張明進,楊燕華,張華慶,白玉川

(1.交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室,天津 300456;2.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072)

三峽水庫蓄水后守護型工程對改善長江中游航道條件的作用

張明進1,楊燕華1,張華慶1,白玉川2

(1.交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室,天津 300456;2.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072)

運用河流動力學(xué)理論,推求出整治水位下河槽在沖刷前、后航深變化值的表達式,對表達式的理論分析結(jié)果表明,在三峽水庫下泄清水沖刷的條件下,通過守護關(guān)鍵可動洲灘,控制航槽不向兩側(cè)展寬,同時控制航槽內(nèi)低矮的洲灘不被沖蝕,使清水沖刷只向縱向發(fā)展,就能達到增加航深的目的,這正是守護型控導(dǎo)工程對改善航道條件的積極作用所在。以長江中游荊江藕池口河段和太平口河段為例,計算了這兩個河段守護關(guān)鍵可動洲灘后航深的變化值,模型計算值與實測斷面概化后得到的航深變化值基本一致,進一步驗證了守護型工程實現(xiàn)航道改善的作用。

航道整治;守護型控制工程;三峽水庫;清水下泄;長江中游

長江中游河道為大型沖積性河道,水面寬闊,洲灘廣布,河床可動性強,形成了眾多淺灘礙航河段。在三峽水庫蓄水后,水庫下游河段長期依循一定規(guī)律的來水來沙過程發(fā)生重大改變,水庫下泄泥沙急劇減少,出庫水流平均含沙量較建庫前的多年平均值減少約80%,接近清水下泄,引起水庫下游河床發(fā)生長距離、長時段的沖刷與河勢調(diào)整,河床將長時期處于重建平衡過程中。根據(jù)已有長系列計算成果,長江中游荊江河段自三峽水庫蓄水后需30～40年方能達到最大沖刷深度,目前長江中游河床仍處在持續(xù)沖刷過程中。

由于長江中游的河寬較大,枯水期的河槽寬度遠遠大于航道寬度,航道整治若采取常用的“束水攻沙”原理,即在淺灘兩岸修筑大量丁壩,縮窄河寬,增強淺區(qū)水動力條件使淺區(qū)沖深,進而提高航道水深,將大幅度縮窄河寬,減小過水?dāng)嗝婷娣e,危及防洪安全,而且工程量浩大,經(jīng)濟上不可行。目前,經(jīng)過10余年的探索,在長江中游航道整治中形成了新的治理理念,即在三峽水庫清水下泄條件下,實施守護關(guān)鍵洲灘的控導(dǎo)工程,守護住對通航條件起關(guān)鍵、控制性作用的洲灘,從而保持有利的灘槽形態(tài),穩(wěn)定枯水期主流和主航槽位置。洲灘穩(wěn)定后,三峽水庫下泄清水就能較好地發(fā)揮其沖槽作用,從而改善航道條件。一系列的工程實踐已經(jīng)證明了守護型工程可以改善航道條件,達到航道治理的目標(biāo),例如長江中游荊江河段自2000年以來進行了重點水道關(guān)鍵部位的整治工程,包括枝江—江口[1-2]、沙市[3]、瓦口子、馬家咀[4]、周天[5]、藕池口[6]、碾子灣[7]和窯監(jiān)[8]等8個水道共11項已建或在建航道整治工程,其中多處整治部位均采用護灘帶、護底帶、護岸等控導(dǎo)工程,取得了較好的整治效果。

目前守護型控導(dǎo)工程實現(xiàn)航道條件改善的機制在理論上尚缺乏完整的表述,本文運用河流動力學(xué)理論,對整治水位下河槽在沖刷前、后航深的變化規(guī)律進行推求,并基于三峽水庫清水下泄的水沙運動特點及其影響下的河床變形特征,探討守護型工程在改善長江中的航道條件中起到的作用。

1 壩下游河道沖刷與航道變化

1.1 壩下河道演變規(guī)律

三峽水庫蓄水后,壩上游河段來水來沙條件基本未發(fā)生改變,但河段出口邊界條件卻發(fā)生了重大變化;壩下游河段河床邊界條件未發(fā)生改變,而河段進口來水來沙條件卻發(fā)生了重大變化:二者均使原平衡條件被打破,進入一個再造床的漫長時期。水庫上游重建平衡是以淤積來實現(xiàn)的,最終將實現(xiàn)淤積平衡;而下游重建平衡是以沖刷來實現(xiàn)的,最終將實現(xiàn)沖刷平衡。淤積平衡要求水流條件增強,沖刷平衡要求水流條件減弱,二者截然相反[9]。

