東流水道維護(hù)疏浚方案分析

陶桂蘭，姚祎雯，吳騰，束梁，崔長(zhǎng)會(huì)

（1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京210098；2.長(zhǎng)江南京航道工程局，南京210011）

東流水道維護(hù)疏浚方案分析

陶桂蘭1，姚祎雯1，吳騰1，束梁2，崔長(zhǎng)會(huì)2

（1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京210098；2.長(zhǎng)江南京航道工程局，南京210011）

近年來(lái)，東港沖刷發(fā)展，枯水期分流比逐年增大，相應(yīng)西港分流比減少，西港航道航行條件惡化，對(duì)過(guò)往船舶的航行安全造成不利影響。為了分析東流西港航道的演變趨勢(shì)，確定合理的航道維護(hù)方案，確保東流水道的暢通，文章建立河道二維水沙數(shù)學(xué)模型，并采用實(shí)測(cè)資料進(jìn)行驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上分析了東流水道維護(hù)方案的效果。結(jié)果表明：當(dāng)西港航道進(jìn)行維護(hù)性疏浚時(shí)，西港航道的通航條件得到了改善，但維護(hù)性疏浚停止后，西港航道仍會(huì)發(fā)生明顯的淤積，影響西港枯水期的通航條件。建議盡早安排對(duì)東流水道東港航道進(jìn)口段淺點(diǎn)和礁石進(jìn)行定點(diǎn)清除，適時(shí)開(kāi)通東港航槽，以滿足長(zhǎng)江航道通航要求。

數(shù)學(xué)模型；西港航道；維護(hù)疏浚；東流水道

東流水道是長(zhǎng)江下游重點(diǎn)礙航淺灘水道之一，近年來(lái)，東港沖刷發(fā)展，枯水期分流比逐年增大，相應(yīng)西港分流比不斷減少，老虎灘左側(cè)主航槽淤淺，灘尾累積性淤積下延，擠壓西港，枯水航道尺度減小，嚴(yán)重威脅東流水道的暢通［1-2］。2013年8月，由于長(zhǎng)江中上游帶來(lái)大量泥沙，加之長(zhǎng)江水位快速下降和淺灘下移的劇烈變化，東流水道水位半個(gè)月內(nèi)下降近1.5 m，并呈現(xiàn)連續(xù)下降趨勢(shì)，西港航道航行條件惡化，對(duì)過(guò)往船舶的航行安全造成威脅，必須進(jìn)行疏浚清淤以改善航道條件［3］。為了解東流西港航道演變趨勢(shì)，研究合理的維護(hù)疏浚措施，確保東流水道的暢通，本文建立河道二維水沙運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型［4-5］，對(duì)東流水道的淤積趨勢(shì)進(jìn)行研究，并對(duì)航道的疏浚維護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化分析。

1 東流水道航道形勢(shì)

圖1東流水道河勢(shì)圖Fig.1River regime of Dongliu Waterway

長(zhǎng)江下游東流水道上起江西省華陽(yáng)河口，下迄安徽省吉陽(yáng)磯，全長(zhǎng)約31 km。該水道屬順直分汊河型，其進(jìn)出口段河寬較小，河道單一；中段自上而下老虎灘、天沙洲、玉帶洲、棉花洲等灘群并存，以玉帶洲連接棉花洲組成的大片低灘帶狀灘群形體最大，老虎灘灘體次之?？菟畷r(shí)河道分為四汊，從左到右依次為蓮花洲港、天玉串溝、西港、東港，東流水道河勢(shì)圖見(jiàn)圖1。一般情況下，蓮花洲港為汛期主汊，西港為枯季主汊，東港為支汊。隨上游來(lái)水來(lái)沙沖淤和運(yùn)移變化，各汊道出現(xiàn)往復(fù)興衰現(xiàn)象,使主航道位置隨之在西港和蓮花洲港之間不斷調(diào)整變化［6-8］。上游來(lái)水較大時(shí)，流向取直，在蓮花洲港進(jìn)口和西港進(jìn)口，往往會(huì)產(chǎn)生泥沙淤積。來(lái)水流量越大，含沙量越高，淤積的泥沙就越多；汛后水位降落，水流歸槽時(shí)發(fā)生沖刷，西港和蓮花洲港進(jìn)口均呈現(xiàn)“洪淤枯沖”和枯水航道不暢、過(guò)渡段航槽位置經(jīng)常變更的特征，導(dǎo)致東流水道水沙條件平面多變，汊道分流彼此消長(zhǎng)。

