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      長江口深水航道治理三期工程YH101工程實施效果評價

      2014-12-31 11:21:56鄭文燕程海峰趙德招顧峰峰
      浙江水利科技 2014年5期
      關鍵詞:落潮主槽丁壩

      劉 杰,鄭文燕,程海峰,趙德招,顧峰峰

      (1.上海河口海岸科學研究中心,上海 201201;2.交通運輸部長江口航道管理局,上海 200003)

      1 問題的提出

      長江口深水航道治理工程是我國最大的水運工程,分三期實施。2005年二期工程10.0m航道開通后,北槽航道回淤總量大幅增加且集中分布于中段,航道增深維護困難[1]。經(jīng)過近3a的研究,形成了包括延長丁壩、在南壩田新建擋沙堤和調(diào)整航道軸線在內(nèi)的長江口深水航道治理三期工程減淤措施[2],其中延長丁壩稱之為YH101工程。

      YH101工程是長江口深水航道治理三期工程最主要的減淤措施。該工程實施后的2010年3月,長江口12.5m深水航道開通并進入了試通航期。現(xiàn)場觀測表明,12.5m航道的回淤量依然較大。為此,少部分專家學者對YH101工程的 “減淤”效果存在疑惑,因此有必要對YH101工程的實施效果進行評價。

      本文主要在前期研究分析工作的基礎上[3],利用12.5m航道開通后近3a的現(xiàn)場觀測資料,并結合數(shù)學模型計算,進一步分析YH101工程實施后的水動力、地形沖淤和航道回淤等主要技術指標變化,綜合評判工程效果。對YH101工程實施效果的評價,有助于加深對長江口深水航道演變規(guī)律的認識,豐富河口海岸工程學的研究進展。

      2 工程概況

      2.1 YH101工程治理思路

      YH101工程是在長江口深水航道二期工程的基礎上,對北槽中上段的丁壩進行延長,其總體思路是,通過調(diào)整丁壩長度,縮窄北槽中段河寬,以顯著增強中段的落潮動力,并盡可能減小對上、下段動力的削弱;綜合考慮各處丁壩加長對北槽縱向和橫向流場動力分布的調(diào)整作用,使縱向動力的變化平緩,橫向動力的分布有利于改善河床斷面形態(tài),實現(xiàn)減淤的目的。

      2.2 工程實施過程

      在長江口深水航道治理二期工程的基礎上,YH101方案分別對北側的N1-N6丁壩、南側的S3-S7丁壩進行延長 (見圖1),累計延長4621.0m,工程自2008年下半年開工,主體工程于2009年4月完成。此前的2008年9月,已對北側的N4、N5和N6三條丁壩進行延長,累計加長673.0m。另外,2009年7—10月,實施了南導堤加高工程(南壩田擋沙堤)。

      圖1 YH101工程布置圖

      3 工程實施效果分析

      3.1 水動力變化

      根據(jù)現(xiàn)場觀測和數(shù)學模型計算可知,YH101工程實施后,北槽丁壩延長段對應的區(qū)段水動力有所增強。圖2a是工程前、后北槽中段落潮流速變化。由圖2a可知,與工程前的2008年相比,2009年YH101工程實施后,位于北槽中段的原重點回淤段 (H-N單元,長15.8km)落潮流速明顯增大?,F(xiàn)場觀測徑流、潮汐等水文邊界條件難以做到完全相同,因此,圖2a顯示出的流速增大只能定性代表工程的效果。為便于定量比較和精確評估工程對水動力的影響,在相同徑流、潮流水文邊界條件下,數(shù)學模型計算了YH101工程實施前后的流場變化 (見圖2b)。由圖2b可知,YH101工程實施后,YH101工程丁壩加長對應的區(qū)段落急流速均有所增大,主要區(qū)段位于上航道 (B-K單元),最大增幅達0.4m/s左右,位于G單元附近。

      圖2 YH101工程前后落急流速沿程變化圖

      3.2 地形沖淤調(diào)整

      YH101工程實施后,隨著北槽水動力的調(diào)整,河床發(fā)生相應的沖淤變化。圖3為YH101工程實施2a(2009年5月至2011年5月)后地形沖淤變化。由圖3可知,除S6、S7丁壩壩頭附近的南邊灘河床略有淤積外,YH101工程丁壩延長段所在的北槽主槽普遍發(fā)生沖刷,最大沖刷幅度在1.5~3.0m。對比現(xiàn)場實測與動床物理模型的預測結果 (見圖3b)可知,工程后 “主槽沖刷、壩田淤積”的整體沖淤態(tài)勢與模型預測基本一致,但主槽實際的沖淤幅度、沖刷范圍較模型預測的大。

