曾 濤，郭 琦

(長(zhǎng)江重慶航運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院，重慶 401147)

1 灘險(xiǎn)概況

牧鵝洲水道位于長(zhǎng)江干線武漢—安慶段6 m水深航道整治工程的最上游，根據(jù)已有研究成果[1-3]和大量觀測(cè)資料，牧鵝洲水道河勢(shì)及航道條件總體較好，近年受上游樞紐蓄水、清水下泄作用，牧鵝洲邊灘呈中高灘沖刷、低灘淤積現(xiàn)象[4]，擠壓凹岸側(cè)航槽，造成主槽水流分散減少，邊灘過(guò)流量增加，牧鵝洲水道出口水流取直，湖廣水道的上段水流右偏，汪家鋪淺區(qū)多次淤積出淺，趙家磯整治建筑物受水流沖擊出現(xiàn)損毀，河段航道條件明顯向不利方向發(fā)展，亟需治理。

牧鵝洲水道上起周陽(yáng)港、下止白滸鎮(zhèn)，全長(zhǎng)約10 km。該水道為下段右岸由猴子磯控制的彎曲河段。河道進(jìn)口周陽(yáng)港河寬1 500 m左右，往下河道逐漸展寬，至牧鵝港稍上游河寬約2 300 m，出口猴子磯附近河寬約950 m。河道內(nèi)左岸側(cè)是牧鵝洲邊灘，灘頂高程在航行基準(zhǔn)面以上5 m左右，最大灘寬約1 500 m，占該處河寬的2/3；右岸側(cè)深槽為主航槽，猴子磯上游最深處在航行基準(zhǔn)面以下20 m左右、猴子磯下游最深處可達(dá)航行基準(zhǔn)面以下49 m。主流在周陽(yáng)港以上由左岸向右岸過(guò)渡，周陽(yáng)港以下至猴子磯偏靠右岸下行，猴子磯以下居中進(jìn)入下游湖廣水道(圖1)。2013—2014年實(shí)施湖廣—羅湖洲航道整治工程，在趙家磯邊灘建設(shè)4道護(hù)灘帶工程，以守護(hù)邊灘，保證主槽航道尺度[5]。

圖1 牧鵝洲河段河勢(shì)

2 河床演變關(guān)聯(lián)特性分析

牧鵝洲河段河道右側(cè)為凹岸，沿線天然節(jié)點(diǎn)分布密集，自上而下有白滸山、猴子磯、趙家磯、中觀磯等石質(zhì)節(jié)點(diǎn)，河段河勢(shì)走向、灘槽格局的形成及穩(wěn)定與這些節(jié)點(diǎn)的分布及其挑流作用變化密切相關(guān)，牧鵝洲水道彎曲發(fā)展受到白滸山、猴子磯限制；湖廣水道受進(jìn)口猴子磯挑流影響，進(jìn)口主流在魏家坦附近即向左岸過(guò)渡，加上下游束窄河道而產(chǎn)生的壅水作用，中觀磯以上右岸側(cè)形成大面積的趙家磯邊灘。

根據(jù)歷史記載，1842—1880年間牧鵝洲左汊高水期可以通航，但主流始終走右汊。1930年12月測(cè)圖顯示，水位16.0 m時(shí)，牧鵝洲長(zhǎng)4.0 km、寬1.80 km，左汊河寬約200 m，右汊河寬1 100 m，主汊在右汊。從1953年測(cè)圖上可以看到牧鵝洲已與左岸相連，成為邊灘式的江心洲，河道由分汊河形轉(zhuǎn)化為單一的彎曲河形。此后本水道長(zhǎng)期維持單一彎曲河形。湖廣水道經(jīng)歷了“主流右擺貼岸、河道向右展寬”以及“主流左擺、右岸側(cè)邊灘發(fā)育”2個(gè)階段變化，其變化過(guò)程與牧鵝洲水道形態(tài)息息相關(guān)，1858年牧鵝洲兩汊下泄，湖廣進(jìn)口水流平順，形態(tài)順直；1930年牧鵝洲淤長(zhǎng)，出口水流左偏沖刷汪家鋪淺區(qū)，湖廣水道內(nèi)水流分散淤積形成趙家磯邊灘；1959年以來(lái)，牧鵝洲進(jìn)一步淤長(zhǎng)，趙家磯邊灘持續(xù)發(fā)展壯大，灘槽格局進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定時(shí)期(圖2)。