1.1東港航道條件

根據(jù)近年來(lái)的測(cè)圖分析，隨著老虎灘前沿低灘的沖刷后退，東港逐年沖刷發(fā)展，枯水分流比呈增大趨勢(shì)。至2010年11月、2013年1月東港枯水分流比分別達(dá)到40%和43%左右，與此同時(shí)，西港枯水分流比則逐年減小，分別為15%和9.7%左右。東港5 m、10 m深槽在不斷擴(kuò)大，除個(gè)別零星暗沙淺點(diǎn)外，2010年、2013年、2014年5 m水深等值線在深槽處均全線貫通，進(jìn)口水深等值線的寬度也在同步增加。

1.2老虎灘北槽航道條件

老虎灘北槽近幾年呈淤積趨勢(shì)，2010年汛后主槽平均淤積深度3.5 m，在1＃、2＃丁壩與老虎灘之間5 m水深等值線發(fā)生中斷。2010年5 m水深等值線中斷750 m，2013年與蓮花洲港深槽中斷約1 500 m，2014年5 m水深等值線老虎灘北槽與西港過(guò)渡段的連接完全中斷，通航條件十分不利。

1.3西港航道條件

西港位于老虎灘尾部和天沙洲之間，其走向與洪水流向的夾角相對(duì)較大，河床難以長(zhǎng)期穩(wěn)定。1998年、1999年長(zhǎng)江大水過(guò)后，西港一直處于發(fā)展階段，2003年～2006年5 m水深等值線槽寬度達(dá)到200～300 m，枯水期航道條件相對(duì)較好。但從2006年以后，因東港分流比的增大和老虎灘尾部的下移，西港枯水分流比逐年減少，航槽不斷出現(xiàn)淤積縮窄現(xiàn)象。2010年4月西港5 m水深等值線最小寬度減為130 m，4 m水深等值線寬度減小為230 m。汛期西港淤積更為嚴(yán)重，2010年8月西港5 m水深等值線斷開(kāi)，4 m水深等值線最小寬度進(jìn)一步縮窄至120 m左右，汛后退水期淺區(qū)沖刷，并實(shí)施了挖槽疏浚，但11月份水位下降至航行基面上3.2 m左右時(shí)，西港5 m水深等值線寬度僅50 m。2013年、2014年西港航道5 m水深等值線則完全斷開(kāi)。

東流水道5 m水深等值線的平面變化見(jiàn)圖2。

圖2東流水道5 m水深等值線比較圖Fig.2Comparison of water depth contour of 5 m in Dongliu Waterway

2 數(shù)學(xué)模型的建立與驗(yàn)證

2.1數(shù)學(xué)模型

（23）南溪苔 Makinoa crispata （Steph.）Miyake，Bot. 趙 文 浪 等 （2002）； 李 粉 霞 等 （2011）； 洪 文（2007，2008）；姚發(fā)興等（2003）；余夏君等（2018）

水流連續(xù)方程

ξ方向動(dòng)量方程

η方向動(dòng)量方程

式中：ξ、η分別為正交曲線坐標(biāo)系中2個(gè)正交曲線坐標(biāo)；u、v分別為沿ξ、η方向的流速；h為水深；H為水位；f為科氏系數(shù)；Cξ、Cη為正交曲線坐標(biāo)系中的拉梅系數(shù)；σξξ、σξη、σηξ、σηη為紊動(dòng)應(yīng)力。

對(duì)于非均勻懸移質(zhì)中的含沙量，二維懸移質(zhì)不平衡輸沙基本方程為

式中：S*L為第L組泥沙的挾沙能力；ωL為第L組泥沙的沉速；αL為第L組泥沙的含沙量恢復(fù)飽和系數(shù)。

二維推移質(zhì)不平衡輸移基本方程為

2.2驗(yàn)證條件

驗(yàn)證計(jì)算以長(zhǎng)江航道局2010年4月實(shí)測(cè)地形為起始計(jì)算地形，計(jì)算流量采用平灘流量，上游流量38 895 m3/s，下游水位10.99 m。