      圖4為YH101工程延長丁壩對應的北槽主槽平均水深變化。由圖4可知,YH101工程實施前,航道南、北側主槽的平均水深分別約7.5,8.0m。YH101工程實施后的2009年5月至2010年8月,主槽河床持續(xù)沖刷。經(jīng)過1個水文年后,主槽的河床沖刷調(diào)整基本完成。此時,航道南、北側主槽的平均水深基本維持在8.0m和9.0m,較工程前平均沖刷0.5m和1.0m左右。

      圖3 YH101工程實施2a后地形沖淤變化圖

      圖4 YH101實施后北槽 (丁壩延長段)主槽平均水深變化圖

      3.3 航道回淤情況

      與YH101工程實施前的10.0m航道相比,YH101工程后的12.5m航道分別向上、向下進行了延伸,維護區(qū)段增加了南港段和口外段 (見表1)。與維護10.0m航道時期(2007—2008年)比較,12.5m深水航道新增的南港段和口外段,2010—2013年,常態(tài)平均回淤量分別為634萬,65萬m3,合計約699萬m3,年淤積厚度分別為1.4,0.1m。

      YH101工程實施后,與10.0m航道維護相同的區(qū)段內(nèi),圓圓沙段航道年回淤量增幅較大,從10.0m航道時期的288萬m3增至12.5m航道時期的1495萬m3,增1207萬m3,年淤積厚度由0.6m增至3.0m。

      與10.0m航道相比,YH101工程實施后北槽12.5m航道年回淤總量有所增大,從5153萬m3增至5533萬m3,增加380萬m3,年淤積厚度由2.8m增至3.0m (見表1)。盡管如此,由于航道水深維護水深增大了2.5m,12.5m航道的淤強水深比卻較10.0m航道有所減小,由10.0m航道時期的28.2%下降到24.2%。

      表1 YH101工程實施前 (10.0m航道)與實施后 (12.5m航道)常態(tài)回淤比較表

      從各航道單元回淤的沿程變化來看 (見圖5),YH101工程實施后12.5m航道較10.0m航道,C單元以上和K單元以下航道回淤量有明顯增大,但D—J單元回淤量有明顯減小。對比YH101工程的丁壩建設可知,實際回淤減小的區(qū)段對應的是S2—S5丁壩區(qū)段,即YH101工程延長丁壩的上游區(qū),這也與YH101工程實施后落急流速增幅較明顯的區(qū)段基本一致 (見圖2)。另外,從YH101工程延長丁壩對應的區(qū)段 (B—P單元)航道回淤來看,12.5m開通的近3a平均回淤量約5200萬m3,而相應區(qū)段維護10.0m航道時約5000萬m3。該區(qū)段航道水深增加2.5m,實際回淤量也僅增加約200萬m3。

      圖5 10.0,12.5m航道維護期回淤量沿程差異與YH101工程丁壩長度的關系圖

      4 工程實施效果評價

      4.1 工程對北槽落潮分流比的影響

      南北槽為長江口第三級分汊。在長江口深水航道治理一、二期工程實施過程中,隨著整治建筑物的實施,北槽總阻力增大 (包括壩田淤積引起北槽總容積的減小),北槽分流比曾有較大幅度的下降[4]。

      YH101工程的實施亦增加北槽的阻力。定床數(shù)學模型計算結果表明[4],工程實施后北槽落潮分流比下降1.96%(下斷面)。表2為YH101工程實施前后北槽落潮分流比變化表。以下斷面為例,YH101工程實施前2007—2008年北槽落潮分流比約43.50%,YH101工程完工時 (2009年4月)為40.70%,與工程前相比減少2.80%,較數(shù)學模型預測結果略偏大。YH101工程完工后,北槽主槽進入沖淤調(diào)整期 (見圖3、4)。隨著主槽河床的沖刷和12.5m航道的疏浚,北槽容積擴大,河床阻力減小,分流比開始增大。至2010年8月 (工程引起的主槽沖刷調(diào)整基本結束),分流比再次恢復到43.20%,與YH101工程實施前基本相當。隨后分流比基本穩(wěn)定在42.00%~43.00%。

