樊書剛，曾 濤，包明金

(長江重慶航運工程勘察設(shè)計院，重慶 401147)

斗笠子灘位于長江上游東溪口水道，兩岸為卵石邊灘和磧壩，壩間有局部基巖，具有枯水淺、急、險的礙航特征[1]。2012年向家壩電站蓄水運行后，受樞紐清水下泄和上下游河段人為采砂活動的影響，斗笠子灘段航道條件出現(xiàn)不利變化趨勢。從近年灘段測圖分析來看，左岸金堆子—雞心磧邊灘高程大幅降低，使中枯水期主流向左岸擴散，位于輸沙帶的江心廟角磧磧翅—磧尾段淤積明顯，汛后退水期—枯水期3 m等深線向航槽內(nèi)發(fā)展，形成礙航淺區(qū)，造成航道維護(hù)困難和通航安全隱患。根據(jù)肖毅等[2]的研究，長江上游宜賓—涪陵河段2007—2016年河道累計采砂量約為3.95億m3，部分卵石灘灘面破壞，引起局部高差變化達(dá)40 m，其對地貌的改變遠(yuǎn)超河道自身調(diào)整與航道整治工程的影響，考慮上游水庫群的聯(lián)合調(diào)度及河床卵石存量的限制，已破壞的灘面采砂區(qū)基本無法恢復(fù)至原有形態(tài)。呂韻鵬等[3]采用物理模型論證斗笠子灘所在水道下游秤桿磧彎曲分汊河段在新水沙條件下的雙槽航道維護(hù)方案，但對斗笠子灘近期的淤積及航道維護(hù)對策未做深入研究。

本文結(jié)合近年的水沙條件、實測資料對斗笠子灘段進(jìn)行分析，認(rèn)為在灘段河勢及水沙條件總體穩(wěn)定的前提下，廟角磧磧尾前沿枯水期淤積礙航的趨勢將總體保持不變，且隨著左岸金堆子邊灘的沖刷后退而逐漸加劇。結(jié)合2019年以來的航道維護(hù)疏浚實施情況和疏浚效果[4-6]，提出近期的航道維護(hù)對策和初步治理方案，為灘段的航道維護(hù)及航道治理提供技術(shù)支撐。

1 灘段概況

斗笠子灘位于東溪口水道中段，河心廟角磧分河道為左右兩汊，左汊為枯水期主通航槽，見圖1。廟角磧與左岸金堆子(斗笠子)相對，束窄航槽，曾是敘渝段著名的枯水急流灘，金堆子上游流速達(dá)4.0 m/s左右。水流流態(tài)也較為復(fù)雜，斜流、滑梁水、泡漩水等不良流態(tài)較為普遍。

注：依據(jù)2007年1月測圖繪制。

該灘經(jīng)過蘭敘段(1987年)、瀘渝段(2006年)采取筑壩、疏浚和清礁等航道整治措施后航道條件得到明顯改善，水流流速、比降減小，上水重載船舶基本不需要助拖就能夠自航過灘。目前航道等級為Ⅲ級，枯水期最小維護(hù)尺度為2.9 m×50 m×560 m(水深×航寬×彎曲半徑)，可常年通航1 000噸級以上船舶。水位3.0 m以下時，廟角磧河段實行通航控制?？菟谏闲写把刈蟀吨两鸲炎游策^河至廟角磧島尾壩附近，然后沿廟角磧左側(cè)緩流上行。

2 新水沙條件分析

2.1 年徑流量變化

向家壩電站于2012年10月開始蓄水，以2013年為節(jié)點，分析向家壩蓄水前后長江上游水沙條件的變化。向家壩、朱沱、寸灘水文站的年徑流量情況見表1?？梢钥闯?，向家壩蓄水后的2013—2019年各站年徑流量平均值較多年平均值略有減小，總體無趨勢性變化。

表1 長江上游主要水文站年徑流量

2.2 年輸沙量變化

向家壩、朱沱、寸灘水文站的年輸沙量情況見表2?？梢钥闯?，2013年后各站的年輸沙量較多年平均值均大幅減少，2013—2019年各站平均年輸沙量較多年平均值分別減少99.2%、84.1%和81.5%，說明向家壩蓄水對于長江上游河段的輸沙量減少影響顯著，但由于清水下泄沿程沖刷以及區(qū)間來沙，輸沙量沿程逐步恢復(fù)。向家壩樞紐運行后，向家壩站輸沙量占寸灘站比例由多年平均的59.6%下降為2.5%，朱沱站則由71.9%下降為61.9%。

