长江上游江湖草街至河口段航道整治一期工程设计流量研究

长江上游江湖草街至河口段航道整治一期工程设计流量研究

一、突出生态保护,保障航道安全嘉江是长江上游重要的通航衰落渠道。这是重庆“一干两河”高架道路之一。草街至河口段航道位于草街枢纽下游,是嘉陵江全线渠化后通江达海的咽喉,所以该段航道的整治建设直接影响到嘉陵江全线渠化效益的发挥和嘉陵江水运主通道的畅通。三峡工程完成后,该河段受到草街枢纽的泄流影响和三峡水库回水影响,河段的险滩情况、水流条件及泥沙的冲淤变化情况及其复杂。为消除嘉陵江草街至河口段众多碍航滩险对航运的影响,保障航道安全畅通,根据对该河段现状的调查,实施了嘉陵江草街至河口段航道整治一期工程,它包含白鹤滩、桌子角至王家滩、利滩、徐家滩至响水滩、黑羊石滩、蹇家梁至飞缆子滩六个整治滩险或滩群。六个滩险均位于草街下游,距河口里程分别为51.33km、46～49km、35.08km、31～28km、25km和19～17km。本河段的特点是弯道多,在岸边或江中突出的石梁和礁石较多,造成了河段的浅、险、弯和窄。二、标准的改进1.恢复原则整治河段的设计原则以炸礁、疏浚为主、筑坝为辅,稳定边滩、调整流向,进行整治。2.航道尺度的确定三峡正常蓄水后,嘉陵江河段规划为Ⅲ级航道,因此根据《内河通航标准》规定的整治河段航道按“内河Ⅲ级”航道标准进行设计,综合考虑河段的自然条件,确定的航道尺度如表1。3.设计流量分析三峡水库按175m正常蓄水运行后,嘉陵江回水至北碚,一期工程整治河段位于三峡水库回水的上段及末端附近,受三峡水库回水影响时间短,壅水幅度小,因此该河段航道整治设计的最低通航水位及相应流量,主要按天然情况进行考虑。设计流量采用保证率频率法确定,根据北碚水文站1963～1985年和1998～2005年水文资料计算分析,按保证率95%考虑,本河段的设计流量为327m3/s。整治河段上游在建的草街枢纽,该电站水库的运行方式为:在下游井口枢纽未投入运行前,平、枯水期(11月～次年4月)水库水位维持在正常蓄水位运行,电站只承担基荷,不进行日、周调节,其下泄流量不小于航运基荷327m3/s,与天然状况下的设计流量一致。因此最终确定北碚水文站的设计流量为327m3/s。4.回水上段阶段嘉陵江以往航道整治水位采用设计最低通航水位以上1～1.5m,可基本维持Ⅴ级航道标准。三峡正常蓄水后,该段处于回水变动区上段或末端。根据《航道整治工程技术规范》,处于变动回水区上段的整治水位,亦可参照天然河道的有关方法确定,并视滩段泥沙淤积的具体情况适当提高,以延长消落冲刷期,加强冲刷效果。再加上达到Ⅲ级航道的目标,综合分析整治水位取设计最低通航水位以上2m,相应的整治流量为1,400m3/s。5.整治线宽度计算嘉陵江草街至河口航道整治一期工程整治线宽度计算,采用了优良河段法和理论公式((1)流量比降公式、(2)《航道整治工程技术规范》推荐的公式、(3)南科院公式、(4)水力学公式、(5)河相关系法)计算,根据计算成果,并综合考虑滩险所在滩群的航道情况,得到各滩的整治线宽度的综合取值。整治线宽度汇总见表2。三、海滩集体的救援1.下白鹤滩(1)航槽前、左右双槽床如图1所示,下白鹤滩为汊道浅滩,中部为称杆碛中坝,枯水期露出水面,将河床分为左右两汊,左槽为主航槽,河底为礁石,航槽左右两侧较浅,航槽左侧河底浅处为礁石,靠近碛坝的航槽右侧河底浅处为砂卵石。左岸为称杆碛边滩,滩侧从上至下有猪儿石,羊儿石,猴儿石等石梁,其中羊儿石伸入左槽较多,有碍航行。