長江下游鰻魚沙淺灘整治工程措施的初步研究

張幸農(nóng)，陳長英，張思和

（南京水利科學(xué)研究院，南京210029）

鰻魚沙淺灘位于長江下游揚中河段左汊的口岸直水道，是長江南京以下河段主要的礙航淺灘，盡快實施航道整治工程，對于加快建設(shè)南京以下河段12.5 m深水航道，充分發(fā)揮黃金水道的作用，具有重要意義。然而，受徑流和潮汐雙重影響，淺灘段河床沖淤變化十分復(fù)雜，水下心灘和兩側(cè)深槽變動頻繁且交替消長，尤其在大洪水情況下甚至出現(xiàn)灘槽易位的現(xiàn)象，航道條件嚴重惡化。另一方面，該河段人類活動頻繁，兩岸水利、港口、橋梁等涉水工程密布，河道治理的外部限制條件很多，航道整治工程措施的確定難度很大。

近年來，關(guān)于長江下游航道整治方面的研究甚多［1-5］，而鰻魚沙淺灘整治工程措施的研究仍具有典型的代表性。作者通過分析鰻魚沙淺灘河床演變規(guī)律及其礙航特征，綜合考慮各方面因素，確立了淺灘整治原則與思路，并建立揚中河段河工模型，針對形成穩(wěn)定水下分汊河型的整治工程進行了試驗研究，共提出三大類整治工程布置方案。研究結(jié)果對鰻魚沙淺灘整治工程的設(shè)計具有實際指導(dǎo)作用。

1 淺灘礙航特征及變化規(guī)律

鰻魚沙淺灘所在的揚中河段左汊（圖1），上段為向南彎曲的彎道，中段為長順直段，下段為向北的微彎段，平面形態(tài)呈反S型。該河段歷史上曾出現(xiàn)較大變遷。近50年來，河道邊界相對固定，左右兩汊道分流比變化不大，同時上下游河道穩(wěn)定少變，因而河勢相對穩(wěn)定。主要的河床變化情況是：上段北岸側(cè)嘶馬彎道、下段南岸側(cè)小決港等處沖刷嚴重，曾多次發(fā)生崩岸現(xiàn)象，造成岸線后退，對岸邊灘淤長；中間泰興順直段主流大幅擺動，江中出現(xiàn)水下暗沙，形成長約8 km的鰻魚沙心灘，左右兩側(cè)存在深槽，河道橫斷面呈現(xiàn)W形態(tài)。

從河床變化過程看，20世紀90年代初之前河床以淤積為主，此后至20世紀90年代末以沖刷為主，2000年以后沖淤幅度逐漸趨小，基本處于沖淤平衡狀態(tài)。相對而言，常水年份河床沖淤變化不明顯，沖淤幅度基本在5～10 m；大水年份河床沖淤變化十分明顯，沖刷幅度可達10 m以上。從演變趨勢看，隨著兩岸護岸工程的加強，口岸直水道總體河勢將保持相對穩(wěn)定的局面，但在不同的來水來沙條件下，河床仍會出現(xiàn)較大的沖淤變化。

鰻魚沙屬順直寬河段中的水下分汊型沙質(zhì)淺灘，其礙航特征與變化規(guī)律與心灘的變化密切相關(guān)。近幾十年中，心灘屬于河床演變的自然產(chǎn)物，不會自行消失，隨著來水來沙條件的不同，或是擴大連片，或是萎縮分塊、甚至消失，左右兩深槽呈現(xiàn)交替沖淤狀態(tài)。主航道時而為左槽，時而為右槽，或者兩槽均開放為航道。當心灘發(fā)育較大時，如20世紀90年代初，左右兩深槽相對穩(wěn)定，航道條件較好。大水年份心灘頭部沖刷嚴重，兩側(cè)深槽淤積，心灘尾淤高下移，甚至出現(xiàn)邊灘下移和灘槽易位的不穩(wěn)定現(xiàn)象，如20世紀90年代末，大水年過后，心灘逐漸回淤上延和增高，左右兩槽條件均衡時，右槽進口嚴重淤積形成淺區(qū)，中間航寬不足，嚴重影響船舶正常航行；左槽也因心灘尾下移左擺，造成出口航寬不足。

