长江口深水航道整治一期工程北槽冲淤调整分析

长江口深水航道整治一期工程北槽冲淤调整分析

1第一阶段的修复工程取得了明显成效1.1南港总体结构在长江口往海口的苏北东乡港和上海南港之间，长江口的水面宽度为90公里。从徐六井到河口，分为三个街区。四个人在大海。崇明岛将长江口分为南北两个分支，长兴岛和横沙岛将南支分为南支和北支，南支分为南支和北支。大型船舶主要通过北槽7.0m人工航道进出长江口。整治工程前,以横沙东滩窜沟为界,其东侧的北槽中段8.0m槽宽达2.5km,长18km,10m槽宽1.3m,长6.5km,北槽中段深槽呈东南—西北向,7.5m以深深泓止于横沙东滩窜沟下口附近,其上的北槽上段水深不足7m河段长12km,滩顶水深6.0m左右,为北槽水深最浅的拦门沙滩段。整治工程前,靠疏浚维持7.0m水深、250m底宽的人工航道,年维护量约为1200万m3,因国际航运船舶向大型化发展,7.0m水深航道严重制约了上海港及长江下游航运的发展。1.2工程方案和实施进度的改进(1)该项目的项目和最终目标长江口深水航道治理总体方案由分流口工程、南北导堤工程、丁坝工程和疏浚工程组成。主要作用场景分流口工程:潜堤3.2km,南线堤1.6km。主要作用是固定江亚南沙,使其不受冲刷而后退,从而稳定南、北槽分流口河段的河势,确保北槽上口圆圆沙航道的畅通。南、北导堤工程:北导堤49.2km,南导堤48.077km,堤顶高程2m。主要作用是阻挡北槽两侧滩地泥沙在大风浪作用下进入槽内;封堵窜沟,归顺涨落潮主流路,起到挡沙导流作用。丁坝工程:丁坝19座(北导堤丁坝10座,合计长度17.883km;南导堤丁坝9座,合计长度13.819km)。主要作用是束水归槽、增加槽内流速以增深航道。通过导堤和丁坝的共同作用形成优良河势,增深航槽自然水深,以改善航槽疏浚维护条件,确保整治目标水深的实现。管道设计开辟设计水深12.5m、底宽350m(导堤口外底宽为400m)的双向航道。管道分阶段实施目标一期工程航道水深8.5m;二期工程航道水深10.0m;三期工程航道水深12.5m。(2)护底堤身3.一期工程于1998年1月27日开工,于2000年7月20日通过交通部组织的交工验收。一期最终实施完成规模如下:北导堤:堤身N27+890~N30+000为超前护底。南导堤:堤身S30+000~S31+000为超前护底。南线堤:1.6km。潜堤:3.2km。丁坝:N1~N3、S1~S3完成设计长度的65%,增建N4、N5、S4、S54条丁坝,施工长度分别为N4—1600m(原设计长度的2/3)、N5—1025m(原设计长度的1/2)、S4—1000m(原设计长度的2/3)、S5—1600m(从原设计位置下移1000m)。1.3北沟修复效果(1)槽内微弯深汽深一期工程后北槽上段全河槽冲刷,深槽下延,航槽南侧附近冲刷深度较北侧大;中下段深泓从原东南—西北走向改呈东西向,折进北槽上段,全槽形成了一条上下段平顺相接的微弯深泓线,除滩顶段6km(S3丁坝~S4丁坝之间)水深不足8.0m外,绝大部分河段自然深泓均在8.0~10.0m之间,8.0m槽宽度最窄处0.7km,最宽处2.0km,全槽沿程平均宽度约1.5km。整治工程后所形成的自然深泓位置除局部河段外(滩顶段及S5下游各6km左右)与航道轴线基本一致。(2)gm段深水从北槽河槽的自然水深看(图1、图2),处于S1、S2、S3丁坝范围内航槽自然水深净增加2~3m。S3附近的北槽滩顶一定范围内5km区段水深增大1~2m。W3转弯段附近4~5km范围原局部深槽淤浅,但槽中水深还大于上、下段,枯季达到9.0m,洪季为8.2m,北槽下段直至口外的非整治工程段,航槽及两侧水深较一期工程前也增深约0.5m左右。(3)滩槽泥沙交换工程长江口深水航道一期工程建成后,分流口鱼咀工程稳定了南北槽分流口的河势,阻止了江亚南沙沙头的下移趋势,瑞丰沙沙尾未向下延伸,相反明显上溯,圆圆沙航道滩顶水深得以明显增深。