五臺梁清礁工程整治效果分析

胡鵬飛，李梁喜

(1.長江重慶航運(yùn)工程勘察設(shè)計院，重慶 401147；2.云南省港航投資建設(shè)有限責(zé)任公司，云南 昆明 650051)

我國山區(qū)河流航道中，江中孤礁礙航問題較為普遍。如長江上游大、小爐子梁位于航槽正中間及規(guī)劃航寬150 m的船舶航行航線上，成為影響船舶安全航行的江心暗礁，過往船舶均不敢靠近，需對其避讓[1]；長江上游磚灶子孤礁將中、枯水河槽分為左右兩槽，致使航寬不足且兩槽流態(tài)惡劣，左槽河槽彎曲難以通航，右槽通航但存在航道窄、坡降陡、橫流強(qiáng)、泡漩洶等礙航問題[2]；嘉陵江石門大橋[3]、瀾滄江那官、小白塔、大漩水、一溜子[4]等灘段內(nèi)均存在江中孤礁礙航。該類灘險礙航特征主要表現(xiàn)為礁石處水淺、航寬不足，并伴有橫流、泡漩水等不良流態(tài)，船舶航經(jīng)此處極易發(fā)生觸礁、擱淺及翻沉等水上交通事故，嚴(yán)重威脅船舶航行安全，同時航道維護(hù)和海事監(jiān)管難度較大。許多學(xué)者對礙航孤礁整治問題進(jìn)行了研究，許光祥等運(yùn)用河工模型試驗(yàn)開展了斷頭孤礁險灘整治方法的試驗(yàn)研究，提出了炸礁結(jié)合潛魚嘴連接壩的整治措施；李文杰等[5]通過數(shù)學(xué)模型和概化試驗(yàn)等手段對孤礁淺水效應(yīng)進(jìn)行了研究，合理確定了炸礁水深；張秀芳等[6]通過試驗(yàn)和理論分析，找出了深沱孤礁地形泡漩水形成的原因和條件，分析了影響泡水強(qiáng)度的主要因素，并提出計算泡水高度的經(jīng)驗(yàn)公式。

五臺梁為一縱臥江心的礙航孤礁，本文根據(jù)工程河段航道、航運(yùn)現(xiàn)狀及規(guī)劃，分析確定了清礁設(shè)計參數(shù)和方案，并通過建立工程河段二維水流數(shù)學(xué)模型，模擬計算了清礁前后水位、比降、流速、流場分布等水文要素變化情況，進(jìn)而對整治方案效果及合理性進(jìn)行預(yù)測和分析。

1 工程概況

擬建太洪長江大橋是重慶南川至兩江新區(qū)高速公路跨越長江的控制性節(jié)點(diǎn)工程，推薦橋位位于五臺梁處。大橋主橋采用主跨808 m懸索橋，跨徑布置為10 m+4×40 m+808 m+2×120 m+7×30 m+12 m=1 440 m(由右岸至左岸)，設(shè)置通航孔1個、跨度808 m。

大橋所在五臺梁河段位于長江上游重慶至涪陵段，屬三峽水庫變動回水區(qū)。近年來，隨著重慶長江上游航運(yùn)中心的建設(shè)，工程河段水運(yùn)量日益增加，船舶大型化趨勢明顯，5 000噸級干散貨船、325 TEU以上集裝箱船、800車位商品汽車滾裝船已發(fā)展成為主力船型。為滿足航運(yùn)發(fā)展需求，改善現(xiàn)有航道尺度不足、消落期和汛期恢復(fù)至天然狀態(tài)時部分河段仍顯現(xiàn)出明顯礙航特性等不利局面；為確保航道安全暢通，工程所在朝天門至涪陵河段已批準(zhǔn)實(shí)施航道整治工程，按航道等級為Ⅰ級、航道尺度為4.5 m×150 m×1 000 m(水深×航寬×彎曲半徑)、通航保證率98%的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)，實(shí)現(xiàn)5 000噸級內(nèi)河船可全年直達(dá)重慶。根據(jù)航道條件核查，五臺梁處不滿足航道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，擬列為整治對象。同時，由于五臺梁礁石位于擬建大橋正下方，橋位與灘險間距不滿足GB 50139—2014《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于水上過河建筑物選址的要求，且根據(jù)《公路安全保護(hù)條例》中型以上公路橋梁周圍200 m范圍內(nèi)禁止爆破作業(yè)等危及公路橋梁安全的活動，大橋建成后將形成大橋保護(hù)區(qū)，保護(hù)區(qū)內(nèi)再實(shí)施清礁工程將受到嚴(yán)格限制、實(shí)施難度加大。因此，根據(jù)內(nèi)河和長江干線通航標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定，交通主管部門要求橋梁建設(shè)單位在建橋前按規(guī)劃航道標(biāo)準(zhǔn)先行清除該礁石，以改善本河段通航水流條件和通航環(huán)境、保障大橋施工期和建成運(yùn)行后船舶通航安全。

