卢自来

（四川省交通勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

一个水文年的河道地形及水文等原型观测资料包括枯水期、中水期、洪水期3个流量级下的测量资料。控制测量布设一级控制点和四等水准点，满足设计及地勘放样的要求，并为施工单位提供基础的控制测量成果。水文观测包括水位测量、表面流速流向测量、航迹线测量、河心比降测量、断面流速分布及流量观测、河床质打印、边滩坑探取样、跨河（过河、临河）建筑物和管线定测等。通过提供枯水期、中水期、洪水期3个流量级下的测量资料，为设计人员提供基础的地形及水文资料；并提供给物理模型、数学模型试验人员使用，验证物理模型和数学模型；满足工程勘察设计阶段工程结构设计及工程量计算的需要；为施工单位提供基础地形资料及施工依据。

1 河流航道水文测验的流程

1.1 水尺设置与观读

在选择水尺位置时，应选择能充分反映模型观测区域的水位变化，无沙洲、浅滩阻隔，无雍水、回流现象，不直接受风浪、急流冲击影响，不易被船只碰撞的地方。水位观读采用自动记录水位计，能避免人工观读的时间及读数误差，确保水位测量数据的精度。水位观测读数应精确到10mm，上下比降断面的水位差小于0.2m时，水位观测读数应精确到5mm。水尺零点与高程基准联测应符合图根水准的要求，纵比降小于1/10000时，水尺零点按四等水准要求联测。

1.2 流速流向测量

流速流向测量应尽可能选择无风或小风天观测。流速流向观测时起始断面的浮标要尽量均匀放置，单一河段不小于5条流线；分汊河段主槽不小于3条流线，支汊根据情况选择流速流向线的条数，保证不少于1条。观测方法可采用前方交会配合浮标法，浮标点定位时，最小交会角为30°，最大交会角为150°。交会线长度以2～3倍河宽为限进行控制。

1.3 航迹线测量

航迹线测量分为上水航线和下水航线测量。观测采用RTK或网络RTK的方式测量，船只为原型观测河段代表性船只，大型船舶进行双迹观测，双迹观测把GPS固定在船首和船尾并同步记录数据，按时间间隔自动记录方法进行测量；中、小型船舶采用单迹观测，将GPS固定在船舶中部，采用距离间隔自动记录方法进行测量，并进行现场调查，记录所测船舶的船型、功率、吃水、载重等相关参数。

1.4 河心比降测量

河心比降测量采用RTK或网络RTK的方式施测，观测时将GPS固定在船舶中部，按距离间隔自动记录方法进行测量。其平面定位允许误差为图上±1.5mm；高程测量允许误差为图上±50mm；定位间距不大于图上30mm。水面比降测量开始到结束时每隔1h观读水尺水位一次，以保证河心比降的施测水位精度，河心比降图以施测水位成图。

1.5 断面流速分布及流量观测

断面流速分布及流量观测开始测验前，采用流速仪法与声学多普勒流速剖面仪同垂线的流速、流量、流向等项目的比较检测，其方法是用流速仪施测不同垂线位置、相对水深0.6h处的点流速30点以上，每点历时100s；用声学多普勒剖面仪在相同位置定点施测流速，记录30组数据以上（摘录水深0.6h处的流速）。然后进行误差统计，比测结果的相对系统差在±1%以内，相对标准差不超过1.5%。

测流断面流量闭塞差控制在5%以内，按公式（1）和公式（2）计算。单一河段如公式（1）所示。

分汊河段如公式（2）所示。

式中：δ为流量闭塞相对误差（用%表示）；Q为单一河段首尾控制断面流量的平均值（m/s）；Q为单一河段第i个断面的流量（m/s）；Q为分汊前或汇合后干流控制断面的流量（m/s）；∑Q为各汊道进口或出口控制断面流量的总和（m/s）。

1.6 河床质打印

河床质打印在枯水期水文观测时进行，河床质打印点在测流断面上，在每条测流断面布置3个测点进行，其中左、中、右测点分别布置在距河边1/4、1/2、3/4河宽处。施测时，将河床质探测器吊装于绞车上，提升探测器到船舷外，放松刹车让探测器快速落至河底，即可打印到河床情况，再将探测器提升到船上，进行拍照与绘制拓印面草图，并记录河床质组成情况。如探测器中无任何印迹，应重新施测。

