来桂航道铜鼓滩—羊栏滩段航道优化设计*

2022-06-30钱黎辉于忠涛毕雪峰罗业辉

水运工程 2022年5期

江涛，钱黎辉，于忠涛，毕雪峰，罗业辉，王鑫，张明

(1.中交水运规划设计院有限公司，北京 100007；2.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)

随着黔江大藤峡水利枢纽大江截流及大藤峡船闸建成通航，枢纽上游已形成优良库区航道，可常年通航2 000 t及以上船舶。而大藤峡坝下段航道仍按V级航道标准通航、维护，且来桂航道铜鼓滩—羊栏滩航段近年来海事频发，严重制约着黔江及上游航运发展，成为航运瓶颈，迫切需要按规划将航道升级为Ⅱ级航道，但航道等级由Ⅴ级大幅提升至Ⅱ级，给航段整治带来了航道尺度维护及通航水流条件改善双重难题。

曹民雄等[1]分析了国内典型急流滩的情况，提岀了整治方法；赵家强等[2]开展了大藤峡坝下未衔段滩群整治模型研究，开展比选分析；庞雪松等[3]通过开展黔江和浔江交汇河段羊栏滩物理模型试验，提出了4种整治思路；黎国森等[4]分析了郁江口汇流段及羊栏滩河床形态和通航水流条件的特殊性，通过物理模型试验和自航船模试验相结合的方法提出并研究了满足船舶对会的工程方案；周家俞等[5]以嘉陵江南充段凤仪场库尾河段为例，采用河工模型试验方法，制定了整治方案；郑钧予[6]以闽江沙溪口水电站坝下脱水段航道为例，基于二维水流数学模型，评价了枢纽坝下脱水段航道整治方案。

本文综合分析来桂航道大藤峡枢纽坝下段的滩险特性、碍航因素、流态、地形等，提出了航道整治方案，在模型试验[7-8]研究基础上，开展航道优化设计，再次经过模型试验验证，显示优化方案能显著改善流态和航行安全，可保障Ⅱ级航道畅通。

1 工程概况

1.1 航道现状

由于长洲枢纽正常蓄水位仅回水至桂平三江口，大藤峡坝下存在约12 km的枯水期脱水段，自上而下分布有飞凤角、鹅蛋滩、铜鼓滩及羊栏滩等4个滩险，目前航道的维护尺度为1.6 m×22 m×270 m(水深×航道底宽×弯曲半径)。江中存在较大孤立礁石且碍航特性复杂，呈现多滩相连的特征(图1)，航段近年来海事频发。其中铜鼓滩、羊栏滩滩段的水流特性受黔、郁两江来水组合和复杂地形条件控制，碍航特性最为复杂，整治难度大。前期通过对羊栏滩开挖宽浅型分流中槽、清除汇流口处碍航礁石的整治方法，使得该段航道通航水流条件初步得到改善，然而中洪水期在黔、郁两江汇流及中槽分流口附近仍存在大流速区。参考物理模型对现状滩险碍航特性试验分析成果，铜鼓滩中前段碍航特性表现为枯、中水险滩碍航；铜鼓滩与羊栏滩衔接段呈中洪水急险滩碍航，最汹流量级均为4 280 m3/s；羊栏滩中后段呈洪水急流碍航，最汹流量级为8 600～11 358 m3/s。

1.2 水文泥沙和冲淤变化

根据位于羊栏滩下游约26 km的大湟江口水文站统计资料，年平均径流量为1 696亿m3，多年平均输沙量为5 010万t，随着上游各梯级的建设，输沙量呈现逐年减少的趋势。工程河段硬质河床抗冲性强、岸线稳定、深泓平面形态多年变化不大，2009—2019年间，大藤峡下游近坝段受大藤峡枢纽施工影响，局部河床有较大变形；鹅蛋滩、铜鼓滩河段微冲微淤，河床冲淤幅度一般在0.5 m；羊栏滩中槽受开挖影响，河床下切0.5～1.0 m，中槽两侧高滩有淤积幅度近1.0 m。总体来看，受近年来河流输沙减少影响，飞凤角—羊栏滩河段河床以冲刷为主，平均冲淤幅度为0.07 m，见图2。