五臺梁河段河道順直、河面寬闊，左岸上游約510 m有支流太洪江匯入，其下岸線規(guī)則順直，五臺梁礁石縱臥江中偏左，其左側(cè)深槽為主航槽，右岸肖家店一側(cè)為砂卵石邊灘、寬闊低平。工程河段河勢見圖1。五臺梁為一道縱臥江中偏左的長條形孤礁，縱向長約175 m，橫向最寬處約40 m，其頂部最高點(diǎn)高程為164.55 m，低水位時出露部分高達(dá)10 m。三峽水庫175 m試驗(yàn)性蓄水后，蓄水期五臺梁河段受水庫蓄水影響，水位抬升，水深富余，流速平緩，航道條件較好，五臺梁淹沒于水下，對船舶通航影響較?。幌淦谒婚_始下降，礁石逐漸顯露，尤其在消落末期或汛初，水位降至最低，礁石完全出露阻挑水流；汛期，三峽水庫按145 m汛限水位控制運(yùn)行，此時河道基本不受壩前水位影響，表現(xiàn)為天然河道特征，礁石隨上游來流變化時隱時現(xiàn)，受其阻流影響，附近水流條件較差、流態(tài)紊亂，對順航道行駛的下行船舶安全航行構(gòu)成一定威脅。

圖1 五臺梁河段河勢(單位：m)

2 礙航特性

1)從航道尺度來看。五臺梁河段現(xiàn)狀航道技術(shù)等級為Ⅱ級，最小航道維護(hù)尺度為3.5 m×100 m×800 m，五臺梁左側(cè)為主航道水域，床面高程在137 m以上，槽內(nèi)水深富余。受三峽蓄水影響，蓄水期水流平緩，航道條件較好，主航道最小航寬約200 m；消落期河道水位下降，航寬逐漸減?。谎雌诤拥酪鸦静皇苄钏绊?、恢復(fù)至天然河流狀態(tài)，此時主航道最小航寬僅約149 m，位于五臺梁附近。然而，長江上游朝天門至涪陵河段在“十四五”期間計劃實(shí)施航道整治工程，航道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為4.5 m×150 m×1 000 m，同時，考慮遠(yuǎn)期航道進(jìn)一步擴(kuò)能提升需求，按《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅰ-(2)航道標(biāo)準(zhǔn)考慮，選用9×3 000噸級3排3列船隊、5 000噸級貨船作為代表船隊、船型，采用規(guī)定的航道寬度計算方法得到單線航寬為104 m、雙線航寬為208 m?？梢?，工程河段雖滿足現(xiàn)狀航道維護(hù)尺度要求，但受制于江中五臺梁礁石，航道拓寬受限，現(xiàn)狀航寬已不能滿足航道建設(shè)和發(fā)展的需求。

2)從通航水流條件來看。五臺梁河段屬于三峽水庫變動回水區(qū)，水庫狀態(tài)與天然河流狀態(tài)交替出現(xiàn)，當(dāng)水庫消落末期和汛期河道恢復(fù)到天然狀態(tài)時，五臺梁受上游來流量增減變化，或潛藏水下或露出水面，此時河道水流流速較大，水流被縱立江中的礁石所阻，迫使改向分由其兩側(cè)繞過，礁石上方水域產(chǎn)生較大橫流。數(shù)模計算顯示，礁石上方航道側(cè)最大橫向流速達(dá)0.28～0.53 m/s，可見，礁石頭部斜向挑流作用較明顯。礁石尾后兩股水流交匯處局部形成回流、夾堰、漩水等，水流流態(tài)紊亂。

