(長江科學院 河流研究所，湖北 武漢 430010)

長江中游戴家洲河段提高航道標準治理工程模型試驗研究

張慧李會云朱勇輝

(長江科學院河流研究所，湖北武漢430010)

為挖掘長江航運潛能，提高長江中游航道通過能力，依托黃金水道推動長江經濟帶發(fā)展提供科學依據，通過河演分析和河工模型試驗，重點研究了提高航道標準治理工程實施后戴家洲河段的河床沖淤、洲灘穩(wěn)定性、汊道分流比等變化規(guī)律，在此基礎上分析治理工程實施對戴家洲河段河勢、防洪、岸坡穩(wěn)定以及航道等的影響。研究表明，實施治理工程能實現戴家洲河段直水道6.0m航道的通暢，對防洪和岸坡穩(wěn)定影響不大；但戴家洲右汊分流比增大，對河勢有一定影響。其研究成果可供治理工程論證與設計參考。

航道治理；河工模型；河勢；防洪； 長江中游

1 研究背景

戴家洲河段位于長江中游湖北境內，為長江中下游重點治理河段，也是長江中游重點淺水道之一。該河段先后實施了一期工程、戴家洲右緣下段守護工程及二期工程，工程實施后基本實現了該河段“十二五”規(guī)劃目標，河段航道尺度基本達到4.5 m×200 m×1 050 m ，保證率為98%，目前戴家洲航道水深不滿足6.0 m×200 m×1 050 m 的要求，成為武漢至安慶段提高至6.0 m的瓶頸河段之一。因此開展該河段提高航道標準治理工程的研究與建設具有十分重要的意義。

戴家洲河段，上起鄂州市，下止廻風磯間，全長約34 km，長江宜昌至安慶段提高航道標準治理工程規(guī)劃在該河段加高，上延一期工程脊壩、新建刺壩和布置護灘、潛丁壩、護底帶等工程[1](見圖1)。

國內對于戴家洲河段航道整治工程研究起于2006年，且以河段演變規(guī)律及礙航特點為重點，提出4.5 m航深航道整治原則。在此基礎上，開展了工程方案的研究，并分別提出了總體治理方案、一期工程治理方案及戴家洲右緣下段守護方案。期間，劉萬利、李旺生等對戴家洲河段天然水流特性、崩岸特性及護岸措施進行了研究[2-3]。蔡大富分析了戴家洲河段河床演變及礙航特性，研究了戴家洲右緣護岸工程方案[4-5]。張慧、李會云等對鄂黃河段河道演變及治理對策進行了探討，但研究僅限于保障4.5 m航深的航道安全，目前國內外對該河段提高航道標準治理工程的研究較少[6]。本文通過河演分析和河工模型試驗，研究提高航道標準治理工程建設對戴家洲河段河勢、防洪和航道等影響。

圖1 戴家洲河段治理工程布置示意

2 戴家洲河段河床演變及趨勢

2.1 歷史演變

戴家洲河段地處大冶褶皺束的隆起帶，受其構造控制的影響，歷史上河道沒有大幅度變遷?，F今的戴家洲形成于清中葉后期，據清同治《長江圖說》記載，在廻風磯以西的彈指夾上至浠水口間已有趙家洲、戴家洲、筆架洲和新淤洲存在。清光緒以后，趙家洲下移與戴家洲相連，筆架洲淪沒，新淤洲靠岸成為邊灘，該段河道基本上演變成目前的雙汊彎曲河型。近百年來該河段河床平面形態(tài)變化不大，戴家洲基本上是穩(wěn)定的[1]。

2.2 近期演變

戴家洲河段由于受節(jié)點的控制及護岸工程興建的影響，河道岸線基本穩(wěn)定，河床演變主要表現在河床沖淤、洲灘消長和汊道的興衰交替變化?？傮w來說，歷年來戴家洲洲頭淺灘淤長，深泓分流點由龍王磯一帶上提數公里至鄂黃長江大橋與池湖潛洲之間；分流后水流分別進入戴家洲左右汊道，左汊河床沖淤變化較小，深泓線一直貼岸而行，其離岸最近距離僅有30 m；右汊沖淤變化幅度較大，尤其是戴家洲右緣的沖淤頻繁，導致深泓線擺幅較大，歷年最大擺幅達800 m。目前戴家洲河段右汊為主汊，左汊為支汊。

戴家洲與新淤洲歷年平面位置較為穩(wěn)定，尤其是新淤洲歷年沖淤變化甚小。戴家洲河段有寡婦磯、廻風磯兩處深槽，由于兩處邊界控制條件較好，兩深槽平面形態(tài)以及所處位置多年較為穩(wěn)定[1]。

2.3 三峽水庫蓄水后演變趨勢預估

三峽水庫建成后，由于水沙條件的改變，壩下游河道將發(fā)生長距離的沿程沖刷。但由于該河段受節(jié)點的控制及護岸工程的興建，預計三峽水庫蓄水運用后對該河段原有的河床邊界條件、河道平面形態(tài)和河道演變規(guī)律不會產生較大影響，戴家洲河段將繼續(xù)保持“微彎分汊”的河道格局[1]。

