浅析北盘江坝草滩整治与模型试验研究.docx

浅析北盘江坝草滩整治与模型试验研究 摘 要：本文从水沙运动与河道演变的关系研究坝草滩航道演变与碍航机理，根据不同工况下的水沙关系来分析滩险成因；通过物理模型定床试验和定床输沙试验，优化整治方案，解决泥沙淤积问题，为类似滩险整治提供借鉴。 关键词：坝草滩水沙分析 整治方案 物模定床输沙试验 北盘江是红水河上游主要支流，发源于云南省沾溢县马雄山北麓，由西北流向东南，于贵州省望谟县蔗香附近与南盘江汇合后称为红水河，南盘江、北盘江和红水河习惯上称为“两江一河”。北盘江-红水河航道是国家规划的“两横一纵两网十八线”高等级航道之一，是贵州南入珠江的水运出海通道。 “十一五”期间，贵州启动了西南水运出海中线通道（贵州段）航运扩建工程，按级航道标准整治“两江一河”航道共360km。其中北盘江坝草至两江口段97km，整治滩险26处，航道尺度坝草百层为1.6m30m300m，白层两江口为1.6m50m330m，通航保证率为90%。 坝草滩为本次北盘江航道整治起点，下距两江口97km，属北盘江典型的砂卵石滩险，以枯水河槽弯、窄、浅碍航著称。该滩位于龙滩库区变动回水区，滩险成因复杂，既受龙滩库区回水顶托影响，也受上游董箐电站下泄流量影响，水沙条件复杂，同时滩头左岸为拟建坝草新港，滩险整治须考虑港池淤积问题，整治难度大。建设业主将坝草滩作为整治该段航道的关键节点，委托进行物模试验研究，设计单位加强设计力量，施工单位紧密配合，多方协作确保坝草滩整治工程取得成功。 1.滩险演变及碍航因素分析 1 . 1地质地貌 坝草滩地质主要由沙砂卵石组成。滩段位于微弯河段，滩上段左岸有一长约330m的卵石边滩（1号边滩），其下游右岸有一长约420m的卵石边滩（2号边滩），在往下游左岸有一长约440m的卵石边滩（3号边滩），3个边滩上下衔接，左右交错，枯水航道呈S型。 1 . 2滩险演变及碍航因素分析 北盘江为典型的山区河流，距本滩下游约10km的这洞水文站资料统计，年平均径流量151亿m3，年平均流量479m3/s，年最大日均流量5134m3/s（2001.7.4），最小43.66m3/s（2001.5.2），年际、年内水量分布极不均匀，汛期水位暴涨暴落现象十分突出。 坝草滩长约1.4km，平均比降1.16，局部最大比降为4.25，最大流速1.91m/s，最小水深0.7m，为典型的北盘江沙卵石滩。该滩段为微弯河段，自上而下岸侧分布存在大小规模不同的三块边滩侵入枯水主槽，边滩滩面高程均较低，整治流量下滩面过流。这些大小不一、高低不等的边滩控制了枯水流线，使枯水航道呈S型。在滩段范围内洪水时水流取直、枯水时水流归槽坐弯，上游不同的来流量下水流流向相差较大，枯水河槽大幅偏离中高水期的流线，甚至位于缓流区，汛期泥沙淤积量大而枯水期水流冲刷不力，加之汛期强水流携带淤积物粒径较粗，由此使得枯水河槽弯、窄、浅。 同时，本河段河宽较窄，洪水河宽一般不足150m，因此，较窄的河宽为坝草新港口水域的布置带来了很大难度，港池及回旋水域开挖后面临泥沙回淤的风险。 该滩经过1994年和“十五”期的西南水运出海通道中线起步工程整治，在2号边滩滩头建有2条勾头坝和1条顺坝，中部建有3 条丁坝，在3号边滩滩尾建有2条丁坝，以加强枯水期航道冲刷，但由于2号边滩滩中丁坝位于洪水主流流线上，受汛期洪水直冲，水毁严重。坝草滩原始地形见图1。 本滩的整治主要是解决级航道航道尺度不足，坝草新港口水域布置及泥沙淤积问题，并且采取有效措施预防整治建筑物水毁。 2.