神背嘴灘整治方案與治理效果分析

解中柱

（長江重慶航運工程勘察設(shè)計院，重慶401147）

長江上游神背嘴灘地處四川省瀘縣彌沱鎮(zhèn)附近，下距重慶朝天門212 km，上離瀘州41 km，為枯水淺險灘，具有彎淺險的礙航特征，礙航機理復(fù)雜，是制約提高瀘州至重慶河段航道等級、航道通過能力的關(guān)鍵河段，歷史上曾對該灘進行過多次整治，整治以治理改善左槽為目的，但治理后效果難以維持。

1 灘險概況

長江上游神背嘴灘險距宜昌航道里程約871 km，呈約70°的回頭急彎（圖1）。灘段中枯水河槽寬約600 m，河心有長約1 200 m的窄長卵石磧壩將河道分為左右兩槽。左槽為彎曲汊道，進口彎窄，河底縱坡起伏大；中下段較為窄深，枯期水面寬度約150 m。本次治理前左槽仍為枯水航槽，航道維護尺度為1.8 m×40 m×220 m（航深×航寬×彎曲半徑，下同）。右槽較為順直，枯水期水面寬度約260 m。進口河底為9.5%陡急的倒坡，中下段河床縱斷面較平順，平均河底縱坡為1.35‰。設(shè)計最低通航水位時，右槽中上段航深僅1.7 m左右，入口處右側(cè)有青蛙石等礁石，設(shè)計最低通航水位2 m時右槽通航。在低水位時，左槽分流較大，而右槽分流較小，如2 899 m/s流量時，左槽分流比為71.3%，右槽分流比為28.7%。右岸為寬1 000～1 500 m的平坦開闊古河床階地，設(shè)計最低通航水位10 m以上時，水面寬增至1 500～2 000 m。中低水河岸有彌沱石壁，大、小罐口漏浩，九條龍、豬兒石、青蛙石等巖盤，以及大中壩卵石磧壩，岸線極不規(guī)則。

由于神背嘴灘河床地形與灘情較為復(fù)雜，1985年進行了整治方案的河工模型試驗。試驗分析結(jié)論：右槽下口急、上口仍易出淺，故確定整治左槽，在稱桿磧建磧頭壩1座，攔截沖向左岸的橫流，同時拓寬左汊航槽。整治后，疏浚區(qū)流速由1.5 m/s增至2.5 m/s，航寬70 m，航深3 m，但彎曲半徑僅增大至420 m，仍達不到設(shè)計要求，不過在左槽上口有一河床寬深、水流平穩(wěn)的緩流區(qū)，可供下行船舶調(diào)順船向，安全進入左槽，航行條件有較大改善。由于左槽灘脊為推移質(zhì)輸沙帶所處位置，浚深后的航槽淤淺，航線又逐漸上提，彎曲半徑減小，目前已基本恢復(fù)至整治前的狀況。

2 灘險演變及礙航原因分析

2.1 灘險演變分析

2.1.1 左槽的河床演變

圖1 神背嘴灘勢圖Fig.1 Sketch of Shenbeizui Shoal

神背嘴灘段河勢平面上呈約70°的急彎，左槽進口位于神背嘴突嘴下方，汛期上游泥沙進入彎曲河段后，受彎道環(huán)流的影響，推移質(zhì)大量進入左槽。左槽汛期分流比相對較小，進口比降小，流速與枯期相當(dāng)，水深較大，故推移質(zhì)易在該區(qū)域落淤。由于汛期神背嘴突嘴下方存在大范圍回流區(qū)，懸移質(zhì)也會在此落淤。2003年4月、7月、9月河床地形圖顯示，處于神背嘴下方回流區(qū)的左槽進口部位汛期淤積量大；汛期大部分推移質(zhì)泥沙沿神背嘴下方回流區(qū)外緣、經(jīng)秤桿磧磧腦進入左槽，左槽進口汛期落淤的泥沙在汛末未能全部往下游輸移而大量淤積；神背嘴下方回流區(qū)的淤積主要與懸移質(zhì)落淤有關(guān)，從而造成汛期左槽進口淤高。汛期進入左槽的推移質(zhì)沿秤桿磧左側(cè)向下游輸移，下段出口水深淺、比降、流速較大，下段呈現(xiàn)沖刷趨勢。