表2 長江上游主要水文站年輸沙量

2.3 年內(nèi)流量分配變化

向家壩水文站1956—2012年實測最大流量為2.90萬m3/s(1966-09-02)，最小流量為1060 m3/s(1960-04-03)。向家壩運行以來2013—2018年，最小流量1 420 m3/s，最大流量1.50萬m3/s。對比可以看出，枯水期最小下泄流量較蓄水前最小流量增加，洪水期最大流量大幅減小。向家壩蓄水前后其水文站多年月平均流量及年內(nèi)分配情況見圖2。可以看出，向家壩蓄水后，枯水期1—4月平均流量增加，5、11、12月流量變化不大，汛期6—9月流量減小。

圖2 向家壩蓄水前后向家壩水文站月平均流量對比

2.4 水位分析

瀘州二郎灘航行水尺近年水位過程(每日8時水位，起算點為相對于98%保證率的設(shè)計最低通航水位)見圖3。通過分析可知，向家壩蓄水以來長江上游宜賓—重慶段仍主要表現(xiàn)為天然山區(qū)河流的總體水位變化特性，但由于上游電站非恒定流下泄影響，河段最低水位與向家壩蓄水前變化較小，枯水期對通航條件的制約仍顯著存在。

圖3 瀘州二郎灘航行水尺近年水位過程

宜賓、瀘州段枯水期典型水位的出現(xiàn)時間對比見表3。可以看出，向家壩蓄水運行后長江上游航道條件總體有所改善，枯水期低于2 m的時間減少了20～50 d。但受電站非恒定流沿程傳播影響，近壩段的宜賓轄區(qū)1 m以下水位持續(xù)時間和最低水位均與向家壩蓄水前基本一致。遠(yuǎn)壩段的瀘州轄區(qū)航道條件略有改善，1 m以下水位持續(xù)時長總體有所減少，但最低水位無明顯改善。

表3 長江上游2011和2018—2021年1—4和12月水位情況

3 近期灘槽及航道條件變化分析

3.1 年際變化

通過對斗笠子灘段2007年1月、2019年3月及2021年1月枯水期地形測圖的對比分析表明，近年來斗笠子灘左岸金堆子—雞心磧邊灘高程降低明顯，江心廟角磧磧尾呈淤積發(fā)展并有擠壓航槽的趨勢，金堆子邊灘及原河心深槽左側(cè)也呈一定的淤積趨勢。

注：依據(jù)2019年3月測圖繪制。

對比斗笠子灘段不同年份的河勢(圖1、4)，江心廟角磧總體穩(wěn)定，但下游左岸金堆子、大雞翅膀、雞心磧邊灘受人為活動的影響嚴(yán)重，河床高程顯著降低，最大降幅約10 m。代表最小航道維護(hù)尺度的3 m等深線變化見圖5，可以看出：1)左岸金堆子邊灘低灘呈沖刷后退趨勢，2019年較2007年最大后退寬度達(dá)115 m；而在金堆子下邊灘形成淤積體，3.0 m等深線向河心展寬近85 m，束窄航槽，增加了該水域的航道彎曲半徑，使得航線變得更加彎、窄，為解決通航問題，于2020年1—3月實施了維護(hù)疏浚；2)2019年3月—2021年1月金堆子下段3 m等深線向左岸沖刷后退約117 m，金堆子邊灘中枯水期束水沖刷功能基本喪失，退水期上游淤積物沖刷下移在廟角磧磧尾緩流段落淤明顯，形成礙航淺區(qū)。