平面二維數(shù)模計(jì)算網(wǎng)格采用河勢(shì)貼體正交曲線網(wǎng)格形式，網(wǎng)格數(shù)為250×80，水流方向網(wǎng)格間距100～130 m，垂直水流方向網(wǎng)格間距10～30 m。計(jì)算河段內(nèi)的糙率由實(shí)測(cè)水文資料反求，并根據(jù)局部地形，按單元分塊調(diào)試。為了體現(xiàn)不同流量、邊界位置的變化，采用“切削”技術(shù)，即將露出單元的河床高程“切削”降至水面以下，并預(yù)留薄水層水深，同時(shí)更改其單元的糙率（n取10的量級(jí)），使得露出單元u、v計(jì)算值自動(dòng)為0，以保證數(shù)模計(jì)算的連續(xù)和正常進(jìn)行。

2.3水面線的驗(yàn)證

圖3和圖4分別為東流水道左側(cè)和右側(cè)沿程水位變化，可以看出計(jì)算值與實(shí)測(cè)值較為接近，其最大差值在10 cm內(nèi)，模型的阻力能反映原型的變化。

2.4斷面流速分布驗(yàn)證

圖5為不同計(jì)算河段內(nèi)典型斷面的垂線平均流速分布驗(yàn)證成果。由圖5可以看出，計(jì)算斷面流速分布與實(shí)測(cè)情況基本一致。

2.5河床變形驗(yàn)證

數(shù)模驗(yàn)證計(jì)算了2013年10月～2014年2月研究河段的沖淤分布，圖6為河床沖淤分布驗(yàn)證斷面位置，圖7分別給出了1#～4#典型斷面河底高程計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比較。由圖可見(jiàn)，本模型能較好地模擬河床沖淤變化。

圖3左側(cè)沿程水位變化Fig.3Water level changes along the left side of the waterway

圖4右側(cè)沿程水位變化Fig.4Water level changes along the right side of the waterway

3 疏浚方案比較分析

3.1計(jì)算工況

圖8為航道維護(hù)的3種布置方案，工況一：僅航道進(jìn)行維護(hù)疏浚；工況二：同時(shí)進(jìn)行航道維護(hù)疏浚以及航道右側(cè)開(kāi)槽，挖槽寬度約70 m，長(zhǎng)度約1 400 m；工況三：航道維護(hù)疏浚條件下，封堵天玉串溝，封堵天玉串溝丁壩高程為5 m。航道所需的維護(hù)水深如表1所示。

3.2計(jì)算條件

地形資料為：采用研究區(qū)域最新的地形資料，大范圍為2014年2月實(shí)測(cè)地形圖，東流水道西港采用2014年7月實(shí)測(cè)地形數(shù)據(jù)。數(shù)值計(jì)算采用的水文資料為：2013年8月～2014年5月的水位、流量、含沙量，以預(yù)測(cè)2014年8月～2015年5月的航道變化情況。

3.3計(jì)算結(jié)果

圖5斷面流速分布Fig.5Velocity distribution of typical section

圖6河床沖淤分布驗(yàn)證斷面位置圖Fig.6Location of sections for verifying the distribution of erosion and deposition

圖7沿程1#～4#斷面河底高程計(jì)算值和實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.7Comparison between calculated and measured value of riverbed elevation at 1#～4#section

圖8航道維護(hù)布置方案Fig.8Layout scheme of waterway maintenance

當(dāng)航道進(jìn)行維護(hù)性疏浚時(shí)，維護(hù)水深按照不同月份選取不同數(shù)值，本次計(jì)算采用2013年的實(shí)際維護(hù)水深（表1）。表2為西港航道各月維護(hù)性疏浚量，表2中工況一9月份、10月份的疏浚量最大，次年2月份～5月份航道基本不疏浚，總共10個(gè)月的預(yù)計(jì)疏浚量為73.40萬(wàn)m3。工況二在主航道旁側(cè)開(kāi)槽，攔截了部分泥沙直接進(jìn)入西港航道，整體維護(hù)疏浚量為65.39萬(wàn)m3，平均疏浚厚度為1.32 m，較工況一中單純的航道維護(hù)疏浚量減少8.01萬(wàn)m3，航道平均減淤厚度為0.16 m。由于老虎灘尾部和天沙洲頭部間的航道淤積較為嚴(yán)重，故工況三考慮修建整治建筑物，減少天玉串溝間的過(guò)流量，增大天沙洲右側(cè)的過(guò)流量。由工況三結(jié)果可知，丁壩修建后，西港主流位于天沙洲右側(cè)，對(duì)于老虎灘尾部和天沙洲頭部的淤積有較為明顯的改善，但對(duì)天沙洲上游航道淤積無(wú)明顯改善。該工況下，航道維護(hù)性疏浚量為68.79萬(wàn)m3，平均疏浚厚度為1.38 m。3種工況西港航道的維護(hù)疏浚量差別不大，工況二淤積量較少。圖9為預(yù)測(cè)至2015年5月份的不同工況下西港航道地形圖，由圖9可以看出，雖然西港航道每月均進(jìn)行維護(hù)性疏浚，但疏浚后西港航道仍產(chǎn)生較大的淤積，影響西港航道的通航。