(2)军坝及洲尾坝下白鹤滩河势顺直,根据水流及边界条件特征,左岸利用秤杆碛左侧边滩稳定的河岸边缘、坚实的礁石作为控制点,右岸利用原有建筑物,并穿过秤杆碛中坝洲脊作为控制点,整治线从上深槽依据上述控制点逐渐进入下深槽,依据这些节点规划成符合河势的并与中枯水水流流向相吻合的匀缓、圆滑曲线。施工图设计工程布置为炸除航槽左侧河底礁石,及羊儿石伸入航槽中的石梁,达到设计航槽标准底宽60m和设计水深2m,由于河段为岩石质河床,炸礁应考该富于深度和宽度,同时炸礁上端拓宽成喇叭形,减少该处的剪刀水影响。疏浚航槽右侧河底浅区达到设计航槽标准底宽60m和设计水深2m;由于河段为卵石质河床,挖槽时应考虑该富于深度和宽度,同时挖槽上端拓宽成喇叭形,减少该处的剪刀水影响。加高洲头洲尾坝至整治水位,同时延长洲头洲尾坝各20m,对于洲头坝,可以调整汊口的分流比,使左汊流量较整治前增加10.2%,有利于左侧航道的维护。对于洲尾坝,可以使两汊水流交汇平顺。同时圆弧形的坝头有效改善了水流条件。(2)冲淤深潭增坝整理根据该滩的水流及边界条件特征,左岸上游以上深槽人行渡口岸边为起点,利用平顺圆弧切桌子角突咀,利用反圆弧衔接打弯石控制节点,再利用下游的固定河岸、突嘴作为控制节点,连成缓和平滑的连续曲线;右岸以上游深槽岸边的突嘴为起点,以一组反向曲线到达鸡翅膀,再利用黄家嘴碛坝固定的河岸作为控制点,平顺的引入下深槽。由于河段是弯道石质浅滩,因此对桌子角突嘴进行切咀炸礁,同时炸除铜鼓石,虽然碛头鸡翅膀一带,表层为胶结卵石覆盖,但是其下为岩盘,伸入河心,因此对鸡翅膀外侧的航槽进行炸礁以达到设计水深,炸除打弯石叽头,减少弯曲半径严重不足形成的扫弯水对航行的影响。由于河段为岩石质河床,炸礁应考该富于深度和宽度。同时炸礁上端拓宽成喇叭形,减少该处的剪刀水影响。对于下游王家滩存在零星的浅区,采取挖槽疏浚,并考虑富余深度和宽度。利用炸礁石渣回填桌子角下游的凹陷深潭,形成潜坝,达到增加水位,调节比降,消除不良流态的目的。如图3所示,利滩是有名的枯水礁石险滩,河床质以卵石为主,左岸有众多石盘、石梁,右岸为一大碛坝。自1958年～1971年多次进行了整治,在外石梁与下石盘之间筑了一座堵坝,使水流集中于一槽,自外石梁下端起向下至恶狗堆筑了一座长顺坝,消除了右岸大碛坝在扁担石对面伸出的暗碛锅肚,但是由于左岸长顺坝始终未伸入下深槽,顺坝下游端部的形成坝头洲,形成关门浅。同时顺坝上段航槽及中段航槽存在浅区,左岸已建顺坝坝轴线过分弯曲,水流扫弯严重,上游带下的泥沙在凸岸沉积,造成右岸碛角向河心延伸,迫使航道弯曲,水流紊乱,航道窄、弯、浅、险,而碍航。(2)顺坝下深槽及航道挖槽疏浚考虑到原筑的顺坝,根据该滩的水流及边界条件特征,依靠左岸的主导河岸,上游与顺坝上段相切,下游与顺坝下段相切,形成一个缓和平滑的大圆弧曲线,出顺坝后以民邦石外缘为控制节点引入下深槽。右岸整治线与左岸平行。由于河床质以卵石为主,对紧邻顺坝上段的航槽进行挖槽疏浚,并对河中的暗礁进行清炸;对顺坝中段右岸伸入航槽中的浅区进行挖槽疏浚,以增大航道弯曲半径;对顺坝出口处的关门浅进行疏浚,并延长现有顺坝至民邦石,伸入深槽中,避免坝头出浅。4.从徐滩到响水滩的海滩群(1)值内航道滑梁水型如图4所示,徐家滩至响水滩滩群为石质浅滩。在滩的进口处,江面宽阔水流分散,又兼上口平坦的岩盘,枯水水深较浅。滩中间有凸出水面的行马石将航道分成左右两槽,右边为枯水期主槽,槽中分散着大小不一的暗礁;左边为洪水期的副槽,暗礁和行马石使两岸在蓄水期产生滑梁水时间增长,使得航槽狭窄弯曲。