圖5 2007—2021年斗笠子灘段3 m等深線變化

3.2 年內(nèi)變化

灘段2021年1—10月沖淤變化見圖6a)。可以看出，汛期廟角磧磧翅中段出現(xiàn)帶狀淤積，最大淤積厚度約1.2 m，磧尾出現(xiàn)零星淤積，最大淤積厚度約0.8 m，左岸金堆子邊灘總體保持穩(wěn)定。灘段10—12月沖淤變化見圖6b)?？梢钥闯觯怂趶R角磧磧翅中段淤積物沖刷下移，廟角磧磧尾淤積范圍逐漸由南岸向北岸擴展，淤積程度加劇，最大淤積厚度0.9 m，最小水深為2.6 m，已不滿足最低水位期維護(hù)水深2.9 m要求?？傮w來看，斗笠子灘段存在洪淤枯沖、上沖下淤的河床演變規(guī)律，由于出口段主流左偏，移動的卵石沙包在灘段出口右岸至河心一帶淤積，形成礙航淺區(qū)。

圖6 2021年斗笠子灘段沖淤變化

3.3 通航條件及演變趨勢分析

從通航條件看，近年金堆子邊灘3 m等深線沖刷后退，右岸廟角磧磧尾持續(xù)淤積擠壓航槽，且由于左岸金堆子上段江心仍有部分零星礙航礁石，造成枯水期航道尺度不足，現(xiàn)場維護(hù)困難。向家壩電站蓄水運行后，長江上游卵石量大幅減小，實測朱沱水文站年輸沙量減少約84%，結(jié)合相關(guān)研究，左岸被沖刷和人為活動挖采的金堆子—雞心磧一帶洲灘自然恢復(fù)能力大幅降低。斗笠子灘段河道展寬、主流分散的格局將總體保持穩(wěn)定，區(qū)間來沙在江心輸沙帶左緣淤積礙航將成為常態(tài)。

4 近期航道維護(hù)措施及效果分析

受斗笠子灘航道條件惡化影響，為確保通航安全，在2019、2020、2021年均實施了航道養(yǎng)護(hù)疏浚和江心局部礙航礁石的清障，見表4。2019年9—11月，按照設(shè)計水深3.2 m對金堆子3#過河標(biāo)水域礙航物實施清障。受施工工期及工藝限制，完工后清障區(qū)最小水深達(dá)到2.9 m，一定程度上改善該段通航條件，但枯水期通航船舶在動吃水影響下仍存在觸礁風(fēng)險。2020和2021年枯水期均對磧尾淺區(qū)實施了養(yǎng)護(hù)疏浚，方案見圖7，疏浚后均滿足最小維護(hù)尺度要求。

表4 斗笠子灘近年航道養(yǎng)護(hù)疏浚(含清礁)參數(shù)及效果

圖7 2021年度廟角磧養(yǎng)護(hù)疏浚方案

2019年以來的疏浚區(qū)域主要集中于廟角磧島尾壩前沿200 m區(qū)域，淺區(qū)最小水深為航基面下2.4～2.6 m，不滿足枯水期最小維護(hù)水深2.9 m要求。近年來主要在枯水期1—3月對淺區(qū)實施疏浚，疏浚水深考慮0.3 m的備淤深度，疏浚后可滿足1—5月的航道尺度要求及通航安全需要。

枯水期施工船舶組織受江心偏左仍存在的局部基巖限制，斗笠子灘段枯水期可通航水域狹窄，施工與通航矛盾突出，主要采用非通航高峰期(一般為每日18時以后)禁航施工的作業(yè)方案。該方案存在以下缺點：1)禁航施工時間短，考慮船舶定位和施工后移船讓出通航區(qū)域，施工工效偏低；2)夜間施工存在一定視線上的安全盲區(qū)，且在開航期施工船舶臨時?？吭诤讲圻吘?，該灘流速大，存在通航船舶與施工船舶碰撞的安全風(fēng)險；3)夜間抓斗式挖泥船施工和泥駁拋泥，存在一定的噪聲污染，影響岸邊居民及企業(yè)的正常生產(chǎn)生活。