3)從船舶通航來看。由于五臺梁縱臥于江心偏左側(cè)，緊鄰主航道，在消落末期和汛期，礁石的阻流作用影響局部通航水流條件，本河段下行船舶靠五臺梁一側(cè)循主流下行，至礁石水域橫流會推壓船舶產(chǎn)生回轉(zhuǎn)力矩，使船舶偏離正常航向，若對水勢流態(tài)估計不足、操作不當(dāng)，易發(fā)生偏向觸礁等事故，對船舶航行安全構(gòu)成一定威脅。此外，在擬建大橋施工階段，該水域船舶交通流增加，施工船、運(yùn)梁(料)船和交通船將在工程水域內(nèi)往來頻繁穿梭，而江中五臺梁礁石的突出阻礙勢必增加船舶操作難度、增大施工水域船舶安全通航風(fēng)險、惡化通航環(huán)境。

3 清礁方案

為充分發(fā)揮長江黃金水道優(yōu)勢，適應(yīng)三峽庫區(qū)航運(yùn)快速發(fā)展的需求，五臺梁清礁工程采用航道等級為Ⅰ級，5 000噸級貨船作為代表船舶，滿足朝天門至涪陵段航道整治4.5 m×150 m×1 000 m的航道尺度建設(shè)要求，并考慮遠(yuǎn)期航道進(jìn)一步擴(kuò)能提升、航道尺度增加、大橋建成后形成保護(hù)區(qū)難以再實(shí)施整治的影響，擬對五臺梁礁石實(shí)施一次性整體切除的治理方案。

根據(jù)三峽庫區(qū)175 m蓄水期設(shè)計最低通航水位計算成果[7]，經(jīng)復(fù)核分析五臺梁處設(shè)計最低通航水位取153.59 m。鑒于五臺梁為江中孤礁，且礁石水域?yàn)榇巴ê剿颍嬎闱褰杆顣r，富余水深應(yīng)主要考慮船舶淺水航行的下沉量、礁石引起的水位跌落值、船舶觸底安全富余量以及石質(zhì)河床富余水深增加值共4項(xiàng)因素。文獻(xiàn)[1]分析船舶航行下沉量4個半理論和經(jīng)驗(yàn)公式，得出：考慮到孤礁頂部水深較淺易導(dǎo)致船舶觸底、危害較大，建議計算5 000噸級船舶下沉量時按照孤礁上水深5.5 m考慮，取下沉量的平均值0.85 m；并通過概化水槽試驗(yàn)分析，礁石頂部水深對于水面跌落的影響較大，水深較淺時跌落值較大，隨著頂部水深的增加水位跌落值逐漸減小，當(dāng)水深超過5 m后，水位跌落值小于0.1 m，礁石引起的水位跌落值取0.1 m。根據(jù)長江干線船舶航行富余水深管理規(guī)定，李渡長江大橋以上船舶觸底安全富余水深不小于0.3 m，取0.3 m。石質(zhì)河床富余水深增加值按規(guī)范取0.2 m。綜上，設(shè)計采用5 000噸級貨船，吃水按4.3 m計，清礁水深計算值為5.75 m，同時為適應(yīng)船舶大型化發(fā)展需要、保障船舶航行安全，參照三峽水庫變動回水區(qū)類似江中孤礁整治經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮五臺梁清礁水深取6.0 m，相應(yīng)的清礁設(shè)計底高程為147.59 m。

由于五臺梁長度不大，設(shè)計底坡采用平坡，擬將整座礁石清除至設(shè)計底高，無邊坡。根據(jù)JTS 204—2008《水運(yùn)工程爆破技術(shù)規(guī)范》，礁石水下鉆孔爆破超深可取0.4 m，經(jīng)計算清礁工程量為4.35萬m3。

圖2 五臺梁清礁工程平面布置(單位：m)

圖3 五臺梁清礁工程典型斷面

4 工程實(shí)施后效果分析

為預(yù)測五臺梁礁石清除方案實(shí)施后的整治效果，建立平面二維水流數(shù)學(xué)模型[8-9]計算分析礁石清除方案實(shí)施前后通航水流條件變化，并對清礁方案合理性作出分析和評價。