右岸原筑的顺坝,减少了右岸老虎梁的不良流态。但由于左岸碛坝有逐年向右伸长的趋势,造成左槽航道狭窄,因此本段航道仍然曲折、险、窄。下游的响水滩,航道较为顺直,左岸为平坦的大碛坝,其右有与岸接或相互分离的大石梁,枯水期高出水面1～2m,构成枯水岸线,当水流漫过石梁顶部时形成滑梁水。沿右岸石梁尾端建有顺坝两座,主流左移,倒顺了出口段水流,避开了老虎石的障碍,并将该岸斗笠石附近堵塞,水流归槽,航道有了根本变化。本滩下游有未炸除彻底的鱼秋石横卧江心及下游顺坝端部附近的浅区碍航。(2)基础地位平等的段即根据该滩的水流及边界条件特征,依靠右岸的主导河岸,上游以上顺坝、下游以下顺坝作为控制节点,形成一个连续的、平曲相间的缓和平滑线,左岸以左岸边滩边缘作为整治线的控制节点,与右岸整治线基本平行。炸除滩中间有凸出水面的行马石及槽中分散着大小不一的碍航暗礁,以增加航道水深;因此,对下游顺坝端部附近的浅区进行疏浚,减少堵塞向航道发展,同时彻底炸除下游的横卧江心的鱼秋石残渣,满足水深要求。如图5所示,黑羊石滩为石质浅滩,该滩右岸是一碛坝,为砂土沉积层,表层有部分卵石兼少量礁巴石,中洪水淹没;左岸地形较陡,由较坚硬的岩盘构成。左岸原建有一长顺坝,起到了束水、固定槽位的作用。原河槽中有一连续不断的高低差较大的礁石,71～72年对其进行了炸除,但不够彻底,使顺坝中下段的航槽中暗礁较浅,水深不足,流速较大,造成碍航。(2)缓和平滑曲线考虑中洪水期可以利用右岸增加航道的宽度,根据该滩的水流及边界条件特征,依靠左岸的主导河岸,与以顺坝作为控制节点,并与顺坝相切,形成一个直圆相间的缓和平滑曲线,右岸上游以岩石凸嘴为控制节点,下游沿稳固的岸边形成缓和平滑曲线。为对顺坝中下段航槽中石盘进行清炸,彻底清除原河槽中有一连续不断的高低差较大的礁石,扩大泄水断面,以满足设计水深,调整流速,改善横流和乱流。6.岸坡稳定性如图6所示,蹇家梁至飞缆子滩群,该滩左岸为普通砂岩、粘土覆盖,有一大石梁(蹇家梁),成为枯水岸线,右岸多为岩石和砂卵石组成,岸坡稳定,变化较小。蹇家梁大约与上游主流成60°交角伸入江心,好似一巨型下挑丁坝,将主流从左岸挑向右岸,形成一大片回流,年复一年,形成江心洲即横盘碛,由于横盘碛在洪水和中水期洲头和两侧受水流的冲刷,冲刷下来的泥沙在环流的作用下一部分带向岸边,因此横盘碛中下段航道航槽两侧浅、窄,其余部分被带到江心洲的尾部,加之飞缆子突嘴端部伸入航槽,形成了飞缆子下游航槽中有零星浅区,具有弯、窄、浅、险的特点。(2)整治线排沙线考虑炸掉蹇家梁和江心洲横盘碛工程量大的特点,充分利用该滩的深水区,固定岸边、江心洲和原有顺坝为控制节点,形成缓和而平滑的连续曲线作为整治线。沿整治线炸除蹇家梁尾部、飞缆子突嘴和横盘碛外侧黄益石附近的礁盘,以满足航槽宽度和减弱蓄水期滑梁水,使滑梁水尽量向岸边移动;由于环流冲下的多为泥沙一部分在岸边造成了航槽的浅、窄,一部分在江心洲尾部形成了零星的浅区,因此对蹇家梁尾部与横盘碛上首之间的航槽和飞缆子下游航槽进行挖槽疏浚。四、工程河段航道设计、宽体结构改造工程河段航道宽通过对整治效果的实测和实船验证,嘉陵江草街至河口段航道整治一期工程完成后,工程河段航道水深、宽度、弯曲半径等要素满足设计要求,整治建筑物总体稳定;下白鹤滩、飞缆子滩等六个整治河段的通航水流条件得到了明显改善,不良流态减弱,满足在设计水位情况下1,000t级船舶安全通航要求。2.桌子角与王