5 航道維護(hù)對策及治理方案分析

5.1 汛后提前維護(hù)疏浚

基于灘段近期的灘槽變化，左岸金堆子邊灘持續(xù)沖刷后退約150 m，失去退水期束水沖沙的功能，廟角磧磧尾段在枯水期淤積的范圍和強度總體較為穩(wěn)定，可考慮在汛后采取“騰庫容、留備淤”的提前疏浚思路。根據(jù)近年汛后退水期至枯水期沖淤幅度，廟角磧磧尾淤積厚度0.6～0.9 m，水深基本從汛后的3.3 m淤積抬高至2.4～2.6 m，因此可在汛后考慮平均約0.7 m的備淤深度，將出口淺區(qū)提前疏浚至4.0 m，即使退水期末仍存在0.6～0.9 m的淤積厚度，該區(qū)域仍可保持最小約3.1 m的航槽水深。

從中水位期施工組織和預(yù)計疏浚量看，該方案較枯水期出淺再進(jìn)場疏浚存在以下優(yōu)點：1)提前疏浚出口，可提早水流歸槽時間，提高退水期沖刷能力，可能會改善退水期—枯水期出口的淤積強度，改變出淺后開展航道維護(hù)的被動局面；2)中高水位期提前疏浚，可充分利用相對較高的水位，對通航槽進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，采取非禁航施工作業(yè)方案，既可降低維護(hù)疏浚施工對通航的影響，又可減小施工安全風(fēng)險和夜間施工噪聲影響；3)從預(yù)計疏浚量對比看，汛后提前疏浚和枯水期出淺后疏浚的疏浚量總體相當(dāng)，不會造成疏浚量和經(jīng)費的大幅增加。

5.2 維護(hù)疏浚加拋筑整治建筑物

根據(jù)近期斗笠子灘灘槽變化和航道條件分析，以及長江上游梯級樞紐運行后水沙條件變化分析，已破壞的金堆子—雞心磧?yōu)┟婊緹o法自然恢復(fù)至原有形態(tài)。認(rèn)為在灘段河勢總體穩(wěn)定的前提下，廟角磧尾前沿枯水期淤積礙航的趨勢將總體保持不變。

根據(jù)2019年以來的航道維護(hù)疏浚，廟角磧磧尾段在枯水期淤積的范圍和強度總體較為穩(wěn)定，分析原因主要是在廟角磧出口水流分散，挾沙能力降低。結(jié)合前期灘段整治方案及整治效果，可考慮進(jìn)一步加長左岸斗笠子順壩，增加其作用范圍，也可在金堆子邊灘沿航槽走向新建一道順壩，提高退水期水流歸槽沖刷能力，減小磧尾段淤積。

6 結(jié)語

1)斗笠子灘受向家壩蓄水運行后清水下泄及人為活動影響，左岸金堆子—雞心磧邊灘高程大幅降低，使中枯水期主流向左岸擴散，江心廟角磧磧翅—磧尾段出現(xiàn)持續(xù)性淤積，汛后退水期—枯水期3 m等深線向航槽內(nèi)發(fā)展，形成礙航淤積物，造成航道維護(hù)困難和通航安全隱患，開展航道維護(hù)疏浚是確保灘段航道尺度和通航安全的有效手段。

2)斗笠子灘在目前的河勢和水沙條件下，左岸邊灘不具備自然恢復(fù)的條件，灘段中枯水期水流分散，沖刷動力不足，右岸磧尾段在枯水期淤積礙航將成為常態(tài)。

3)斗笠子灘近年主要的維護(hù)對策是枯水期出淺后被動開展疏浚，存在夜間禁航施工工效偏低、安全隱患突出、施工噪聲影響等問題。結(jié)合灘段的河床演變趨勢和近年維護(hù)疏浚情況，認(rèn)為可以采取汛后提前疏浚的主動航道養(yǎng)護(hù)思路。

4)航道養(yǎng)護(hù)疏浚對灘段水流動力條件改變小，鑒于灘段目前的河勢及河床演變特點，可考慮在左岸加拋整治建筑物束水攻沙的綜合治理方案，以穩(wěn)固航槽、減小灘段維護(hù)難度。

5)鑒于長江上游受金沙江、岷江各梯級電站運行后，天然山區(qū)河流的水文特征已發(fā)生較大改變，樞紐調(diào)度對河段水文形勢及航道運行條件的影響更為顯著，為確保航運安全并提高通航效能，建議有關(guān)部門結(jié)合航運需求加強各梯級樞紐的聯(lián)合調(diào)度方案研究，以充分發(fā)揮長江黃金水道的航運優(yōu)勢。