      表2 YH101工程實施前后北槽落潮分流比變化圖

      4.2 工程效果綜合評價

      YH101工程實施后,北槽地形和水沙條件得到改善,在航道水深增加2.5m的情況下,丁壩延長對應的區(qū)段(B-P航道單元)回淤沒有明顯增大。與10.0m航道相比,北槽12.5m航道的淤強水深比有所下降。YH101工程為12.5m航道建設和維護創(chuàng)造了條件,工程實施效果明顯。YH101工程實施后,北槽水動力、地形變化總體上與前期研究成果預測的一致。由此看來,根據(jù)前期研究成果制定的 “通過調(diào)整部分丁壩長度、縮窄北槽中段河寬,以顯著增強中段的落潮動力和輸沙動力、減少航道回淤量并改善其分布”的工程治理思路是正確的。

      但具體各指標的定量比較表明,工程的實際效果與工程前期的數(shù)學模型、物理模型研究結果相比,仍存在一定的差異,值得進一步分析討論。

      (1)關于分流比變化。北槽汊道的分流比變化受制北槽的河道阻力和總容積的變化。根據(jù)長江口深水航道一、二期工程實踐經(jīng)驗,北槽實施整治建筑物尤其是丁壩建設后,北槽因阻力增加、容積減小,其分流比會有明顯的減小。但YH101工程實施后,北槽的分流比先減小,后基本恢復。其原因主要可能是長江口深水航道一、二期工程除增加了北槽的阻力外,還引起了北槽總容積較大幅度的減少[5]。而YH101工程完工后,實施了大規(guī)模的航道基建疏浚,擴大了北槽容積,起到 “挖槽引流”的作用,消減了丁壩阻力對北槽分流比的影響。據(jù)統(tǒng)計,2009—2010年因基建疏浚北槽容積擴大近5000萬m3。

      (2)關于地形沖淤變化。YH101工程實施后北槽主槽的沖刷幅度、沖刷范圍較原物理模型預測結果偏大,其原因:①可能是動床物理模型試驗無法模擬航道的基建疏浚,因此,丁壩增加的阻力難以通過基建疏浚、容積擴大來恢復,影響了北槽落潮分流比,弱化了主槽的動力;②物理模型研究工程沖刷問題時通常采用清水動床模型試驗,因此,壩田淤積幅度較實際偏小,由此可能導致主槽的沖刷亦偏小。因為實際情況下,為維持過水斷面的平衡,壩田的淤積則可能會促進主槽的沖刷。

      由此看來,YH101工程實施后1a的河床沖刷調(diào)整期,由于同步實施的大規(guī)模的航道基建疏浚,起到了 “引流”和擴大北槽容積的作用,減弱工程建設、阻力增大,對北槽分流分沙的負面影響。因此,北槽實際表現(xiàn)出的水動力變化、地形沖淤變化和航道減淤效果可能是二者共同作用的結果。

      5 結 語

      利用12.5m航道開通后的現(xiàn)場觀測資料,結合潮流數(shù)學模型的計算,對YH101工程的實施效果進行了分析評價,得到以下認識:

      (1)YH101工程實施后,北槽主槽水動力增強,河床沖刷,主要技術指標與工程前期預測基本一致。YH101工程為長江口12.5m深水航道開通和維護創(chuàng)造了條件,工程的治理思路是正確的,實施效果是明顯的。

      (2)YH101工程完工后,隨即對深水航道實施了大尺度的基建疏浚,擴大了主槽容積,減弱了工程建設對水流阻力增加的影響,YH101工程丁壩建設后北槽落潮分流比并沒有象一、二期工程那樣出現(xiàn)明顯的減小,YH101工程后引起的主槽河床沖刷調(diào)整幅度亦較模型預測大。大尺度的航槽疏浚,對YH101工程效果的發(fā)揮起到了積極作用。

      (3)總體來看,YH101工程后北槽回淤量依然較大,開展進一步的減淤措施研究是必要的。

      [1]談澤煒,范期錦,鄭文燕,等.長江口北槽航道回淤原因分析[J].水運工程,2009 (6):91-102.

      [2]中交上海航道勘察設計研究院有限公司,長江口深水航道治理三期工程減淤工程措施深化研究綜合分析報告 [R].上海:中交上海航道勘察設計研究院有限公司,2008.

      [3]劉杰,吳華林.長江口三期工程減淤工程 (YH101)實施效果綜合分析研究總報告 [R].上海:上海河口海岸科學研究中心,2011.

      [4]戚定滿,顧峰峰.長江口深水航道治理三期工程減淤工程措施深化研究潮流及泥沙數(shù)學模型計算報告 [R].上海:上海河口海岸科學研究中心,2008.

      [5]劉杰,陳吉余,徐志揚.長江口深水航道治理工程實施后南北槽分汊段河床演變 [J].水科學進展,2008,19 (5):605-612.

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