圖1 揚中河段及鰻魚沙淺灘Fig.1 Regime of the Yangzhong reach and Manyusha Shoal

2 淺灘整治原則與整治工程措施

2.1 整治原則

根據(jù)口岸直水道河床自然條件，考慮到外部條件的實際情況［6-8］，提出鰻魚沙淺灘的整治原則：（1）加強岸線守護，保持河段平面形態(tài)，促進河勢穩(wěn)定；（2）順應(yīng)河道自然屬性，因勢利導(dǎo)，維持河床穩(wěn)定形態(tài)。通過守護水下心灘，保持穩(wěn)定的水下分汊河型，集中水流沖刷兩側(cè)深槽或維持其穩(wěn)定，增大水深或?qū)挾?，確保深水航道尺度要求；（3）兼顧兩岸港口及岸線開發(fā)利用，盡量維持或增加深水岸線；（4）整治工程與河道防洪及治理相結(jié)合；（5）統(tǒng)籌兼顧，綜合考慮各方面因素，盡量協(xié)調(diào)整治工程與泰州公路大橋、沿岸港口作業(yè)水域、水生態(tài)環(huán)境保護等外部條件之間的關(guān)系。

2.2 整治工程措施

目前，鰻魚沙心灘基本上又形成完整形態(tài)，上段河床底高程為-8 m左右、下段河床底高程為-5 m左右，兩側(cè)深槽河床底高程為-25～-15 m，接近20世紀90年代初的河床條件，對深水航道相對有利。根據(jù)上述淺灘整治原則，提出整治工程措施：通過實施穩(wěn)固江中心灘的整治工程，重新塑造穩(wěn)定的水下分汊河型，使得兩側(cè)深槽滿足深水航道尺度要求，整治建筑物采用貼伏在灘面上的龜背狀壩群形式，雖平面尺度較大，但高度小，只有2～4 m，工程量及工程投資相對較小。經(jīng)過模型試驗研究，最終提出以下3類共5個整治工程總體方案，各方案工程措施布置見圖2。

方案Ⅰ：以左槽為12.5 m深水航道（包括上下水航道），兼顧右槽下段（小決港附近）深水岸線；通過布置右岸丁壩群和尾段江心格壩群，控制主流固灘刷槽，使鰻魚沙心灘上段形成微彎的單槽航道、下段形成水下分汊的雙槽航道，左右兩槽分汊點位于東新港下3 500 m處，同時對左岸受沖易崩岸段采取護岸加固措施。

方案Ⅱ-1：以左槽為12.5 m深水航道（包括上下水航道），兼顧右槽為10.5 m深水航道，通過在鰻魚沙上下心灘上布置整體格壩群，控制主流穩(wěn)固心灘、沖刷左右兩槽，使灘段形成-10 m高程以上的整體心灘和水下分汊的雙槽航道，左右兩槽分汊點位于東新港上4 200 m處（略比現(xiàn)行航道分汊點上提），擬建泰州公路大橋僅右孔通航，同時對兩岸受沖易崩岸段采取護岸加固措施。

方案Ⅱ-2：與方案Ⅱ-1基本相似，區(qū)別在于上、下心灘上分別布置格壩群，且上心灘格壩群頭部上提1 200 m，左右兩槽分汊點位于東新港上5 000 m處。

方案Ⅲ-1：左右兩槽均為12.5 m深水航道（左槽為上下水航道，右槽為下水或上水單向航道），通過在鰻魚沙上下心灘上布置整體格壩群，控制主流穩(wěn)固心灘、沖刷左右兩槽，使灘段形成-10 m高程以上的整體心灘和水下分汊的雙槽航道，左右兩槽分汊點位于擬建泰州公路大橋以上，大橋兩孔通航，同時對兩岸受沖易崩岸段采取護岸加固措施。

方案Ⅲ-2：與方案Ⅲ-1基本相似，區(qū)別在于上、下心灘上分別布置格壩群，且上心灘格壩群頭部上提至擬建泰州公路大橋中橋墩。

圖2 各方案整治工程措施Fig.2 Schemes of waterway improving measures

3 模型試驗研究

3.1 模型概況

模型范圍包括整個揚中河段兩汊，模擬天然河道長約80 km，其中左汊建立動床泥沙模型。模型平面比尺λL=650，垂直比尺λh=150，變率η=4.33。依據(jù)2006～2007年的實測河床地形建立模型，按潮汐河道水流泥沙模型進行設(shè)計與操作，動床模型既滿足懸沙中床沙質(zhì)運動相似，又考慮推移質(zhì)泥沙運動相似，選擇木屑為模型沙，同時兼顧懸浮相似和沉降相似，并滿足泥沙顆粒起動相似［9］，經(jīng)過水流特征和河床變形的驗證試驗，表明模型與原體河道在水流、泥沙運動規(guī)律及河床沖淤變形等方面，均達到了良好的相似性。

3.2 模型試驗結(jié)果及其分析

針對5個整治工程總體方案，選取有代表性的水文條件，在模型中進行工程實施前后的對比試驗，其中定床模型中選取洪、中、枯多級流量與不同潮汐的組合（表1），進行淺灘段水流特征的對比試驗，動床模型中選取水量較大的年份（2002年和1998年）分別作為一般不利年份和特殊不利年份，進行淺灘段河床沖淤變化及航道條件改善的對比試驗。