3 河工模型試驗

3.1 模型設計

戴家洲定床模型試驗范圍上起黃州河段的鄂州，下迄黃石河段的涂家營，全長約40 km。動床模型模擬范圍上起五丈港，下至李家大屋，全長約34 km。模型設計的相似條件主要包括幾何相似、水流運動相似和泥沙運動相似，模型設計選取平面比尺αL=400，垂直比尺αH=100，模型變率η=4.0。

該模型主要模擬懸移質沙運動，通過比選，模型沙采用長江科學院研制的新型復合塑料沙，新型復合模型沙具有質輕、性能穩(wěn)定、成形好、顆粒形態(tài)接近天然泥沙等優(yōu)點，基本物理參數：重率γs=1.38 t/m3，干容重γ0=0.65 t/m3。依據長江防洪模型設計報告成果和長江防洪模型選沙成果，該模型沙能夠滿足泥沙模型相似的要求。

3.2 模型試驗條件

(1) 試驗邊界條件。動床模型是在定床模型的基礎上改制而成的，根據模型所在河段河岸邊界條件及歷年的沖淤變化情況，原則上將河床高程約20 m以上定為定床，但局部有護岸工程且深泓貼岸低于20 m高程仍可定為定床范圍，其余均為動床河槽，以反映工程上下游河道的河勢及沖淤變化特點。同時在該模型中根據工程河段已實施的河道和航道整治工程情況，模擬了戴家洲航道整治一期工程、長江中游戴家洲右緣下段守護工程及二期工程。

(2) 試驗水沙條件。三峽工程已經建成運行，戴家洲河段的來水來沙條件與建庫前相比已經發(fā)生了較大變化，該試驗研究中充分考慮三峽水庫蓄水運用后實際發(fā)生的來水來沙條件,并以此為基礎確定試驗系列年：2008，2009，2010，2011，2012，2008，2009，2010，2011年和2012年實際水沙系列。模型以2014年2月地形作為初始地形，分別進行有無工程情況下的對比試驗，擬據此消除天然河道沖淤、重要涉水建筑物等影響，單因素考慮由于戴家洲河段航道整治工程實施后對工程河段河勢、防洪、航運等影響。

圖2 工程實施后系列年動床模型試驗第十年末地形變化

3.3 試驗成果

3.3.1 工程實施前動床模型試驗成果分析

(1) 平面變化。工程實施前動床模型試驗結果表明，模型放水至第十年末，戴家洲河段總體河勢變化不大，主流線及深泓位置整體變動不大，但局部仍有所調整。巴河水道為順直形態(tài)，主流線在居中略偏左小幅擺動，左汊圓水道保持微彎形態(tài)，主流線靠左岸小幅擺動；右汊直水道主流線從燕磯處逐漸靠向左岸，并貼左岸戴家洲右緣擺動。

(2) 河床沖淤變化。5 a末、10 a末戴家洲河段總體河勢與初始地形基本一致，河段呈沖淤相間的變化特性，總體上以沖刷為主，淤積主要集中在巴河水道進入戴家洲直水道的過渡段淺區(qū)，以及直水道中下段的左槽主航槽內。5 a末，試驗河段累計沖刷10 232萬m3，其中巴河水道(五丈港至巴河)河段沖刷2 760萬m3，戴家洲水道(巴河至李家大屋)河段沖刷7 472萬m3。10 a末，試驗河段累計沖刷16 626萬m3，其中巴河水道河段沖刷4 484萬m3，戴家洲水道河段沖刷12 142萬m3。

3.3.2 工程實施后動床模型試驗成果分析

(1) 平面變化。治理工程實施后動床模型試驗結果表明，模型放水至第十年末，戴家洲河段總體河勢相對穩(wěn)定，主流線及深泓位置整體變動不大，但部分有一定調整。其中巴河水道主流線由居中偏左向居中擺動，戴家洲右汊直水道中下段主流線向右汊左槽較大幅度擺動，其他主流線及深泓位置變動較小。

模型運行至第十年末，與方案前相比，巴河水道15 m和10 m等高線變化不大，池湖心灘附近5 m等高線有繼續(xù)向右岸偏移的趨勢，槽身進一步拓寬；池湖心灘附近0 m等高線萎縮下移，其下移距離約450 m。巴河水道進入直水道過渡區(qū)6.0 m等深線貫通，最小寬度約為230 m；直水道中段的上淺區(qū)6.0 m等深線貫通，最小寬度約245 m ；出口處的下淺區(qū)6.0 m等深線貫通，最小寬度約為460 m，直水道6.0 m航道基本通暢[1],詳見圖2。