一期南北导堤及其延伸段稳定了北槽中、上段的南北边界,封堵了窜沟,减弱了滩槽泥沙交换,起到了挡沙、导流、改善流场作用,从而起到了改善河势及减淤的作用。特别是北导堤起到了调整北槽中段主流路的作用,从东南—西北向调整成东西走向,原涨、落潮主流路明显分岐的根本问题得到基本解决,故原停持于横沙东滩窜沟下口的深泓得以向北槽上段伸进,与上段在丁坝作用下形成的深泓平顺相接。丁坝调整了流场,增加了航道流速,使北槽上段大幅度增深。在导堤和丁坝的共同作用下,航槽自然水深明显增深,从而大大改善了航道维护条件,维护8.5m航道的维护量与原维护7.0m的维护量大体接近(洪季台风影响除外)。在1998、1999年大洪水及2000年多次强台风侵袭期间,导堤所掩护的航道上段,基本上未受到洪水和台风的影响,从2001~2002年上半年航道运行的实际效果看,通航效果良好,整治效果明显,完全达到了预期的整治目标。2北槽一期改造工程前后划分与砂量比变化2.1南槽和北槽流量变化的原因(1)建筑物的重新设计北槽断面分流比一期工程实施前,北槽上断面分流比保持在61%左右(含经从江亚北槽进入南槽下段的水量),北槽上断面分流比保持在53%左右。封堵江亚北槽后(1999年8月,龙口基本合拢),北槽下断面落潮分流比基本不变,仍保持在61%左右。而北槽下断面落潮分流比增加,1999年8月,北槽下断面分流比增加到61%左右,说明封堵江亚北槽起到了增加北槽下段流量的作用。断面分流比实施一期6条丁坝工程的影响(1999年8月-2001年4月):上断面分流比从61.4%减小到48.6%,下断面分流比从61%左右减小到53.4%,。从分流比减小的过程来看,先期降得快,丁坝工程完成后逐步放缓。实施完善段4条丁坝的影响(2001年4月~2002年6月):上断面分流比基本持平,仍维持在49%左右,下断面分流比约减小1.6%。(2)一些理解各类落潮流的内容封堵江亚北槽是封堵了从槽上段进入南槽下段的落潮流。未实施丁坝工程前,先封堵了江亚北槽,北槽下断面分流比增加8%,说明封堵江亚北槽确实能起到归集落潮流入北槽的作用。分流比降到了42.4%实施丁坝工程后,上下两分流断面的分流比明显减小,说明丁坝的阻水作用较大。一期丁坝工程完工后,下断面的分流比减小了8%,抵消了封堵江亚北槽的影响,分流比降到了53.4%,与工程前的53.7%基本持平。整治工程实施后,分流比的减小除了丁坝的局部阻力所致外,还应考虑河床调整底沙下移造成局部集中堆积所增加的河槽的沿程阻力。一期丁坝实施及完成后,丁坝段在短短1年时间里总共冲刷起了6500万m3泥沙往下输移,大部分集中堆积在北槽中段,使北槽沿程阻力增大,下断面分流比减小,在实施二期整治工程时对这个问题需予以重视,尽量使河床调整的过程和结果能够向最有利于航槽水深增加的方向发展。继续施工丁坝工程局部阻力小继续实施完善段4条丁坝后,上断面分流比不再有明显变化,下断面继续减小1.6%,其影响较一期丁坝明显为小,说明继续往下实施丁坝工程局部阻力还有一定增加,但对分流比的影响已明显减小。横沙通道扩大的影响分流口上下两断面之间有横沙通道来水汇入,从定性上分析,对上断面而言将起一定程度的阻水作用,减小经上口下泄的水量,对下断面而言将增加来水量。2000年3月通道扩大,上述影响进一步增加。1999年11月上断面分流比57.3%,到2000年3月减小为52.1%,而同期下断面只减小1%,反映出了上述影响,说明横沙通道的扩大,对增加通道下游的北槽分流比是有利的。从近期上断面分流比大体已稳定在49%左右,下断面大体在50%~52%之间,也证实了上述认识。面为4.9,下断面为84.82002年6月最近的一次分流比实测值,上断面为48.9,下断面为51.8。从2001年4月到现在1年多来,上、下两断面的分流比值均在此二值上下波动,说明大体上已趋于稳定。