淤積平衡既要懸移質(zhì)淤積達到平衡,也要推移質(zhì)淤積達到平衡,對于平原河流,由于懸移質(zhì)輸沙量遠大于推移質(zhì),只要懸移質(zhì)淤積達到平衡,就可以認為是淤積平衡;沖刷平衡則不然,因為沖刷使床沙粗化而不可懸,只存在唯一的推移質(zhì)沖刷平衡。

推移質(zhì)沖刷平衡實際是一種靜平衡,即沖刷至極限平衡時床沙不再運動,推移質(zhì)輸沙率為零。在恒定均勻流條件下可表示為

U-Uc≤0

(1)

式中:U為斷面平均流速,m/s;Uc為床沙起動流速,m/s。

以水流連續(xù)方程、運動方程(曼寧公式)及沙莫夫公式代入式(1)可得

(Q/B)6/7J/n2≤KD20/21

(2)

式中:Q為流量,m3/s;B為河寬,m;J為能坡比降;D為床沙粒徑,m;n為包括沙粒和形態(tài)阻力在內(nèi)的綜合糙率;K為系數(shù),水平床面K=77.4,逆坡或沙波迎水面K>77.4。

若只用連續(xù)方程代入式(1)則可得

Q/BH7/6≤K′D1/3

(3)

式中:H為斷面平均水深,m,是n和J的函數(shù),n越大、J越小,H越大;K′為與K相類似的系數(shù)。

壩下沖刷重建平衡過程中,河流體系內(nèi)各種要素都要發(fā)生調(diào)整,調(diào)整的目標(biāo)是滿足式(2)或式(3)。式中Q為流域加諸的外在因素,其余B、H、D、n、J都是內(nèi)在因素,是可調(diào)的,各要素既有獨立性,又相互依存,調(diào)整極其復(fù)雜多樣,既有個性又有共性,其中B、H、D是調(diào)整的基本要素,n、J潛于H之中。

由式(3)可知,對于處于沖刷重建平衡過程中的壩下河道來說,河寬、水深、床沙粒徑處于不斷調(diào)整之中。在這一調(diào)整過程中,為了達到增加水深的目的,可以采用人工干預(yù)的措施控制其他兩個因素的可變范圍。這其中,控制河寬的變化是最有效也最易實現(xiàn)的措施。

1.2 沖刷前后航深的變化

運用河流動力學(xué)理論,將河道進行概化。圖1為河道斷面概化示意圖,其中虛線為概化斷面,B0為河寬,B為深槽寬度,hn為灘上水深,hp為造床流量下的深槽水深,深槽深度H為深槽水深與灘上水深之差。在長江中游航道整治中,為了適應(yīng)三峽蓄水后來沙量銳減、河道向?qū)挏\方向發(fā)展的趨勢,采取了守灘沖槽的治理思路。在這種思路下,可以認為整治線寬度就是深槽寬度,整治水位一般為灘面高程,H可以認為是規(guī)劃航深。

圖1 河道斷面概化示意圖

水深的增減與水位降落相關(guān),為了重點分析沖刷前后航深的變化,將深槽部分水位降落與河床調(diào)整關(guān)系概化為圖2所示模型,圖中ζ、B、H、Z及J分別為水位、河寬、水深、河底高程及比降,其中下標(biāo)1表示整治前,下標(biāo)2表示整治后(下同);Δζ及ΔZ分別為水位下降值及河床平均沖刷深度。

圖2 河床下切水位降落示意圖

如圖2所示,由水流連續(xù)方程可寫出

B1H1U1=B2H2U2

(4)

將曼寧公式代入式(4)可得

(5)

同流量水位下降值為

(6)

假定沖刷前水深H1滿足航深要求,則根據(jù)式(6)可知沖刷后仍能滿足航深要求的必要條件為

(7)