(2) 河床沖淤變化。5 a末，試驗河段累計沖刷10 107萬m3，其中巴河水道河段沖刷2 725萬m3，戴家洲水道河段沖刷7 382萬m3。10 a末，試驗河段累計沖刷16 425萬m3，其中巴河水道河段沖刷4 430萬m3，戴家洲水道河段沖刷11 995萬m3。5 a末、10 a末戴家洲河段河道總體上呈沖淤相間的變化特性，主要表現為戴家洲直水道進口淺區(qū)的沖刷，直水道右側中下段潛壩工程附近右槽的淤積以及左槽的沖刷、戴家洲脊壩及兩側新建刺壩區(qū)域的淤積。

(3) 汊道分流比變化。戴家洲河段治理工程實施后對戴家洲左右汊分流比將可能會產生一定的影響。工程實施后，戴家洲右汊直水道枯水分流比略有增加，其中流量14 665 m3/s時，5 a末分流比由工程前的62.20%增加至63.30%，增加了約1.1%；10 a末，右汊分流比由工程前的61.50%增至64.40%，新增約2.9%。工程實施后，戴家洲右汊分流比增加的主要原因是在戴家洲脊壩及兩側新建刺壩、直水道右側下游潛壩及護灘帶等工程作用下，右汊直水道進口淺區(qū)、直水道中下段左槽等沖刷所致，這對改善直水道的航道條件是有利的，但對河勢有一定影響。詳見表1。

表1 工程前后戴家洲汊道左、右汊分流比變化 %

(4) 水位變化。動床試驗成果表明，當武漢關流量為14 665 m3/s時，受戴家洲河段航道整治工程的影響，在枯水流量下戴家洲河段水位均出現不同程度的下降，其中在龍王磯附近水位下降最大，其水位下降約0.06 m。當武漢關流量為53 317 m3/s時，戴家洲河段水位有一定程度抬高，其中水位抬高幅度最大在寡婦磯處，其水位抬高約0.04 m。

(5) 流速變化。動床試驗成果表明，受上游右岸龍王磯一帶邊灘布置4條潛丁壩挑流的影響，龍王磯斷面靠近左岸流速以增加為主，而靠近右岸的流速有一定程度減小。其中在枯水流速(流量14 665 m3/s)下，靠近左岸流速最大增加了0.09 m/s，河道中間流速增加值最大，為0.15 m/s，而靠近右岸流速減小，最大值為0.13m/s；靠近左岸流向變化幅度較小，一般在1°～2°，而靠近右岸流向變化幅度也不大，一般為1°～3°，變幅最大的主要位于工程處。

4 結 論

(1) 戴家洲河段在天然節(jié)點控制和人工護岸的作用下，近幾十年來，該河段河勢基本穩(wěn)定，洲灘變化較小。預計三峽水庫建成運用對該河段河道演變規(guī)律不會產生大的影響，戴家洲河段將繼續(xù)保持“微彎分汊”的河道格局。

(2) 治理工程未實施時，在系列年水沙作用下，河段呈沖淤相間的變化特性，總體上以沖刷為主，淤積主要集中在巴河水道進入戴家洲直水道的過渡段淺區(qū)，以及直水道中下段的左槽主航槽內，航道水深不能滿足6.0 m航深要求。

(3) 治理工程實施后，在系列年水沙作用下，戴家洲河段河床仍以沖刷下切為主，較整治工程實施前，該河段沖刷幅度略有減少。受治理工程的影響，戴家洲河段河勢發(fā)生一定的調整，在戴家洲脊壩及兩側新建刺壩、直水道右側下游潛壩及護灘帶等工程作用下，右汊直水道進口淺區(qū)、直水道中下段左槽等處受到沖刷，分流比增大。治理工程實施后對改善直水道的航道條件是有利的，但對河勢有一定影響。

(4) 治理工程實施前、后試驗成果表明，在洪水流量(53 317 m3/s)下，水位在戴家洲右汊中下段最大壅高為0.04 m，工程實施后對該河段的防洪影響不大。

(5) 提高航道標準治理工程實施后，戴家洲直水道進口航槽保持貫通，中下段航槽拓寬，在一定程度上改善了該處通航條件，基本能實現直水道6.0 m航道的通暢。

[1] 張慧，張文二.長江宜昌至安慶段提高航道標準治理工程實體模型試驗報告[R].武漢：長江科學院,2015.

[2] 劉萬利，李旺生，李一兵，等. 長江中游戴家洲河段崩岸特性及護岸措施研究 [J]．水道港口，2013，34(2)：133-138.

[3] 劉萬利，李旺生，朱玉德，等. 長江中游戴家洲河段天然水流特性試驗研究 [J]．水道港口，2009，30(2)：113-118.

[4] 蔡大富. 長江中游戴家洲河段戴家洲右緣護岸工程方案研究[J]．水道工程，2011(2)：95-99.

[5] 蔡大富. 長江中游戴家洲河段河床演變及礙航特性分析 [J]．泥沙研究，2011(2)：47-54.

[6] 張慧，李會云，朱勇輝.長江中游鄂黃河段河道演變及治理對策探討[J]．長江科學院院報，2014，31(1)：66-70.

(編輯：唐湘茜)

2017-09-15

張 慧，女，長江科學院河流研究所，高級工程師，碩士.

1006-0081(2017)11-0025-04

U617

A