2.2冲淤调整和疏浚期含沙量增根据工程实施前已有的历史资料统计,北槽发展、稳定后至整治工程实施前,北槽悬沙分沙比小于分流比(历史上1971、1984、1991年也曾有悬沙分沙比大于分流比现象,主要是由于含沙量变化引起的)。一期工程实施以来,北槽悬沙分沙比与分流比的比值总体仍小于1,期间出现几次北槽落潮的悬沙分沙比略大于分流比的现象。北槽悬沙分沙比的增大与悬沙含沙量的增大有关,在大规模河床冲淤调整和疏浚活动期间,含沙量明显增大。长江口河床底质为d50=0.165mm的粉细砂,拦门沙河段悬沙d50=0.01m,河床表层主要为3.0~6.0m厚的灰黄色粉沙,在水动力作用下具有高可动性的床沙。长江口水动力作用又具有较大的强度,北槽潮流流速峰值达2~3m/s。在高可动性床沙的区域实施导堤、丁坝等整治建筑物工程势必引起强烈的河床冲淤调整。据统计,1999年8月至2000年11月一期丁坝段冲刷下移的泥沙达6500万m3左右,按该区域河床质取样分析表明,底质颗粒组成小于等于0.01mm占20%以上,极易悬扬。同时期,由于北槽50余km航槽在进行大规模疏浚、抛泥(仍在北槽)活动,计一期基建疏浚量及至2000年11月的维护疏浚量累计达5000万m3左右,其中近90%的北槽#1、#5抛泥区抛泥,大量悬浮的细颗粒泥沙随北槽涨落潮流往返搬运,也势必引起北槽悬沙含沙量的增加。另外,上游南港河段瑞丰沙腰部冲开,底部高含沙量水体进入北槽也是原因之一。分沙/分流比值的变化实际上反映了含沙量的变化,从整治工程开始以来分沙/分流比值的变化过程看,没有趋势性的增大或减小,北槽的分沙/分流比值的阶段性变化主要是人为因素造成的,是暂时的,北槽含沙量小于南槽的基本分沙格局没有发生变化。2.3通过重建项目，局部沉积物运动(1)丁坝段冲刷形成底沙的现状自1999年7月一期丁坝工程实施以来,丁坝段产生较大冲刷,冲深2~3m,造成大量底沙下移。据统计,1999年8月至2001年2月,丁坝段冲刷产生的泥沙量达6500万m3左右。挖槽南侧所产生的泥沙循南缘径直向下输移,北侧的泥沙在东南向底流的作用下跨过W3转弯段上下航槽,先堆积在北槽中段,后逐步下泄。(2)泥沙气象沉积导堤北侧滩地在沿堤流作用下发生的冲刷。据统计,1999年2月至1999年12月底北导堤北侧沿堤冲刷产生的泥沙达1010万m3。其中,1999年7月后一期北导堤在横沙东滩窜沟以西的滩面上停滞了较长时间,涨落潮绕堤流造成堤头附近滩地强烈冲刷,1999年7~12月产生泥沙达530万m3。这部分泥沙出横沙东滩窜沟后,主要沿东南向输移,成为北槽中段淤积带的重要物质来源。2000年2月横沙东滩窜沟基本封堵后,北导堤北侧沿堤冲刷产生的泥沙被拦截在北导堤以北。(3)冲刷产生的沙量据统计,1998年9月至2000年8月,这个区域冲刷产生的沙量共计2550万m3。这部分泥沙主要涨潮流冲刷产生,泥沙在往复潮流运移中,同样部分泥沙也将在W3转弯段附近跨越航槽,循东南向下排。3第一阶段河床应急维护工程中各阶段河床应急维护效果的分析3.1北港河和南港河的发展概况和原因(1)瑞丰沙鱼岛鱼砂冲淤期2002年8月18.5m工程前后相比较,南港河势出现了较大变化(深槽傍靠南岸的大河势格局没有发生变化),可归纳为:①南侧主槽淤浅又复从上往下冲刷恢复,但尚未全部恢复,特别是南港下段南侧主槽的水深未能完全恢复,10m等深线偏离岸边。②自吴淞口到瑞丰沙中部出现一条东北向的强冲刷带,与此同时在其南侧的南港上中段相应出现一条同样为东北向的淤积带。③东北向的冲刷带在瑞丰沙下沙体处被迫折向东南向发展,与南槽进口段北侧的冲刷区相连。④瑞丰沙南沿发生侧向淘刷,继之中部冲开5m以深的横向通道,最深处6.5m,与北侧长兴岛涨潮槽沟通。侧向淘刷下来的泥沙,在横向通道口南侧堆积,形成江心沙体。⑤被切开的瑞丰沙下沙体未出现如历史上出现过的整体下移情况,相反,沙尾明显上溯,7.5m等深线远离圆圆沙航道。