汛后上游來沙減少，左槽分流比增加，水流動力軸線挫彎，進入左槽的流線轉(zhuǎn)彎半徑減小，神背嘴突嘴附近回流區(qū)位置上提，回流區(qū)面積增大，進口比降、流速增大。由于汛后主流挫彎上提，主流帶位置不再位于進口左槽秤桿磧磧腦處，該區(qū)域沖刷不力而出淺；進入左槽的橫流沿回流區(qū)邊緣沖刷出彎淺航槽。汛后左槽內(nèi)上段淤積的泥沙被沖刷向下推移進入下段深槽，使下段產(chǎn)生泥沙淤積。

綜上所述，左槽呈現(xiàn)上段洪淤枯沖、下段洪沖枯淤的演變規(guī)律，年際間基本平衡。

2.1.2 右槽的河床演變

右槽汛期分流量大于左槽，但進入右槽的推移質(zhì)量較少，泥沙顆粒粒徑小，且航槽順直、汛期流速較大，推移質(zhì)不會在汛后大量落淤。隨著流量的降低，右槽分流量逐漸減小，流速降低，輸沙能力逐漸減弱，且從地質(zhì)鉆探資料知，河床質(zhì)中值粒徑達150 mm，并為中度密實，因此年內(nèi)汛期淤積的推移質(zhì)沖刷完畢后，河床也不能繼續(xù)下切，故右槽年內(nèi)沖淤變化幅度較小。1979年和2003年實測地形表明右槽汛期有少量淤積，汛后又有少量沖刷，但總的來說年內(nèi)沖淤變化不大。

2.2 礙航特性及原因分析

2005年整治前左槽仍為枯水航槽，左槽進口航道維護尺度為1.8 m×40 m×220 m，滿足不了該河段規(guī)劃設(shè)計的2.7 m×50 m×560 m尺度要求；加之進口橫流強、流態(tài)紊亂，滿足不了船舶安全航行要求。枯水期下水船舶必須繞神背嘴往左大轉(zhuǎn)彎進入左槽，隨即需向右轉(zhuǎn)沿秤桿磧翅下駛，若轉(zhuǎn)向操作不當(dāng)則容易在磧腦擱淺或左岸掃彎觸礁。

在設(shè)計最低通航水位上2 m時，對應(yīng)流量為4 500 m3/s左右，此時右岸小罐口開始少量泄流。右岸大罐口、九條龍階地高程約為設(shè)計最低通航水位上4 m，當(dāng)流量大于7 800 m3/s（多年平均流量）時，右岸大小罐口、九條龍上分流，水位漫過石梁，產(chǎn)生強烈的滑梁水，而水流受凹岸石梁的反擊下切，沿石梁邊緣形成深約40 m、寬約200 m的深槽，底流至江中上翻而形成巨泡，且神背嘴處有大面積回流。通航船舶左怕漩流，右怕滑梁跨浩，對航行造成威脅。隨水位升高，泡水加強與神背嘴下的回流連成一片，此時泡水與九條龍之間僅有一線水流，航行困難，操作不當(dāng)即有跨浩和觸礁的危險。

其礙航主要原因為［1-2］：神背嘴河段呈明顯的急彎河勢，受彎道環(huán)流的影響，汛期輸移質(zhì)輸沙帶主要位于秤桿磧左槽灘脊，而細顆粒的懸移質(zhì)則在神背嘴突嘴下游、左槽進口上游的大面積回流區(qū)、秤桿磧磧腦部位大量淤積。汛后左槽入口處流速較小，不能將淤積物全部帶走，僅沖出一條狹窄的航槽，水流又受磧頭擠壓形成橫流，使左槽進口變得彎淺而礙航。山區(qū)河流洪水水位陡漲陡落，對于洪水期流態(tài)紊亂的礙航特征，由于歷時較短，加之本灘的河床地形特點，治理難度大，不作為主要治理目標(biāo)。