1.3 參數(shù)分析

a. 糙率調(diào)整。水庫下泄清水后,下游河道持續(xù)沖刷,床沙級配不斷發(fā)生調(diào)整,床沙粗化是河床糙率的制約性因素。河床的糙率由兩部分組成,一部分是沙粒阻力(膚面阻力),另一部分是沙波阻力(形態(tài)阻力)。對于卵石夾沙河床,河床粗化后,粒徑大為增加,沙粒阻力增大,粗化程度越高,增大幅度也越大;對于細沙,河床粗化后變成中粗沙,沖刷后又由于斷面形態(tài)調(diào)整,流速降低,常處于低能態(tài),易于形成沙波,糙率大為增加,則有

(8)

b. 比降調(diào)整。壩下河道河床沖刷一般具有壩下近距離河段沖刷最為劇烈、沖刷量隨離壩距離增加而減小的特征。水庫運行初期壩下游沖刷幅度較大,隨著水庫運行,沖刷逐漸向下游發(fā)展。因而,一般情況下,壩下河道縱向比降總體變緩,則有

(9)

將式(8)和式(9)代入到式(7)中可得到

(10)

取B2≈B1偏于安全。由此可見,在三峽水庫下泄清水沖刷的前提下,通過守護關(guān)鍵可動洲灘,就能保持B2≈B1,只要控制航槽不向兩側(cè)展寬,同時控制航槽內(nèi)低矮的洲灘不被沖蝕,使得清水沖刷只能向縱向發(fā)展,就能夠達到增加航深的目的。在壩下河道達到?jīng)_刷平衡前,隨著沖刷歷時增大,航深不斷增大,即便沖刷前水深稍有不足,沖刷后也必能滿足式(7)的要求。這也就揭示了守護型控導(dǎo)工程改善航道條件的積極作用,即守護工程通過對河床橫向變形的控制,減小洲塌灘沖產(chǎn)生的橫向補沙，加大淺區(qū)縱向沖刷,從而為淺區(qū)水深持續(xù)漸進式改善提供邊界條件,對恢復(fù)平衡過程中的壩下河段可變洲灘的平面守控可以實現(xiàn)與傳統(tǒng)的立體式調(diào)整型航道整治工程類同效果。本文分析方法同樣適用于建設(shè)樞紐后,清水下泄條件下壩下河段的航道整治問題。

2 實例分析

以長江中游荊江藕池口河段和太平口河段為例,采用本文提出的方法計算這兩個河段自守護關(guān)鍵可動洲灘后工程區(qū)航深的變化值。

藕池口左槽、太平口左汊工程區(qū)河段整治前(分別為2010年、2006年)及整治后(分別為2013年、2011年)平均實測斷面及概化斷面見圖3和圖4。由圖3和圖4可見,藕池口左槽工程區(qū)河段整治前航深約為5.4 m,整治后至2013年航深約為7.9 m；太平口左汊工程區(qū)河段整治前航深約為3.5 m,整治后至2011年航深約為5.3 m。

圖3 藕池口左槽工程區(qū)河段實測及概化斷面

圖4 太平口左汊工程區(qū)河段實測及概化斷面

根據(jù)荊江河段實測資料[10],對于藕池口左槽,整治前(2010年)枯水比降J1約為0.036%,糙率n1約為0.022;河道經(jīng)過沖刷后,河段比降變小,糙率增大,至2013年,J2約為0.025%,n2約為0.026。對于太平口左汊,整治前(2006年)枯水比降J1約為0.039%,糙率n1約為0.02;至2011年,J2約為0.027%,n2約為0.024。由實測斷面經(jīng)過概化可知,藕池口左槽H1=5.4 m,太平口左汊H1=3.5 m,代入式(7)可得到航深增加值ΔH及沖刷后航深H2=H1+ΔH0。對于藕池口左槽,有ΔH=2.3 m，H2=7.7 m；對于太平口左汊，有ΔH=1.55 m，H2=5.05 m。

根據(jù)計算結(jié)果,藕池口左槽和太平口左汊工程區(qū)河段在實施守護工程后,航深分別提高了2.3 m和1.55 m,2013年藕池口左槽工程區(qū)河段的航深能達到7.7 m,2011年太平口左汊工程區(qū)河段的航深能達到5.05 m?？梢?本文理論模型計算得到的航深變化值與實測斷面概化后得到的航深變化值基本一致。此外還可以看出,通過守護洲灘,引導(dǎo)清水沖刷而得到的航深的增加值受到河段自身基本要素(H1、n1、J1)的制約,當(dāng)壩下河段再造床達到新的平衡狀態(tài)后,河段水力要素趨于穩(wěn)定,守護型工程的效果也就達到了極限，而更高標(biāo)準(zhǔn)的航深要求須依靠進攻型工程整治措施來達成。