圖2 牧鵝洲河段歷史演變

20世紀(jì)中期以前，牧鵝洲水道由分汊河道演變?yōu)閱我粡澢?，湖廣水道由順直形河道演變?yōu)槲澓有?，兩水道之間猴子磯、汪家鋪兩控制節(jié)點(diǎn)近年變化不大，牧鵝洲水道出流條件決定湖廣水道進(jìn)流特征，二者演變過(guò)程中形態(tài)變化密切相關(guān)。從近年地形變化分析看，牧鵝洲邊灘低灘淤積、高灘沖刷，邊灘下游出現(xiàn)明顯倒套向上發(fā)展約300 m，若不加以控制，持續(xù)發(fā)展可再次形成分汊河形，下游湖廣水道目前水面較開(kāi)闊，牧鵝洲邊灘水流取直后，下泄主流勢(shì)必右偏，造成下游左側(cè)航槽淤積，引起趙家磯邊灘的沖刷和已建整治工程的破壞。

3 礙航

3.1 礙航特性

牧鵝洲河段近年總體航道條件較好，個(gè)別年份不滿足航道建設(shè)尺度為6.0 m×200 m×1 050 m(深×寬×長(zhǎng))的要求。從近年地形變化情況看，一般汛期流量大、退水過(guò)程緩的年份，牧鵝洲水流從灘上取直下泄，汪家鋪淺區(qū)易出淺，如2003年枯水期甚至出現(xiàn)了6 m等深線斷開(kāi)的情況，斷開(kāi)長(zhǎng)度達(dá)120 m，2007年和2012年汛后均出現(xiàn)了不滿足200 m航寬的情況，其余年份多在300 m左右，一般情況下能夠滿足建設(shè)航道尺度的要求。

牧鵝洲河段目前礙航問(wèn)題主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：1)近幾年牧鵝洲邊灘中高灘沖刷、低灘淤積，擠壓凹岸側(cè)航槽；2)洲灘沖刷萎縮，造成主槽水流分散減少，邊灘過(guò)流量增加，不利于該水道維持較好的航道條件；3)牧鵝洲邊灘束水能力降低，出口水流取直，進(jìn)入湖廣水道沖刷趙家磯邊灘，威脅已建建筑物的穩(wěn)定和安全，同時(shí)造成汪家鋪淺區(qū)沖刷力度減弱，枯水期易出淺礙航，不利于航道尺度的提高。

3.2 礙航原因

牧鵝洲邊灘及河槽的沖淤幅度受沙量的影響較大，大水大沙年對(duì)河道的影響顯著。隨著三峽水庫(kù)蓄水、清水下泄，來(lái)沙量大幅度減小，特別是主要參與邊灘形態(tài)塑造的中細(xì)顆粒泥沙減幅達(dá)70%以上，使得牧鵝洲邊灘洪水期中高沖刷幅度增加、枯水期低灘淤積，在邊灘過(guò)流時(shí)間較長(zhǎng)的年份，極易發(fā)生大幅度沖刷，甚至類似于荊江彎曲河段的切灘現(xiàn)象。同時(shí)低灘淤積進(jìn)一步擠壓右岸側(cè)航槽，將造成航道條件惡化的趨勢(shì)。

下游湖廣水道河床演變受上游牧鵝洲來(lái)水來(lái)沙影響較大，當(dāng)水流沿牧鵝洲水道深槽貼凹岸側(cè)，經(jīng)猴子磯一帶山磯的引導(dǎo)進(jìn)入湖廣水道左側(cè)深槽，可沖刷汪家鋪淺區(qū)；一旦牧鵝洲凸岸邊灘沖刷萎縮引起主流調(diào)整，則會(huì)引發(fā)下游灘槽形態(tài)的相應(yīng)變化：猴子磯一帶山磯挑流作用減弱，趙家磯邊灘受到的頂沖效應(yīng)增強(qiáng)，灘上已建建筑物的安全和穩(wěn)定受到威脅，同時(shí)水流分散，對(duì)汪家鋪附近淺區(qū)沖刷能力不足，淺灘附近泥沙更易淤積，遇高水持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、退水時(shí)間短的不利年份，河段極易出淺礙航。

4 整治方案

4.1 整治思路

本河段航道整治思路為：充分考慮河段關(guān)聯(lián)性特征，穩(wěn)定灘槽形態(tài)，抑制不利變化發(fā)展，依托已有工程，形成穩(wěn)定、單一的枯水期主流流路。