表1 定床模型試驗水文條件Tab.1 Hydrological conditions of the fixed model test

依據(jù)模型試驗結(jié)果進行分析，得到以下幾點認識：

（1）方案Ⅰ實施后，整個左汊河段沿程潮位、潮流過程變化較小，數(shù)值有一定變化，鰻魚沙淺灘段左槽和中部心灘流速增大，輸沙能力明顯增強。工程后河床變化幅度大，變化趨勢是左槽沖刷發(fā)展、右槽淤積形成高邊灘，所形成的航槽與上下航道銜接關(guān)系良好。由于丁壩群建立在深槽中，不僅工程量較大，而且河道過水面積縮小過多，上游洪水位壅高值和對岸近岸流速值增大明顯，對防洪不利。

（2）方案Ⅱ-1和方案Ⅱ-2實施后，整個左汊河段沿程潮位、潮流過程變化很小；鰻魚沙淺灘段中部心灘流速明顯減小，幅度在0.2～0.6 m/s，兩側(cè)深槽流速有所增大，幅度在0.05～0.10 m/s。工程后河床變化幅度較小，變化趨勢是心灘將產(chǎn)生淤積而形成穩(wěn)定的水下分汊河型，兩側(cè)深槽穩(wěn)定性有保障，所形成的航槽可與上下航道銜接，但受泰州公路大橋影響，淺灘進口右槽向左槽過渡段的航道條件未得到改善。由于格壩群河道過水面積縮小不多，上游洪水位壅高值和對岸近岸流速值增大不明顯，對防洪不利。

（3）方案Ⅲ-1和方案Ⅲ-2實施后，整個左汊河段沿程潮位、潮流過程變化和鰻魚沙淺灘段水流特征與河床沖淤變化，基本與方案Ⅱ-1和方案Ⅱ-2實施后的情況相似。同樣工程后河床變化幅度較小，變化趨勢是心灘將產(chǎn)生淤積而形成穩(wěn)定的水下分汊河型，兩側(cè)深槽穩(wěn)定性有保障，所形成的航槽可與上下航道銜接，并且解決了淺灘進口水深不足的問題，但左槽泰州公路大橋上邊灘有沖淤變化，航槽穩(wěn)定存在不確定性，對防洪的不利影響也同樣較小。

3.3 整治工程方案比選分析

依據(jù)模型試驗結(jié)果，結(jié)合各方面因素綜合比較可知：第Ⅰ類方案工程布置簡單可靠，但整治工程使河床沖淤變化的調(diào)整過大，對河勢及防洪均存在不利影響，更重要的是淺灘上段右岸側(cè)布置了丁壩群，使較長一段深水岸線的利用受到限制，與沿岸經(jīng)濟和社會發(fā)展的需求有較大的矛盾。第Ⅱ類方案和第Ⅲ類方案適應(yīng)沿岸經(jīng)濟和社會發(fā)展的需求，河床沖淤變化的調(diào)整不大，對河勢及防洪的不利影響較小，且兩側(cè)深槽穩(wěn)定性有保障，雖然穩(wěn)固心灘的格壩群工程布置較為復(fù)雜，但在技術(shù)上仍是可靠的。第Ⅱ類方案和第Ⅲ類方案相比較，各有優(yōu)缺點，主要表現(xiàn)在淺灘進口區(qū)域航道條件的改善及與上下航道銜接等問題，需要更深入的研究和對比。

4 結(jié)語

（1）長江下游航道淺灘眾多，泥沙淤積問題突出，鰻魚沙淺灘是典型的順直河段淺灘，類似淺灘在其他河段也同樣存在，此類淺灘河道往往因輸沙能力不足出現(xiàn)水下心灘暗沙，并且在不利的大水年份中受強烈沖刷而不穩(wěn)定，甚至形成灘槽易位，使航道條件惡化。

（2）關(guān)于鰻魚沙淺灘及類似淺灘的治理，必須考慮河床演變的自然屬性，同時需兼顧兩側(cè)河岸經(jīng)濟和社會發(fā)展的需求，整治工程措施應(yīng)避免過多干預(yù)河道，對河勢及防洪產(chǎn)生不利影響，因而在技術(shù)上難度較大。

（3）模型試驗研究結(jié)果表明，對處于順直河段中的鰻魚沙淺灘，實施穩(wěn)固江中心灘的整治措施，保持穩(wěn)定的水下分汊河型，尤其是第Ⅱ類和第Ⅲ類整治工程方案，使兩側(cè)深槽滿足深水航道尺度要求，同時也適應(yīng)兩岸經(jīng)濟和社會發(fā)展的需求，是一種順應(yīng)河道自然屬性、因勢利導(dǎo)的淺灘整治思路與途徑，值得借鑒。

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