图2 2009—2019年河道深泓线纵向变化

2 航道设计方案比选

2.1 航道初步设计方案

来桂航道坝下段航道按2 000吨级设计，设计代表船型为2 000吨级货船、1顶2×2 000吨级顶推船，设计航道尺度为4.1 m×80 m×550 m，开挖水深为4.5 m，整治后流速控制指标采用3.00 m/s，比降控制指标采用1.5‰。

航道线路设置原则为：1)充分利用深槽，力求航道稳定，符合习惯航路，尽可能加大弯曲半径，直线段与弯曲段平顺连接，适航性、安全性好。2)在满足航道最小弯曲半径的前提下，开阔的河段航道线路尽量顺直连接；在弯曲河段，尽可能加大弯曲半径，调顺航线，满足船舶安全通航要求。

航道上游衔接大藤峡船闸下游引航道，至黔江大桥通航孔的飞凤角和鹅蛋滩均为唯一线路，仅在黔江大桥下游的铜鼓滩和羊栏滩开展方案比选，其中羊栏滩为与贵梧3 000吨级航道工程衔接段，设计时航道沿大沙右侧航槽与其衔接[9]。

1)初步设计方案1。黔江大桥采用双孔通航，通航孔净宽50 m，主航道宽度80 m，从黔江大桥桥区双孔直线段汇聚之后至担干石采用直线段，直线段长度950 m；考虑到右岸为连续险滩，尽量沿用习惯航路，担干石—下罗窑采用弯曲半径810 m的弯道段，下罗窑—子沙采用弯曲半径600 m的弯道段，航道呈“S”形，两反弯段之间的直线长度取192 m，为改善航道流态和航行条件，在弯道段右侧均考虑加宽40 m以切除石角和礁石；子沙段后采用弯曲半径550 m与贵梧3 000吨级航道顺接，见图3a)。

2)初步设计方案2。在设计方案1基础上将担干石—上罗窑弯顶段航道弯曲半径增加至910 m，同时为便于船舶操纵、减少发生海事的风险，将上罗窑—子沙的弯曲段航道拉直，担干石—铜鼓滩航线向左侧偏移，铜鼓滩—子沙段航线布置向右侧高滩区域偏移，航道较为顺直，同样为改善航道流态和航行条件，在右侧均考虑加宽40 m以切除石角和礁石，见图3b)。

图3 铜鼓滩、羊栏滩段初步设计方案(单位：m)

疏浚和炸礁断面见图4。

图4 疏浚和炸礁断面

2.2 物理模型试验

为了验证两组初步设计方案效果，采用物理模型试验分别对其进行通航水流条件及碍航滩险整治效果验证分析。为了便于更明确地分析试验河段内的整治效果，将河段分为铜鼓滩中前段(黔江大桥—上罗窑上部)、衔接段(上罗窑上部—子沙上部)及羊栏滩中后段(子沙上部—大沙下部)。

2.2.1初步设计方案1

铜鼓滩中前段，担干石—上罗窑上部偏向于航道右侧，部分切除担干石。试验结果显示，设计航线中枯水期铜鼓滩弯顶段受担干石挑流形成的回流范围有所减小；最不利流量Q黔=4 280 m3/s下，担干石下游CS27断面航道内最大表面流速降至1.72 m/s(现状2.28 m/s)，相应横向流速分量减至0.15 m/s(现状0.85 m/s)，见图5。从水流条件试验结果看，滩段中枯水险滩碍航问题较现状条件有明显改善。

