0.8 m/s内；Q=2 010 m3/s时，vymax为3.3 m/s，vxmax>1 m/s；Q=3 920 m3/s时，入弯段vy达4 m/s。在流量2 010 m3/s下，桥下3.1 km处航道内vxmax>1 m/s。

当流量Q≤1 200 m3/s时，代表船型上、下行均能够通过弯道段，且均可沿各自的设计航线航行，会船时航迹带距离满足安全航行要求；流量Q=2 010 m3/s时，船舶航行通过弯道段时漂角最大为-18.41°，航迹带宽度最大约为31.94 m，通过该段航道时船舶最大对岸航速为6.69 m/s，操控风险较大。

3.2 凸岸开挖

3.2.1方案布置

切除区域底高程取58 m，坡度1:2.5。本河段来沙量不大，冲淤变幅有限，若凸岸开挖后发生累积性淤积，可通过维护性疏浚保证整治效果。入弯口上行航线以半径480 m，弧长为300 m的圆弧逐渐与原航线分离，下接150 m直线段，与半径300 m，弧长610 m的圆弧段连接，出弯段与原航线直线段衔接(图4)。

图4 凸岸开挖方案布置

3.2.2整治效果

方案实施后，当流量为605 m3/s时，水位最大降幅达1.2 m，随着流量的增大，水位降幅基本保持在1 m左右，如1 200 m3/s流量时水位最大降幅为1.01 m；2 010 m3/s流量时水位最大降幅为1.05 m；至3 920 m3/s流量时，水位降幅为0.85 m。在2 010 m3/s及以上流量时，桥址下游3 km内河段出现了5～10 cm的水位降幅，沿程比降最大0.81‰。

下行航中线的纵、横向流速较上行航线大，与天然情况相比，上、下行航线的通航水流条件明显改善。1)上行航中线，Q<2 010 m3/s时，vy均在3 m/s内，vx基本在0.6 m/s内；在Q=2 010 m3/s时，vy均在3 m/s内，vx在0.9 m/s内；在3 920 m3/s下，仅在入弯段流速超3 m/s，其余航段vy均小于3 m/s。2)下行航中线，Q<2 010 m3/s时，vy均在3 m/s内，vx均在1.0 m/s内；Q=2 010 m3/s时，vy大部分在3 m/s内；在3 920 m3/s下，vymax接近4 m/s，vxmax超过1.5 m/s；而桥下3.1 km处vxmax超过1 m/s；在2 010 m3/s流量下，距桥下2.7～3.2 km范围航道内vx超0.7 m/s。

当流量Q≤1 200 m3/s时，代表船型上、下行均能够通过厢廊弯道段，且均可沿各自设计航线航行，会船时距离满足安全航行要求；流量Q=2 010 m3/s时，当船舶以4.0 m/s航速下行时，航行漂角最大为-18.81°，航迹带宽度最大时约为30.42 m。同时，由于船舶静水航速较大，致使船舶航行于厢廊弯道段时对岸航速较大，最大时为6.54 m/s，船舶虽能顺利通过厢廊弯道，但对岸航速过快将加大船舶操控难度，存在安全隐患；流量Q=2 010 m3/s时，厢廊弯道入弯段(桥下约1.8 km处)由于水流流速较大，使得船舶上行通过此航道时急流区段船舶无法上行，须寻找缓流区通过，对岸航速最小时为0.46 m/s。

3.3 凹岸与凸岸开挖相结合

单侧开挖方案在Q=2 010 m3/s下，船舶航行于弯道段时存在操控风险，随后开展研究凹岸与凸岸开挖相结合的方案。通过对方案实施后急弯段的水位变化和航道水流条件进行研究，得到满足通航要求的布置方案。

3.3.1方案布置

将单侧开挖方案相叠加，凸岸回填原方案开挖量的1/2。凹岸开挖方案的航道左边线为本方案航道左边线，航道右边线沿凸岸开挖坡底线，向河内移动10 m。航宽由入弯段60 m逐渐加大至150 m，弯曲半径382 m，随后在出弯段缓慢过渡至60 m，并且将出弯段左侧岸线进一步平顺(图5)。

图5 凹岸与凸岸结合开挖方案布置

3.3.2整治效果

1)当流量为1 200 m3/s和2 010 m3/s时，在桥址下游0～2 km范围内均出现水位下降，降幅在0.15～0.35 m，沿程局部比降最大达0.57‰；而在桥址下游2～5.5 km河段，凹岸与凸岸结合开挖方案的沿程水位与前述几组方案趋于一致。

2)上行航中线流速变化。船舶靠右抱凸岸上行。在2 010 m3/s流量以下，vy均在3 m/s内，vx基本在0.5 m/s内。当流量不超过2 010 m3/s时，急弯段航中线vy基本在3 m/s以内；遇5 a一遇洪水3 140 m3/s及10 a一遇洪水3 920 m3/s流量，弯道上半段(桥下2.5 km航道)流速超过3 m/s，其余航段航中线vy均小于3 m/s。横向流速方面，当流量不超过2 010 m3/s时，急弯段航中线vx基本在0.8 m/s以内。与单侧开挖方案横向流速(>0.9 m/s)相比，上行航线的通航水流条件改善明显。