4.2 整治方案

牧鵝洲邊灘方案布置如下：縱向守護(hù)范圍從牧鵝洲邊灘頭部至尾部，平面守護(hù)范圍以高灘岸線及整治線控制，穩(wěn)定較好的灘槽格局，避免牧鵝洲邊灘進(jìn)一步被沖刷破壞。

具體設(shè)計(jì)方案為：牧鵝洲邊灘護(hù)灘帶工程主要由3道護(hù)灘帶及對(duì)應(yīng)的根部護(hù)岸組成。1#護(hù)灘帶為勾頭型護(hù)灘帶，長(zhǎng)622 m，其中勾頭段長(zhǎng)268 m，寬180 m；2#護(hù)灘帶同樣為勾頭型護(hù)灘帶，長(zhǎng)970 m，其中勾頭段長(zhǎng)336 m，寬160 m；3#護(hù)灘帶為直線型護(hù)灘帶，長(zhǎng)729 m，寬180 m。3道護(hù)灘帶根部護(hù)岸長(zhǎng)度分別為347.0、344.0、866.5 m?？菟脚_(tái)以上為生態(tài)護(hù)坡磚結(jié)構(gòu)，枯水平臺(tái)以下為排體護(hù)灘結(jié)構(gòu)。通過(guò)牧鵝洲邊灘守護(hù)工程，穩(wěn)定湖廣水道進(jìn)流條件，依托已建趙家磯邊灘整治建筑物，保障湖廣水道通航條件(圖3)。

圖3 牧鵝洲整治方案

5 效果分析與驗(yàn)證

為驗(yàn)證方案效果，在方案研究階段開(kāi)展了數(shù)模和物模研究。兩模型均開(kāi)展了枯水流量、整治流量、多年平均流量和洪水流量工況研究，數(shù)模單獨(dú)增加了大洪水工況下模型研究。

5.1 數(shù)學(xué)模型研究結(jié)論

根據(jù)牧鵝洲河段平面二維數(shù)學(xué)模型研究成果，工程實(shí)施后，河段水流平順，計(jì)算得到系列年各年末河床平面沖淤分布(圖4)。從圖4可知，方案實(shí)施后，工程部位呈現(xiàn)淤積，牧鵝洲高灘灘體沖刷得到抑制，航槽有所沖刷，通過(guò)控制灘槽形態(tài)和完善對(duì)航槽邊界的守護(hù)防止航道條件的持續(xù)惡化發(fā)展。

注：正值為沖，負(fù)值為淤。

在牧鵝洲水道，左岸牧鵝洲邊灘在工程作用下，頭部穩(wěn)定，3 a末中下段呈現(xiàn)微淤，后2道護(hù)灘帶淤積幅度大于第1道，普遍淤積大于1 m，工程前沿河床出現(xiàn)小幅沖刷，出口左淤右沖；至第5 a，工程區(qū)域繼續(xù)淤積，未出現(xiàn)無(wú)工程趨勢(shì)預(yù)測(cè)中竄溝發(fā)展的不利情況，河槽內(nèi)基本表現(xiàn)為沖刷；至10 a末，沖淤變化規(guī)律基本一致，牧鵝洲灘面穩(wěn)定，中下段灘緣淤積2～3 m。牧鵝洲水道出流條件穩(wěn)定，湖廣水道趙家磯邊灘淤積，主槽通航條件良好。

5.2 物理模型研究結(jié)論

根據(jù)牧鵝洲河段定床及動(dòng)床物理模型試驗(yàn)，無(wú)工程10 a水沙作用后牧鵝洲邊灘中高灘遇大水年有所沖刷，低灘淤積，6 m等深線寬度縮窄，同時(shí)更加彎曲，至第10 a末，猴子磯附近6 m等深線寬度縮窄至173 m；湖廣水道趙家磯邊灘頭部沖刷，汪家鋪淺區(qū)在大水年年末易出現(xiàn)不足6 m淺包，至第10 a末，6 m等深線寬度不足200 m，河段航道條件不滿足建設(shè)尺度要求。