3 整治方案的確定

從歷史治理效果和模型試驗方案來看，枯水期對左槽進行治理后，由于泥沙的落淤，經(jīng)過一段時間后左槽又變得彎、窄，不能滿足Ⅲ級航道的尺度要求。加之在左槽入口處易形成攔門沙，且有沖向左槽的橫流。從右槽入口河床的倒坡看，水流也有沖刷右槽的趨勢，只是河床質(zhì)為較緊密的較大卵石，可以推測右槽的淤填為罕見豐沙年形成，且多年未改變，難于沖刷。由此考慮開右槽的方案進行治理，借助物理模型定床及動床試驗確定如下措施［3-4］（圖2）：（1）沿右槽深泓線挖槽以增加航深。槽深為設(shè)計最低通航水位下3.5 m，寬80 m，長約1 300 m，挖槽邊坡為1：3；（2）在左槽筑壩增加右槽枯期分流量。在左槽修筑3道潛壩，頂高程為設(shè)計最低通航水位下4 m。同時對潛壩右側(cè)與稱桿磧?yōu)┘归g采取護灘措施，防止沖刷；（3）在右槽進口、中部修筑丁壩束水攻沙。原稱桿磧江心順壩是以左槽作為整治汊道而布置的，右槽青蛙石附近枯水河面相對較寬。動床試驗表明，右槽挖槽上中段淤積量相對較大，故在中上段布置3道短丁壩，束水攻沙。右槽進口流速較小，故布置4#勾頭丁壩，動床試驗表明丁壩勾頭能明顯減輕壩頭沖刷；（4）江心順壩加高至設(shè)計高程，凹岸小罐口建堵壩阻擋小罐口分流。

圖2 右槽整治方案平面圖Fig.2 Plan layout of the right channel regulation scheme

4 整治效果分析

4.1 左右汊分流比變化

方案實施后測流斷面取在河床相對順直的稱桿磧近磧頭處，測時水位為215.377 m，比設(shè)計最低通航水位（213.77 m）高出1.607 m，測得左汊流量為2 085 m3/s，占總流量的51%；右汊流量為2 025 m3/s，占總流量的49%。與整治前及模型試驗研究的比較結(jié)果見表1。

表1 分流比變化Tab.1 Variation of diversion ratio

由表1可以看出，方案實施后，右汊流量明顯增加，增加的幅度大于物理模型試驗研究數(shù)據(jù)，一方面因為實測流量小于試驗流量，另一方面與右槽實際水深大于3.5 m（施工有超挖0.4 m）有關(guān)，這樣更利于對右槽在洪水期落淤泥砂的沖刷。

4.2 沖淤變化分析

（1）2006年5月疏浚后交工測圖與2006年8月汛后測圖分析比較。

疏浚以后汛期前2006年5月16日測圖和汛后2006年8月31日測圖分析表明，挖槽進口段有所淤積，從0+000～0+360斷面總體呈淤積趨勢，其中0+140斷面淤積較明顯，淤積0.4 m，而0+300斷面有所沖刷，沖深約0.3 m，航槽中心線的水深均大于3.5 m；0+440斷面之下，總體呈現(xiàn)沖刷現(xiàn)象，其中0+880沖深約0.5 m。0+120、0+300及0+360斷面挖槽右側(cè)有所淤積，淤積寬度約15 m，但在2.9 m水深條件下能保證70 m寬度［5］。

動床輸沙試驗表明，右槽疏浚后在1974年的水沙條件下進口將淤積0.46 m，而在連續(xù)實驗1980年、1974年、1980年這3個水沙年組合后，右汊挖槽沖淤基本平衡，右槽上段最大淤積0.34 m，挖槽中下段河床有所沖刷。該次測圖與模型試驗結(jié)果基本一致。