3)下行航中线流速变化。下行航线更靠近凹岸，在2 010 m3/s流量以下，vy均在2 m/s内，vx基本在1 m/s内。当流量为2 010 m3/s时，航中线vy值均小于3 m/s；当流量增大至5 a一遇洪水流量3 140 m3/s和10 a一遇洪水流量3 920 m3/s时，急弯段航中线vymax接近4 m/s。从横向流速变化看，1 200 m3/s流量以内，急弯段航道航中线流速均小于1 m/s，随着流量的增大，2 010 m3/s流量下vxmax为1.1 m/s，3 920 m3/s流量下航中线vxmax1.57 m/s。较单侧开挖方案下行航线的通航水流条件有所改善。

4)航道横向流速分布。当流量在2 010 m3/s时，桥下2.5～3.1 km航段出现大范围横向流速超过0.7 m/s的情况，桥下3.1 km处vxmax超过1 m/s。

5)船模试验。船模航行试验参数漂角、航迹带宽度及最大对岸航速均有改善。当流量Q≤1 200 m3/s时，代表船型上、下行均能够通过厢廊弯道段航道，且均可沿各自设计航线航行，会船时距离满足安全航行要求；当流量Q=2 010 m3/s时，船舶航行通过弯道段航道时漂角最大为-18.74°，航迹带宽度最大时约为29.08 m。船舶下行通过弯道段航道时船舶最大对岸航速为5.87 m/s。

4 方案对比

4.1 沿程水位

凹岸开挖方案中，由于开挖区位于弯顶偏下，范围有限且基本处于下游溢洲枢纽的回水淹没范围，故引起的水位变化有限。凸岸开挖方案的水位在2 010 m3/s及以上的洪水流量下，略低于凹岸开挖方案，幅度在5～8 cm。以桥址下游3 km处为分界，各方案下上半段出现明显的水位降落，且桥址处降幅最大。当流量为2 010 m3/s时，在桥址下游0～2 km航段内，凹岸与凸岸结合开挖方案的沿程水位较单侧开挖方案降落有所增大，最大降幅达0.29 m。同样，在桥址下游2～5.5 km河段内，几组方案的水面线趋于一致(图6)。

图6 各方案Q=2 010 m3/s下沿程水位

4.2 航中线流速

航中线最大纵向流速位于入弯段，最大横向流速位于在距桥址约3.1 km处。随着流量的增加，航中线纵、横向流速逐渐增加。凹岸开挖下Q=2 010 m3/s时，vymax为3.3 m/s，vxmax超过1 m/s；在流量2 010 m3/s下，桥下3.1 km处航道内vxmax超过1 m/s。

凸岸开挖方案下，下行航中线的纵、横向流速均较上行航线大。上行航中线，在流量2 010 m3/s时，vy均在3 m/s内，vx在0.9 m/s内；下行航中线，在流量2 010 m3/s时，vy大部分在3 m/s内，而桥下3.1 km处vxmax超过1 m/s，凹岸与凸岸开挖相结合方案下，船舶靠右抱凸岸上行。当流量不超过2 010 m3/s时，急弯段航中线vy基本在3 m/s以内，vx基本在0.8 m/s以内。与单侧开挖方案横向流速即超过0.9 m/s相比，上行航线的通航水流条件改善明显。下行航线更靠近凹岸，当流量为2 010 m3/s时，航中线vy值均小于3 m/s，vx最大1.1 m/s，较单侧开挖方案下行航线的通航水流条件有所改善。各方案Q=2 010 m3/s下航中线流速见图7。

图7 各方案Q=2 010 m3/s下航中线流速

4.3 最大航宽

凹岸开挖方案的入弯口航宽由60 m扩展至90 m，出弯段航宽逐步收窄至60 m；凸岸开挖方案的入弯口上行航线分离，双向最大航宽120 m，出弯段收窄至60 m；凹岸与凸岸结合开挖方案的入弯段航宽由60 m扩展至150 m，出弯段航宽逐步收窄至60 m。

5 结论

1)针对厢廊急弯段的双向通航问题，采用物理模型试验结合船模试验的研究手段，提出单侧开挖方案及两岸同时开挖方案的整治思路，形成3组能够满足厢廊急弯段双向通航的布置方案，最大通航流量均可以达到1 200 m3/s。

2)从弯道可航水域范围、下行航线纵向流速及下行时对岸航速大小，选定在凹岸与凸岸开挖相结合的基础上，凸岸回填1/2做为厢廊急弯段航道整治的推荐方案。该方案实施后，可航水面范围最大航宽达150 m，较凹岸开挖方案90 m航宽有较大增幅；下行航线纵向流速最大为1.74 m/s，较凹岸开挖方案减小0.36 m/s；在流量Q=2 010 m3/s时，船舶通过弯道段航道时漂角、航迹带宽度等都有所降低。推荐凹岸和凸岸相结合的开挖方案。

3)本文提出的整治措施对环境影响较小，且施工工艺较为简便，可为类似急弯段航道整治工程提供参考。