牧鵝洲邊灘護(hù)灘工程實(shí)施后，河段航道條件維持較好，表1為模型中觀測(cè)的方案系列年試驗(yàn)各年末航道統(tǒng)計(jì)情況。大水年航道條件有所變壞，小水年有利于主航槽航道條件的維持。經(jīng)過(guò)10 a水沙作用，6 m水深航槽主要表現(xiàn)為：1)牧鵝洲水道最小航寬區(qū)域仍位于猴子磯附近，至第5 a末航寬可達(dá)396 m，但局部區(qū)域航路彎曲且流態(tài)紊亂現(xiàn)象依舊存在，至第10 a末，最小航寬達(dá)402 m，基本滿足規(guī)劃尺度要求；2)湖廣水道汪家鋪淺區(qū)一帶6 m水深航寬如遇大水年有所縮窄，但在整治工程作用下，10 a內(nèi)6 m水深航寬尺度基本滿足建設(shè)尺度要求。

表1 方案實(shí)施前后不同區(qū)域6 m最小航寬 m

從工程后地形變化看，河床經(jīng)過(guò)10 a水沙作用，河勢(shì)總體維持穩(wěn)定，各水道地形變化如下：1)牧鵝洲邊灘中高灘受護(hù)灘帶作用沖刷受限，遇大水年低灘略有沖刷，深槽淤積，6 m等深線寬度較試驗(yàn)初期縮窄，而遇小水年，6 m線又呈展寬態(tài)勢(shì)，至10 a末，猴子磯附近6 m等深線寬度約402 m；2)湖廣水道汪家鋪淺區(qū)在丁壩作用下，汛期淤積體汛后沖刷，遇大水年6 m等深線變窄，但10 a內(nèi)，其最小寬度均在200 m以上，工程效果明顯。

5.3 試運(yùn)行初步效果評(píng)價(jià)

牧鵝洲河段航道整治工程于2019年8月開(kāi)始實(shí)施，2020年1月完成護(hù)灘主體施工，2020年12月完成所有施工內(nèi)容，期間經(jīng)歷了2020年長(zhǎng)江流域罕見(jiàn)大洪水，洪水持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，通過(guò)流量大。從2020年下半年測(cè)圖看，牧鵝洲邊灘外形完整，中高灘守護(hù)效果較好，未出現(xiàn)明顯沖刷降低，現(xiàn)場(chǎng)水流條件較好，汪家鋪淺區(qū)略有淤積外延，河段航道尺度仍滿足建設(shè)尺度要求。由于該工程剛實(shí)施完成，工程系統(tǒng)的穩(wěn)定性和整治效果觀測(cè)分析工作將逐步開(kāi)展，后續(xù)將根據(jù)相應(yīng)成果進(jìn)一步開(kāi)展維護(hù)和完善工作。從2020年大洪水汛后效果看，工程效果與數(shù)學(xué)模型和物理模型預(yù)測(cè)結(jié)果基本一致。

6 結(jié)語(yǔ)

1)近幾年牧鵝洲邊灘中高灘沖刷、低灘淤積，擠壓凹岸側(cè)航槽，牧鵝洲水道航道條件有向不利方向發(fā)展的趨勢(shì)。邊灘沖刷萎縮一方面將造成水流分散，凹岸深槽淤積，不利于航道條件的穩(wěn)定，另一方面惡化猴子磯處船舶航行條件，進(jìn)一步影響湖廣水道進(jìn)流條件。

2)根據(jù)礙航成因確定整治思路為：充分考慮河段關(guān)聯(lián)性特征，穩(wěn)定灘槽形態(tài)，抑制不利變化發(fā)展，形成穩(wěn)定的、單一的枯水期主流流路，并滿足建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3)牧鵝洲河段整治中采用3道護(hù)灘帶對(duì)牧鵝洲邊灘進(jìn)行守護(hù)，經(jīng)數(shù)學(xué)模型效果、物理模型驗(yàn)證和2020年大洪水后觀測(cè)分析，航道尺度均滿足建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)要求，達(dá)到了預(yù)期的整治目的。

4)牧鵝洲河段洲灘演變具有明顯的關(guān)聯(lián)性特征。本方案研究采用多種手段，充分研究牧鵝洲邊灘、汪家鋪淺區(qū)和趙家磯邊灘的關(guān)聯(lián)特性，通過(guò)在牧鵝洲邊灘布設(shè)護(hù)灘工程，實(shí)現(xiàn)控制湖廣水道進(jìn)流特性、增加汪家鋪淺區(qū)沖刷力度和守護(hù)趙家磯邊灘的目的，在類似河段方案研究中應(yīng)適當(dāng)考慮關(guān)聯(lián)性特征。