1.7 边滩坑探取样

坑探位置选在原始河滩，挖取0.5m×0.5m×0.5m河床质进行颗粒粒径分析，并绘制颗粒级配成果表。

1.8 跨河（过河、临河）建筑物和管线定测

原型观测的跨河（过河、临河）建筑物和管线定测内容包括桥梁、架空线缆、过河管道以及码头等临河建筑物。桥梁位置采用GPSRTK或全站仪极坐标法施测，通航孔位置和通航孔顶高采用全站仪免棱镜法施测，通航净高等通航孔参数通过孔高和桥下断面水深计算。过河线缆和过河管道采用点瞄法施测，测量时先测量左右悬挂点的坐标，然后从左往右依次观测，计算各点至左悬挂点的距离、高度，绘制悬弧图，确定悬弧最低点高程，计算通航净空高度。码头临河建筑物测量采用全站仪或GPSRTK方式施测，对定测的桥梁、管线、码头等建筑物在测量期间安排专人进行调查，包括桥梁建成时间和管理单位等，过河线缆和管道的类型、电压和管理单位、码头等临河建筑物的建成时间和管理单位等信息。并整理成册。

2 长江上游河流航道的水文观测

三峡蓄水是从20世纪90年代开始的，区域内的各条河流由于受到各类采砂、航道整治工程的干扰，三峡内的所有河流沙量移动产生巨大的变化。根据长江上游不同时段的来沙统计数据（表1）可知，长江上游寸滩站的年流沙量从1990年的3520亿m开始逐年下降，直到2016年的流沙量降到3221亿m的均值，在该过程中，长江上游寸滩站的悬移质输沙量逐年减少，降低比例高达27%左右。寸滩站输沙量在年内的占比还是汛期的流沙推移量都达到90%以上，在95%左右，而在非汛期的流沙推移占比较低，充分说明长江上游的流沙输移量在汛期的占比高低，直接影响到该段全年流沙失衡占比，而该段河流的卵石推移大多集中在6—9月，其他月份的推移很少。

表1 不同时段长江上游寸滩站来水来沙统计结果

弯道泥沙的输移主要受到泥沙横向推移、泥沙分选及输沙带这4个因素的影响，而河流弯曲是导致弯道泥沙出现横向输移的重要诱因，会使弯道的泥沙受到横向水流的冲击逐渐向岸边输移。在弯道这种特殊推移作用下，会重新改变河床的整体形貌，导致河湾也同步出现变化，当弯道的泥沙出现移动变化时，它的运动规律会受到河流底部的横向与纵向流速的影响，而且河流底部的泥沙如果能够保持静力平衡的状态，是保证河床稳定的重要因素。河流的横向坡度是由河槽和边滩组成的，对位于斜坡部分的泥沙来说，一旦受到重力影响，例如出现拖曳或是上举的力量，此时的河底泥沙会保持静力平衡的状态，也是受到2种力量后产生下滑而形成的，而且横向推移的泥沙如果强度为0时，会随着河床受到的力量出现垂直流动的运动状态。

对长江上游段的测试数据进行分析，当处于一定条件时，弯道的泥沙推移深度要比直流河段的泥沙推移深度高1.5～1.7倍。这充分证明河沉泥沙的运动开始于弯曲的河道地段，而非直流地段。当泥沙处于弯道河流时，受到水的作用力会给该段的河床演变带来巨大影响。当泥沙推移运行且弯曲河段边岸区的流速很高时，在该条件下，凹岸泥沙的冲刷力度和推移速度明显比直河流段快。如果在移动的过程泥沙量较少，那么凹岸的泥沙状态为冲刷形态，且容易形成侧面不断冲刷的局面，偶尔还会出现一些岸坡坍塌的现象。另外，弯道的泥沙会受到水流的作用力被推到对岸或下游。而凸岸的水流受到流速缓慢的水流影响，慢慢将泥沙从凹岸流入，进而出现淤积，使弯道的弯曲度发生变化。在自然弯曲的河流河道慢慢发生变化的过程中，弯道段凹岸会受到不同强度的水流作用，使泥沙的推移运动方式出现不同，就会导致凹岸河道出现较深的冲刷坑。

当长江上游的长叶碛段河流处于中枯水期时，因为河流流量不大，河流冲击力小，对河底的泥沙不会产生多大的移动作用。当水流速达到9350m/s时，该段河流的底部泥沙开始移动，使河流上游的航道边缘生成较大范围的移动带，也会有其他局部地段的泥沙出现推移，但从整体来看，推移速度较慢，在该流量条件下，输沙带的移动仅约200m左右。当水流的流带提高到20000m/s时，会在河流滩面处产生较大量的泥沙推移现象，推移带几乎布满整个长叶。总的来说，长叶碛边滩的泥沙在水流量较小的条件下，推移力量也较小。而在水流量较大的条件下，滩面输沙能力也会随之提高。在该条件下，由于床面受到斜流的冲击，因此输沙方向总体偏向凹岸。