现状条件下水流特性试验 根据该滩的实际情况，进行了工程前设计流量183m3/s、整治流量329 m3/s、中水流量880m3/s和洪水流量2000m3/s共四个特征流量下水流特性试验。结果表明： （1）在183m3/s（设计流量）下，航深1.6m等深线基本贯通，但在1号边滩与2号边滩的过渡段约27m水深不足1.6m，且部分1.6m水深的宽度不满足设计航宽要求；2号边滩与3号边滩的过渡段弯曲半径不满足设计要求。 （2）流速随流量的增大而增大，流量为2000m3/s时，边滩上流速普遍超过3m/s，航道处流速均小于3m/s；183m3/s设计流量下最大流速2.19m/s，出现在2、3号边滩的过渡段。 （3）设计流量下，水流归槽，流向基本与航道走向一致；中洪水水流动力轴线取直过滩，航道内流向偏向边滩，特别是在弯道和边滩的滩头，偏角较大。 试验表明，坝草滩在各级流量下水面比降一般小于2，流速一般不超过3m/s，说明该滩通航水流条件较好。碍航主要是局部水深、航宽和弯曲半径不足。 3.整治原则 3. 1整治参数 （1）设计流量 坝草滩位于龙滩库区变动回水区，距上游董箐电站约5km，受上游下泄流量和库区回水影响较大。经综合分析计算，设计流量取董箐电站单机满发最大引用流量的85%为183m3/s。 （2）整治流量和整治水位 根据北盘江整治经验，整治水位一般高出设计水位0.81.2m，考虑到设计流量取183m3/s，明显大于天然条件下的设计流量，因此整治水位取小值为宜，即为设计水位上0.8m，对应流量为329m3/s。 3.2整治原则与目标 根据工程前水流特性试验和滩险碍航特点，采取整治与疏浚相结合，以疏浚为主；新建整治建筑物与修复原建坝体相结合，以完善已建整治建筑物发挥其作用为主；改善港口水域和航道水深、防止淤积和改善航行水流条件、解决弯、窄、浅相结合，做到统筹兼顾。 4.工程方案试验研究 4 . 1方案1 对2号边滩上原有老坝进行加固并加高到整治水位，拆除整治线以内的坝体；对坝草老港和新港的港池、回旋水域进行开挖；在3号边滩上新建3条勾头坝，对原2条老丁坝改造成勾头坝，以稳固3号边滩；对规划航槽内航深不足处进行开挖。 通过183m3/s、329m3/s、880m3/s和2000m3/s的4级流量下水流条件试验表明：（1）各级流量下港池和回旋水域水位有明显下降且随流量加大下降值减小。设计流量下港池水位下降约0.2m，回旋水域下降约0.32m；工程后水面比降比工程前略有减小。（2）工程后新港港域流速明显减小易引起泥沙淤积，水流流向变化不大。设计流量下，工程前码头前水域流速为0.91.2m/s，工程后为0.30.5m/s，虽有利于船舶停靠作业，但上游来沙易引起淤积。 4 . 2方案2 在方案1的基础上，调整回旋水域位置，将回旋向下调整，拆除2号边滩上游2条老坝，以增大回旋水域，其余同方案一。 通过183m3/s、329m3/s、880m3/s 和2000m3/s的4级流量下水流条件试验表明：方案2与方案1相比，港池和回旋水域流速值变化不大，但回旋水域流向偏右岸。从流向上看偏右岸对船舶调头不利，但回旋水域宽度加大对船舶调头是有利的。 4.3定床输沙试验 由于相关资料缺乏，输沙参数按本滩下游约14km的坝油滩的推移质动床试验成果来确定，然后根据本滩的特点作适当调整。 4.3.1输沙参数 （1）进口推移质加沙粒径 根据现场取样确定，粒径范围基本在2.590mm。 （2）进口单宽输沙率 分别采用爱因斯坦，即非均匀沙输沙率公式： 和梅叶彼得计算，即均匀沙输沙率公式： 在Q2000m3/s，两公式计算偏差较大；在Q1000m3/s，两公式计算偏差较小，考虑到本滩粒径范围较大，故采用爱因斯坦非均匀沙输沙率公式计算。 （3）流量过程控制 模拟未来上、下游水电站建成后的水文过程。龙滩库区7月次年1月水位较高，本滩位于回水段，航行水流条件好；其他时段库区水位较低时，本滩恢复到天然状态，水流条件取决于上游董箐电站和光照电站的下泄流量。 （4）输沙量控制 试验主要是研究泥沙淤积部位，在确定各流量级输沙率时不考虑未来上游推移质泥沙来量减少的情况。输沙量受龙滩库区变水位影响大，水位越高，泥沙粒径越小，输沙量也越少，因此根据电站运行情况，泥沙粒径作适当减小，加沙量作适当减少。 （5）尾门水位控制 根据龙滩电站调度曲线，本滩约80%时间处于库区回水雍水状态，20%时间处于天然状态。工况一为雍水状态，工况二为天然状态。 4.3.2工况一工程方案定床输沙试验 （1）方案1 淤积出现在1号边滩对面弯道处航道内和新港港池水域。弯道航道内淤积体长约135m，宽20m，最大淤厚1.75m；港池水域淤积体长约201m，宽22m，最大淤厚1.5m。淤积主要是因为流量较大时，水流动力轴线取直，洪水流向和枯水流向偏差较大所致。 （2）方案3 针对方案1出现的泥沙淤积问题，进行工程优化改进形成方案3，对淤积部位工程布置进行调整，延长2号边滩头第一根顺坝并尽量贴近航槽，以加大对新港港池的冲刷。定床输沙试验结果表明，上游弯道淤积量变化不大，港池淤积部位不变，量减少了20%。可见，由于港池位于弯道缓流区，泥沙淤积问题不可避免。 （3）方案2 港池淤积问题仍然存在，部位和淤积量与方案一致。 通过定床输沙试验可见，在龙滩库区回水顶托下，导治建筑物作用较弱，泥沙淤积不可避免。 4.3.3工况二工程方案定床输沙试验 工况二为尾门降至天然条件水位，试验结果表明，各方案航槽内均无淤积，但新港港池中的淤积仍然存在。说明虽然在天然状况下，高水期由于整治建筑物较低矮，且港池位于弯道缓流区，整治作用较弱。 4 . 4推荐方案 按照龙滩电站调试运行方案，坝草滩处于天然状态时间较短，长期被库区回水淹没，滩段水流条件会得到明显改善，按照模型试验中采用的不利条件，要达到整治效果工程量大，不经济。综合定床试验效果、定床输沙试验效果和工程量等因素，确定推荐方案如下： 考虑到坝草新码头以上不再有船舶航行，将回旋水域下移至新港码头对面航道水域范围内；其他基本采用方案1的布局，考虑到3号边滩作为弃方区，弃方可以代替3号边滩上的部分勾头坝。具体方案布局为：拆除2号边滩头部3条顺坝，以增加回旋水域宽度；加高加固中部3条老丁坝至整治水位，拆除整治线内坝头；在3号边滩中部新建1条勾头坝，对边滩上原有2条老丁坝进行加固修复并加高至整治水位。 4 . 5推荐方案定床输沙试验 通过工况一和工况二情况下的床输沙试验，效果同方案2相近，新港港池内有淤积体出现，其余没有淤积体产生。 5.整治后效果 工程实施经过1个水文年后，通过竣工测量观测，整治后效果与模型试验成果基本一致。新港港池水位下降约0.18m，航槽及回旋水域内没有淤积，整治效果较好，但新港码头港池内存在泥沙淤积，长约220m，宽约28m，比物模试验结果有所扩大。 6.结语 （1）坝草滩位于龙滩库区回水变动区，既受上游电站流量调节影响，又受下游库区水位变动影响，水流运动条件非常复杂，如何解决泥沙淤积问题是个难题。 （2）采用定床水流模型和定床输沙模型相结合进行试验研究，经水位、流速分布和率定试验，证明是和原型相似的。 （3）定床输沙试验采用两种工况，证明是符合实际情况的。 （4）新港港池位于缓流区，长期受龙滩水位顶托，当库区水位下降，上游来流量较大时，水流取直，