图5 Q黔=4 280 m3/s时铜鼓滩担干石局部水流条件

衔接段，上罗窑上部—下罗窑上部偏向于航道右侧，航道较为弯曲，下罗窑偏向于左侧。试验结果显示，最不利流量Q黔=4 280 m3/s下，对应卡口下游下罗窑CS36断面航道内最大表面流速3.30 m/s(现状3.60 m/s)，局部比降达5.13‰(现状6.18‰)，坡陡流急碍航特性依然明显；同时中枯水期依然受两岸石质边滩控制而在航槽内形成滑梁水、剪刀水等不良碍航流态，最大流速横向分量达1.29 m/s(指向航道右边线)，与航中线呈23°夹角，见图6。船模航行试验表明当Q黔>2 080 m3/s时2 000吨级船队无法上行通过衔接段航道。结合水流条件试验及船模航行试验结果，由于衔接段对两侧边滩切除范围小，尤其是左侧边滩挑角，使得衔接段无法有效扩大过水断面面积，中、洪水急险滩碍航的水流特性无法得到有效改善。

图6 Q黔=4 280 m3/s时衔接段局部水流条件

羊栏滩中后段两江汇流段范围，航道与贵梧3 000吨航道顺接，偏向于航道右侧。试验结果显示，在不利流量Q黔=8 600 m3/s下，由于棋盘石部分及子沙的清除，航道内最大表面流速为3.23 m/s(现状3.30 m/s)，滩段平均比降保持0.31‰不变；其下游贵梧3 000吨级航道范围，最大流速为3.32 m/s(现状3.7 m/s)，滩段平均比降为0.31‰。船模航行试验表明Q黔≥8 600 m3/s时2 000吨级船队一方面无法沿羊栏滩段设计航道上行，另一方面当船舶行至黔、郁两江汇流口处右转向时，由于船舶上行时对岸航速较小，而主流流速较大，船舶易被主流冲向河道中心，存在较大安全风险。结合水流条件试验及船模航行试验结果，羊栏滩中后段洪水期流速虽较现状条件下有所减小，但由于汇流段对边滩清炸范围有限且衔接段水流仍集中于深槽，进入汇流段水流无法得到有效分散，流速与比降仍较大，存在洪水期急流碍航问题。

2.2.2初步设计方案2

铜鼓滩中前段，担干石—上罗窑上部偏向于航道左侧，少量切除担干石。试验结果显示，初步设计方案2使得伸入航道内回流范围有所减小，航中线流速沿程分布均匀，典型流量Q黔≤11 358 m3/s下，滩段流速小于3.0 m/s；且当Q黔=4 280 m3/s时担干石下游断面航道内最大流速横向分量减小至0.13 m/s(现状0.85 m/s，初步设计方案1为0.15 m/s)，流速与航中线夹角减小至3°(现状22°)，见图7。铜鼓滩中前段枯、中水险滩碍航特性有所改善。

衔接段上罗窑上部—下罗窑上部偏向于航道左侧，航道顺直，下罗窑偏向于航道右侧。试验结果显示，在现状条件下(4 280 m3/s≤Q黔≤8 600 m3/s)，受左右高滩限制，过水断面较上下游明显减小，主流下泄不畅，Q黔=4 280 m3/s时下罗窑断面最大局部比降达6.18‰，对应流速3.65 m/s，坡陡流急并伴随有滑梁水及剪刀水的不良流态，中、洪水急险滩碍航特性明显；方案实施后，Q黔=4 280 m3/s时航道内局部最大比降减小至3.17‰，对应流速3.16 m/s(图8)，虽较现状条件均有所减小，但仍无法满足设计船型上滩能力指标，存在坡陡流急并伴有滑梁水及剪刀水等不良流态。

图8 Q黔=4 280 m3/s时衔接段局部水流条件

羊栏滩中后段，航道与贵梧3 000吨航道顺接，偏向于左侧。试验结果显示，现状条件8 600 m3/s≤Q黔≤15 000 m3/s下，大范围滩段进入3 m/s以上大流速区，具有洪水急流碍航特性；方案实施后，滩段流速无明显改善，仍具有洪水期流急碍航的特性。