3 結(jié) 論

a. 長江中游河道為大型沖積性河道,采用常用的“束水攻沙”原理進行航道整治將危害防洪安全,目前新的治理理念為，在三峽水庫蓄水運行以后,接近清水下泄的條件下,實施以守護關(guān)鍵洲灘為目的的控導(dǎo)工程來改善航道條件。本文通過推求出整治水位下河槽在沖刷前、后航深變化值的表達式,從理論上探討了守護型控導(dǎo)工程改善航道條件的作用。

b. 對于壩下沖刷重建平衡過程的河道來說,河寬、平均水深、床沙粒徑處于不斷地調(diào)整之中。在這一調(diào)整過程中,為了達到增加水深的目的,可以采用人工干預(yù)的措施控制河寬和床沙粒徑的可變范圍。這其中,控制河寬的變化是最有效也是最易實現(xiàn)的措施。

c. 運用河流動力學(xué)原理,推求出整治水位下河槽在沖刷前、后航深變化值的表達式,由該式可見,在三峽水庫下泄清水沖刷的前提下,通過守護關(guān)鍵可動洲灘,控制航槽不向兩側(cè)展寬,同時控制航槽內(nèi)低矮的洲灘不被沖蝕,使得清水沖刷只能向縱向發(fā)展,就能夠達到增加航深的目的。這正是守護型控導(dǎo)工程改善航道條件的積極作用所在。

d. 值得提出的是,一旦有利的灘槽格局被破壞,航道條件已經(jīng)惡化,或者守護型控導(dǎo)工程強度不能滿足規(guī)劃的航深要求,進攻型的整治措施雖然也是必要的,但對于長江這樣的大河,水流能力大,要實現(xiàn)同等的整治效果,不僅整治難度大幅增加,投入的人力物力也將成倍增加。另外,由式(3)可知,影響水深的因素包括河寬和床沙粒徑,本文初步研究了河寬的調(diào)整對提高水深的作用,可為下一步考慮床沙粒徑對水深的影響研究提供參考。

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Effect of protective control works on improving waterway condition in middle reaches of Yangtze River after impounding of Three Gorges Reservoir//

ZHANG Mingjin1, YANG Yanhua1, ZHANG Huaqing1, BAI Yuchuan2
(1.KeyLaboratoryofEngineeringSediment,TianjinResearchInstituteforWaterTransportEngineeringofMinistryofTransport,Tianjin300456,China; 2.StateKeyLaboratoryofHydraulicEngineeringSimulationandSafety,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)

Based on the river dynamics theory, we derived a mathematical expression of waterway depth variation before and after erosion of the channel at regulation stage. Then, the theoretical analysis of the expression showed that waterway depth could increase. Under the erosion of the release of clear water from the Three Gorges Reservoir, in order to make the release of clear water only erode vertically, it is necessary to take several measures, that is, protecting key movable bottomlands, controlling dredged channel(not broadening in both sides), and protecting low bottomlands from erosion in dredged channel. Thus, protective control works play a positive role in improving waterway condition. Taking Ouchikou and Taipingkou segments of the Jingjiang River at the middle reach of the Yangtze River as examples, we computed the variation of waterway depth in both segments after protecting key movable bottomlands. The model derived results are in accordance with the variation of waterway depth resultant from generalized measured profile, which further verifies the effect of protective control works on improving the waterway condition.

waterway regulation; protective control works; Three Gorges Reservoir; release of clear water; middle reaches of Yangtze River

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃) (2012AA112508);國家自然科學(xué)基金 (50979066,51209112)

張明進(1979—),男,遼寧北票人,副研究員,博士，主要從事航道整治研究。E-mail: zhang_mingjin@vip.sina.com

10.3880/j.issn.1006-7647.2015.04.013

TV131.2+9

A

1006-7647(2015)04-0055-04

2014-05-13 編輯：鄭孝宇)