⑥瑞丰沙尾上溯,圆圆沙航道水深明显增深,原洪季7.5m沙层侵入航道北侧,现只9m等深线贴近槽边。2002年枯季9.5m等深线止于槽边,航道滩顶水深从原7.9m增加到现在的9.5m,滩顶上下10.0m深槽中断的距离从原1.6km缩短到0.4km,2002年8月10.0m深槽贯通。⑦北槽进口段自长兴岛东南角到横沙岛南侧出现大范围的淤积带,横沙通道南口亦有淤积,但强度明显为小,长兴岛岛尾淤长出伸向江心的沙嘴。⑧横沙通道自2000年3月后明显冲深扩大,过水容积从2.64×107m3增加到3.60×107m3,增幅达36%。⑨南槽进口段北侧自分流口潜堤头部开始逐步冲刷出一条东南向的10m深槽,长度达6km左右,而南侧冲淤基本平衡,未出现南港南侧深水岸线贴南岸向南槽伸进的预测情况。(2)重大变化时产生的原因时上述南港及南、北槽进口段河势的明显变化是在上下边界条件均发生重大变化的背景下产生的。上边界条件的重大变化是1998年、1999年连续2次大洪水所引起的南支下段的河势大变化,下边界条件则是北槽的整治工程引起的。坡向、落潮期南港上、中段的变化主要是上边界条件发生重大变化所引起的。2次连续大洪水使南港上口进流主通道易位,由新宝山水道改变成浏河沙北通道。新宝山水道傍靠南岸,与南港南岸主槽顺直相连,落潮主流必然紧贴南港沿南岸下泄。浏河沙北通道成为主汊后,由于其走向呈东南向,故落潮主流进南港后必然会有一部分水流北偏。新主通道冲深发展又产生大量底沙进入南港,主要淤积在南侧主槽,又助长了北偏水流的强度,南港中上段东北向的强烈冲刷带由此形成。北偏落潮流又必然强烈侧向淘刷瑞丰沙中部,在其南侧堆积,又形成心滩。瑞丰沙中部侧向淘刷,滩体宽度缩窄,横比降增大,过滩流速增加,导致沙体被切开。与长兴岛涨潮槽沟通的横向通道的泄流能力是有限的,故北偏的部分水流又在瑞丰沙下沙体南侧与心滩之间被折向东南,冲出一条东南向的8~9m的支汊。这条支汊又与下游南槽进口段北侧新形成的10m深槽相连,说明南港上、中段北移的这部分落潮流最后又复折向南槽下泄,这是上下边界条件发生变化共同作用的结果。分流比增大,南槽进口段冲刷不稳定,这也是次要事件南港下段及南、北槽进口段的变化主要是下边界条件发生重大变化引起的。北槽整治工程所引起的本河段水、沙运动条件的变化,在水流条件方面可归为2点:落潮分流比发生变化。北槽进口段上断面落潮分流比减少了12%,南槽进口段上断面增加了12%,这是北槽实施丁坝工程所引起的。涨潮主流路的变化。原北槽上段涨潮主流偏北,实施北导堤及丁坝工程后,迫使上游进入北槽进口段的涨潮流主流路南移。本河段的一系列重大改变均起因于上述二方面的水流条件的重大变化。北槽上口分流比的减小及南槽上口分流比的相应增加,必然会引起北槽进口段的淤积及南槽进口段的冲刷。但值得注意的是,南槽进口段的冲刷不在南侧而在北侧,北槽进口段的淤积不是全河槽淤浅而是集中在横沙岛、长兴岛两岛连线一侧,而上口圆圆沙航道水深不淤反冲。定床物模实验表明,北槽实施丁坝工程后,在分流口工程潜堤头部出现一股由北向南的越堤水流,南槽历年实测地形图说明南槽进口段北侧的长6km左右的10m深槽正是由这股越堤流淘刷北侧河床逐步形成的,说明南槽进口段所增加的12%落潮流主要是越潜堤进入南槽进口段的。南槽进口段增加的分流量经由北侧进入,加之南港上段部分水流北移又复南折,这一双重原因造成南港下段南岸深槽上溯、南岸10m等深线离岸北移,这一方面造成南港下段贴岸深槽淤浅,同时又使圆圆沙航道上下10m深槽间断的距离缩短。北槽北侧丁坝及北导堤的建设使上溯的涨潮流南移,由此造成近长兴岛、横沙岛侧淤积、长兴岛尾淤长沙嘴,且北槽进口段南侧也淤浅,这是北槽进口段航槽水深并未因落潮分流比减小12%而淤浅的原因所在。上溯的涨潮主流路南偏使作用于瑞丰沙下沙体及沙尾的涨潮流增强。瑞丰沙尾有洪季下移、枯季上溯的年周期演变规律,即洪季落潮流增强冲刷下移,枯季涨潮流增强,沙尾上溯,年内达到基本平衡。