3 长江上游航道尺度测量以及滩险成因分析

3.1 长江上游当前航道尺度测量情况

长江上游朝天门到涪陵段对航道建设的标准定位于整个河段的航道尺度需要达到4.5m×150m×1000m，由于该段河流处于回水变动区域，会在特殊时期出现水深不足的现象，因此航道内的船只航行。只有当河流水深达到4.5m以下的条件时，同时航宽要求达到120m，弯道半径小于800m，航道才能正常运行。由图1可知，选取里程为631km～633km的河段进行航道尺度分析，并依次标明断面号，共取13个断面，在设计水深4.5m下1-3号断面河段由于处于顺着河道，所以平时河流流速平缓，具有较好的航行条件，可满足4.5m航道的各项标准。4-6号断面由于水流受到碛翅的阻挡，当河流流入断面处时，会有一定的束缚作用，所以该段河流速度较快，河流形态也比较复杂；直到7号断面最严重，此处河段水位下河宽小于180m，之后河流随着向下游流动的方向逐渐变得开阔，尤其到了鱼嘴部位会变得更加伸展，此段流河宽到达到380m的设计水位标准。长叶碛是长江上游著名的在枯水期通航困难的弯浅险滩，河段的弯曲半径不足1000m。综上所述，在目前的通航条件下，河段并不能满足航道尺度为4.5m水深航道标准的要求。

3.2 滩险成因分析

长江上游长叶碛这段河流较为弯曲，属于凸岸卵石大边滩，且有大量各类礁石与卵石相对峙，在该河流段的低水位时期的航道会出现河流浅、航道窄等局限，此处为长江上游较为出名的浅难部分。而长叶碛位于上游的偏右岸，冀翅深入河心部分，航道既弯曲又狭窄，根本达不到正常航行的标准槽宽。行到鱼嘴间部位时，出现航道弯曲半径达不到标准的情况，经过该段的水流，会受到横向离心力的作用力，形成各种斜流或是不良流态，导致航道不能正常运行。在对该段河流的流态进行物理测量时，能看到该段河流的斜流现象非常突出，航道方向和斜流水流的夹角在40°左右，同时斜流水的流速高达2.0m/s，在这样的斜流上进行航行，一旦出现不当操作，会出现海损事故。

4 长江上游河流航道整治方案及预期效果

4.1 航槽布置

针对长江上游长叶碛河段的航槽设计倾向于左岸，经过大片孤礁地带，然后经过水葬处会看到弯道，一路下流到下游处时，长叶碛碛翅处的航道会靠近左岸，然后顺流而下会经过最后一个弯道-民曲石段，通过鱼嘴部位的长江大桥后，此段河流终点到达。这段河流的航槽宽度预计为150m，弯曲半径最小值为1000m。

4.2 总平面布置

根据总体设计的航槽布置方案，对长叶碛碛翅进行开挖，挖槽的设计要根据该河段浅滩特点来规划，在浅滩最浅处内开始挖长度为1100m的航槽，挖到疏浚河段时最大宽度要够454m。整个挖槽的平面设计要根据长叶碛主航道的河床特点来进行，疏浚河段的航槽开挖位置要比低水时期的航槽偏点，朝着麻雀堆的方向开挖。根据规划设计，在疏浚河段的航槽开挖要与上下游河势进行顺应，挖槽区长约900m，宽约345m。设计水位采用 2018—2025年鱼嘴设计水位成果156.42m（吴淞高程）。

图1 长江上游长叶碛河段水道河势图

4.3 预期效果分析

通过对长江上游长叶碛浅滩进行航槽的规划设计与开挖，总面积约为150000m左右，航道水深预计达到3.5m，结合回水区因流流变动出现泥沙回淤情况，设计备淤空间增加0.2m。由于开挖的新航道偏向于左岸，航道内挖槽区面积为36954.46m，在这套航槽开挖方案实施后，当河流流速达到13500m/s以上时，不易出现泥沙卵石淤积的现象。当河流的流速达到9350m/s时，会使斜向水流加速，与航槽形成10°左右的夹角，当水位上升到6m以上时，河流的流向会出现向右偏移的情况，然后斜流和航槽的夹角也会变小，这样就能改善航道的通行条件条件。

5 结语

综上所述，河流航道的地形测量采用一体化航道测量融合了多波束扫测、三维激光扫描等高新测绘技术，通过航道数据的智能化融合，能够提供比常规方式更丰富、更直观、更全面的测绘成果。航道数据通过一体化数据平台进行智能化融合，可获取高精度一体化点云数据。水尺观测采用自动水位记录仪进行，避免了人工观读的人为误差。流速流向测量采用前方交会方法进行，确保平面精度，标靶采用气球下悬挂石头，确保了气球流向与水流向一致。该文通过收集整理长江上游长叶碛河段的实测资料及相关数据，对长叶碛河段进行了水文分析，研究其滩险成因，并基于水沙运动的河床结构分析，提出了针对该段航道整治方案。