表1東流水道維護(hù)實(shí)際水深Tab.1Maintenance actual depth of Dongliu Waterway

圖9不同計(jì)算工況下西港航道地形圖Fig.9Topographical map of Xigang channel under different calculated conditions

表2各工況維護(hù)疏浚量Tab.2Maintenance dredging quantity under different calculated conditions萬(wàn)m3

4 結(jié)論與建議

長(zhǎng)江東流西港航道進(jìn)行維護(hù)性疏浚時(shí)，西港航道的通航條件得到了改善，但維護(hù)性疏浚停止后，西港航道仍會(huì)發(fā)生明顯的淤積，影響西港枯水期的通航條件，尤其是在老虎灘的尾部與天沙洲之間，只有在東港分流比得到控制并有所減小的情況下，西港航道條件才可能有所好轉(zhuǎn)。而目前在安慶水位高于7.5 m的情況下，東港航道基本能夠保證航道維護(hù)水深7.0 m，航寬200 m，滿足洪水期雙向通航要求。只是由于進(jìn)口段疑似礁石淺點(diǎn)的存在，對(duì)枯水期航道尺度有較大影響，因此，建議在枯水期前，盡早安排對(duì)東港進(jìn)口段淺點(diǎn)和礁石進(jìn)行定點(diǎn)清除，適時(shí)開(kāi)通東港航槽，以滿足東流水道的暢通。

［1］丁晶.絞吸式挖泥船進(jìn)行東流水道航道維護(hù)疏浚方案研究與控制［J］.中國(guó)水運(yùn):下半月,2014,14（4）:275-276,295.

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Analysis of maintenance dredging scheme for Dongliu Waterway

TAO Gui?lan1，YAO Yi?wen1，WU Teng1，SHU Liang2，CUI Chang?hui2
（1.College of Harbor，Coastal and Offshore Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China；2.Changjiang Nanjing Waterway Engineering Bureau，Nanjing 210011，China）

In recent years,because of the continuous scour in Donggang channel,the water diversion ratio of the Donggang Channel in Dougliu Waterway in low?water seasons has increased year by year,and that of the Xigang Channel has decreased accordingly,so that the navigation conditions of Xigang channel have began to deteriorate, that have adverse effects on the navigation safety for passing ships.In order to analyze the evolution trend of the Xi?gang Channel,determine a reasonable maintenance scheme for the channel，keep Dongliu waterway clear,a two?di?mensional mathematics model of channel water and sediment was built,which has been validated by measured data. Based on the model,the effects of Dongliu Waterway maintenance scheme have been analyzed.The result show that:When the maintenance dredging proceeds in the Xigang Channel,the navigation conditions will be improved, but still deposit obviously after the maintenance dredging stopped,this will affect the navigation conditions of the Xigang Channel in low?water seasons.Therefore,it is suggested that the targeted elimination of shoal and rocks at the inlet section of the Donggang Channel in Dougliu Waterway should be arranged as soon as possible,and the Donggang lane should be opened timely to meet the requirements of navigation in Yangtze River navigation.

mathematical model;Xigang Channel;maintenance dredging;Dongliu Waterway

U617；O242.1

A

1005-8443（2015）04-0323-06

2014-12-12；

2015-05-08

陶桂蘭（1962-），女，江蘇省南通人，博士，副教授，主要從事港口航道工程研究。

Biography：TAO Gui?lan（1962-），female，associate professor.