北槽实施整治工程后瑞丰沙尾持续被冲上溯,出现了趋势性变化,无疑是涨潮流增强所致。从沙尾处等深线呈凸字形的冲刷形态上,亦证明系涨潮流所致。由于这一演变是下边界条件改变所引起的,而这种改变又是永久性的,故沙尾的上溯及圆圆沙航道水深的增加也将会适应这一改变。3.2横沙东滩窜沟主通道改造北港与北槽之间通过横沙通道及横沙东滩窜沟(包括滩面)维持水量平衡,随着东滩窜沟扭曲萎缩,横沙通道水量有所增加,通道有所发展,兴建北导堤后原经横沙东滩窜沟主通道进行交换的水量,必然有部分改经横沙通道进行交换,维持北港与北槽之间的水量平衡。据测量资料,1997年横沙通道内10m等深线是不通的,一期工程实施以来不断发展,北导堤封堵东滩窜沟后横沙通道随之明显冲深扩大,2000年3月(横沙东滩窜沟已基本封堵)5m槽内平均水深从工程前7.9m增加到9.4m,2000年5月增加到10m,2000年11月,12m等深槽基本贯通,其后河床冲淤变幅不大。3.3渗流场及其作用此段为一期丁坝作用区。丁坝工程实施后,全河槽普遍冲深,南侧冲深幅度大于北侧,深泓偏在南侧的南丁坝附近。冲刷变化过程如下:(1)1998年9月(工程刚开工)到1999年8月此段时期丁坝坝身尚未开工,北导堤停滞于N16+400(窜沟未堵),南导堤做到S18+722,江亚北槽已基本封堵,此时南导堤已拦截了江亚北槽的大部分落潮流,归入北槽下泄,故紧贴南导堤一侧发生冲刷,10~7m等深线冲深下延,航槽南半侧平均冲深0.5m左右,但航槽水深未见增深。(2)1999年8月至2000年11月一期南北导堤作用效应的发挥,特别是S1、S2、S3、N1、N2、N36条丁坝工程实施的作用,该河槽持续冲刷,5m以下河槽容积增加80%,平均水深增加1.1m,航槽增深2~3m,作用效果明显。(3)2000年11月至2002年2月2000年11月后,一期丁坝段的冲刷趋于缓和,2000年11月至2001年5月,河床基本稳定,该区段上段航槽水深已在8.5~10m之间。2001年5月至2002年2月,随着下游完善段4条丁坝的建成,该段的5m以下河槽容积有所减小,航槽南侧(S3-S4区段)淤浅,航槽水深略有淤浅。3.4北导堤东南角至1999年11月的时段一期工程实施以来,受大量局部底沙下移的影响,北槽中段从1998年9月至2000年8月,一直处于严重淤积状态,淤积体呈东南—西北走向,跨越航槽,平均淤积幅度在1.2m左右,其中淤浅较快时段为1998年9月至1999年11月,而以1999年8月至1999年11月(北导堤N16+400停留较长时段、横沙东滩窜沟又未封堵)时段为最大。2000年2月北导堤将东滩窜沟封堵,继之又向下延伸,上溯进北港的潮量被截,中段东南—西北向的10m深槽迅速淤积消失,但主流路调整成东西走向。2000年8月后随过境沙量减少,河槽冲刷,深槽向北槽上段上溯,2000年11月后冲刷速度加快,航槽槽外的滩面水深已从2000年8月的7.2m增深到7.8m,到2001年2月8m深泓和北槽上段基本贯通,微弯新河势初始伊成,到2001年5月全面形成。2001年5月至2002年2月,随着完善段4条丁坝(N4、N5、S4、S5)的完工,S4以下航槽水深显著增加,7.5m以下河槽平均水深增加0.3m。3.5北导堤北槽积土流失区一期工程实施后上述河床调整的产生泥沙主要沿东南向下输移,堆积在W3下约10km处的九段沙北沿,对航槽水深产生明显影响,故采取了将部分航槽北移的改线措施。一期北导堤特别是封堵横沙东滩窜沟,拦截了原从北槽下段经过横沙东滩及横沙东滩窜沟进入北港的涨潮量,北槽中下段北侧区域涨潮量明显减小,故中下段北侧深槽淤浅,深泓南移。从河槽容积和河槽平均水深的变化看,1999年3月至1999年11月,受上游工程段河槽冲刷的影响,进入本段的局部来沙量明显增加,河槽容积、平均水深都有较大幅度的减小。1999年11月至2002年2月,北槽