圖3 右槽中心線河床縱斷面圖Fig.3 Longitudinal centerline of the right channel bed

（2）2008年1月測圖分析。

在2006年8月測圖經(jīng)過了1個水文年之后，于2008年1月枯水期再次進行了本河段的地形觀測。測圖分析發(fā)現(xiàn)，新開航槽穩(wěn)定良好，航槽中心線的最小水深達3.8 m（位于0+120和1+140斷面），與2006年2次測圖比較，0+440斷面之上，河床地面線低于前2次測圖，有約0.2 m的沖深，該斷面之下，河床地面線高于2006年8月測圖而低于2006年5月測圖，即基本介于2006年汛前測圖和汛后測圖之間。分析認為，該圖是在汛后2008年1月所測，河床已經(jīng)歷了較長時間的沖刷，上深槽已較少有卵石輸移到新開航槽，而新開航槽段的上段則被沖刷移至下段，導(dǎo)致下段較汛后有所淤高。從新開航槽縱斷面分析（圖3），航槽左側(cè)在開挖基線內(nèi)0+780和0+860斷面有最淺3.3 m的水深點，航槽右側(cè)在開挖基線內(nèi)0+180斷面有最淺2.9 m的水深點，但滿足2.9 m水深的區(qū)域?qū)挾染笥?0 m。

以上分析表明，航槽穩(wěn)定良好，達到預(yù)期目標(biāo)。

4.3 水流條件變化分析

由2003年4月測圖（測時水位為設(shè)計最低通航水位上0.8 m）看，工程實施前，右槽表面最大流速為2.65 m/s，位于右岸青蛙石對出的江中；右槽尾部的流速在1.9 m/s左右。左槽最大流速2.9 m/s，位于稱桿磧中部位置。

新開航槽后，航槽內(nèi)水流流態(tài)較好，從2008年1月測圖（測時水位為設(shè)計水位上1.7 m）看，右槽表面最大流速3.27 m/s，位于右岸青蛙石對出的江中；疏浚區(qū)尾部的流速在2.5 m/s左右，比降在0.5‰左右；平均流速2.12 m/s左右，既保證航槽的沖刷力度，又滿足船舶航行要求。模型試驗研究結(jié)果為在青蛙石附近的航槽中（Q＝4 500 m3/s）最大流速為3.01 m/s，疏浚區(qū)尾部流速在2.7 m/s左右，總體上接近［5］。

從實船適航看，2008年3月31日（Q=4 110 m/s）千t級船舶渝申2502順利過灘，其主機功率2×300 kW、實際載量1 200 t，上行最小航速3 km/h，最大航速11 km/h；滿足設(shè)計船型正常航行的要求［6］。

5 結(jié)語

在總結(jié)歷史治理經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，借助模型試驗手段，確定了神背嘴灘新開右槽、建整治建筑物調(diào)整分流比和束水攻沙等整治措施，切實改善了枯水彎、淺、險的礙航問題，且有力保證了航槽的穩(wěn)定，整治方案合理有效，為改善瀘州至重慶河段航行條件，提高貨運通過能力提供了有力支持。

［1］謝遠華，趙志舟，周華君.長江上游城背嘴灘險成因分析［J］.水道港口，2005，26（1）：26-29.XIE Y H，ZHAO Z Z，ZHOU H J.Genetic Analysis of Chengbeizui Rapids in the Upper Reach of the Yangtze River［J］.Journal of Waterway and Harbor，2005，26（1）：26-29.

［2］趙志舟，周華君.長江城背嘴灘險成因分析與整治技術(shù)［J］.水利水運工程學(xué)報，2008（3）：58-63.ZHAO Z Z，ZHOU H J.Regulation Measures and Effect Analysis for the Chengbeizui Shoal in Yangtze River［J］.Hydro-science and Engineering，2008（3）：58-63.

［3］周華君，趙志舟，鄧桂香，等.長江上游神背嘴灘險航道整治工程河工模型試驗研究［R］.重慶：重慶交通學(xué)院，2003.

［4］蔡汝哲，蔡創(chuàng)，李曉飚，等.長江斗笠子、神背嘴河段灘險整治船模通航試驗研究報告［R］.重慶：重慶西南水運工程科學(xué)研究所，2003.

［5］長江重慶航運工程勘察設(shè)計院.長江上游瀘州納溪至重慶婁溪溝航道建設(shè)工程航道整治效果觀測分析報告［R］.重慶：長江重慶航運工程勘察設(shè)計院，2008.

［6］實船試驗工作組.長江干線瀘州納溪至重慶婁溪溝航道建設(shè)工程實船適航試驗報告［R］.重慶：長江航道局，2008.