2个方案的模型试验验证显示：总体来说初步设计方案2航道流态及航行条件改善效果较初步设计方案1更明显，两组设计方案工程量、航线布置的对比见表1。

表1 设计方案对比

3 设计方案优化

根据碍航水流形成的条件及航道安全通航要求，基于初步设计方案2，并考虑多滩联动特性，提出优化整治思路，见表2。

表2 各滩段优化整治思路

3.1 优化设计方案

为更好地开展优化设计，从平面布置和断面布置两个方向提出优化[9]。

1)优化设计方案2A。为保证2 000吨级顶推船队在流速较大的情况下能顺利下行，在初步设计方案2基础上将担干石—上罗窑的弯顶段弯曲半径由910 m提高到1 000 m，同时将黔江大桥桥区双孔直线段汇聚段—担干石段航道中心线向航道右侧偏移；将担干石上游航道需炸礁的范围向右侧加宽40 m，为彻底消除担干石的影响，在担干石区域航道右侧加宽至90 m；为减少布标，完全清除担干石—上罗窑与原航道深槽的碍航礁石；为有效增大中洪水时的过流断面以改善流态和上滩条件，下罗窑—子沙段航道炸礁范围往右侧加宽70 m以进一步清除右侧高滩，上罗窑—大沙上段航道左侧卡口段往左侧加宽120～220 m范围清除至19.5 m高程，并与中槽航道顺接，提高中槽分流量；为改善左侧上滩条件，子沙段后采用弯曲半径1 200 m与贵梧3 000吨级航道顺接，见图9。下罗窑段断面左侧为呈两层阶梯状，见图10。

图9 铜鼓滩至羊栏滩段优化设计方案(单位：m)

图10 优化设计方案断面(单位：m)

2)优化设计方案2B。黔江大桥—下罗窑上部同优化设计方案2A，为减少工程量，下罗窑—子沙考虑同航道底高程一致加宽40 m，同左侧，在其右侧清除至19.5 m高程，其加宽值在60～70 m。下罗窑段断面为左右两侧均呈两层阶梯状。

两个方案均可显著扩大衔接段过水断面，改善流态，其优缺点对比见表3。在增加工程量有限的情况下，设计以优化设计方案2A作为推荐方案，其可显著减少海事发生的概率。

表3 优化方案对比

3.2 物理模型试验

采用物模和船模试验对推荐的优化方案2A进行整治效果验证，对应初步设计方案中各个滩段最汹流量级Q黔=4 280 m3/s，铜鼓滩担干石及衔接段局部水流条件见图11a)、b)，羊栏滩中后段对棋盘石局部及子沙进行清炸后，使得来桂Ⅱ级航道范围内流速减小明显，Q黔=8 600 m3/s及Q黔=11 358 m3/s时来桂Ⅱ级航道范围内航道中心线流速沿程分布见图11c)。

图11 优化方案物理模型试验验证

物模验证结果表明：随着黔江流量增加，滩段平均比降呈先增大后减小的趋势，流速呈递增的趋势，中洪水期航道流速大、局部滩段水流紊乱的碍航问题得到解决，见表4；最小通航流量下，航道水深达到4.6 m，可满足2 000～3 000吨级船舶通航。

表4 物理模型结论

同时在物理模型试验中采用2 000吨级单船和船队开展船模试验，试验表明：1)当Q黔≤20 000 m3/s时，单船在设计航道范围内均可正常上行通过，对岸航速满足自航上滩要求；当20 000 m3/s≤Q黔≤27 000 m3/s时，船队除大沙和子沙段约0.2 km范围内需由左侧缓流区上行，其余设计航道范围均可正常上行通过；2)单船可顺利下行通过该航段，船队只需船首沿航道中线下行便可顺利通过；3)11 358 m3/s≤Q黔≤27 000 m3/s时，由于羊栏滩中槽分流，航道存在小范围的较大横流，只要谨慎操控便可顺利通过。