三峽工程蓄水期，受水庫回水影響，工程河段河寬、水深、流速平緩，通航水流條件良好；而在消落期和汛期，河道逐漸恢復(fù)為天然狀態(tài)，本河段開始顯現(xiàn)礙航特征。因此，重點(diǎn)分析礙航時段內(nèi)枯、中、洪3種水位條件下河道水流條件變化情況，計算工況見表1，其中枯水選用最低通航水位時的來流工況。

表1 五臺梁清礁工程數(shù)學(xué)模型計算工況

4.1 水位和比降變化

受清礁影響，礁石區(qū)水位增減變化明顯，枯中水期礁石區(qū)已完全淹于水下，洪水工況水位較工程前總體有所增加，平均增幅約7.5 cm，而礁石區(qū)上游水位呈下降趨勢，各工況下最大降幅約8.5 cm，尾部下游局部水位略有增加，各工況下最大增幅約3.7 cm。表2為計算工況下礁石區(qū)左側(cè)航槽內(nèi)水位變化情況，清礁方案實(shí)施后，礁石區(qū)上游附近航槽內(nèi)水位均有不同程度下降，水位降幅在0.7～3.7 cm；而礁石區(qū)域及下游附近航槽內(nèi)水位有所增加，水位增幅在0.0～2.3 cm；距離工程區(qū)域越近水位變幅越明顯，且以中水流量時航槽內(nèi)水位變幅最大，最大水位變幅為-3.7～1.1 cm。圖4為各工況臨礁石區(qū)左側(cè)下行航線上沿程水面比降變化情況，清礁實(shí)施后附近航槽內(nèi)水面比降總體變化不大，以減緩趨勢為主，平均減幅為0.08‰。具體表現(xiàn)為清礁區(qū)及上游約250 m航槽內(nèi)水面比降有不同程度下降，最大降幅為0.23‰；而清礁區(qū)下游約200 m航槽內(nèi)水面比降略有增加，最大增幅為0.07‰?？偟膩砜矗こ虒?shí)施后受清礁影響礁石區(qū)局部水位變化較為明顯，而左側(cè)航槽內(nèi)水位變化相對較小，呈上減下增態(tài)勢；水位落差減小，水面比降總體呈減緩趨勢。

表2 工程實(shí)施后航槽內(nèi)水位變化

圖4 工程實(shí)施后下行航線沿程水面比降變化分布

4.2 流速和流態(tài)變化

從圖5清礁工程實(shí)施前后局部流速變化分布可以看出，受五臺梁礁石清除影響，礁石區(qū)附近河道流速有一定變化，表現(xiàn)為礁石上下游沿河道縱向的帶狀區(qū)域內(nèi)流速呈不同程度增加，而礁石左側(cè)主槽和右側(cè)邊灘水域流速基本呈微降態(tài)勢，河道流速增減變化以距礁石20～60 m為界，距礁石區(qū)越近流速變幅越明顯。從五臺梁處河道斷面流速分布的變化(圖6)也可以看出，清礁實(shí)施前后河道斷面流速分布總體較穩(wěn)定，礁石附近流速普遍有所增加，左右河槽內(nèi)斷面流速略有減小，最大降幅出現(xiàn)在中水工況，且隨著來流量增加，斷面流速變幅逐漸減小。表3為各工況河道分區(qū)流速變化值，清礁區(qū)流速變幅為-0.10～1.84 m/s，左側(cè)主槽流速變幅為-0.20～0.20 m/s，右側(cè)邊灘流速變幅為-0.26～0.20 m/s。綜上，清礁工程實(shí)施后，各工況下清礁區(qū)全面過流，局部水深和流速有所增大，過流能力增強(qiáng)，而左右兩側(cè)主槽和邊灘水域流速呈減緩態(tài)勢，流速總體變幅不大。

注：普通箭頭為清礁前流場，空心箭頭為清礁后流場。

圖6 工程實(shí)施前后斷面流速分布

表3 工程實(shí)施后流速變化

從清礁方案實(shí)施前后流場分布和流跡線比較來看(圖5、7)，方案實(shí)施前礁石區(qū)域繞流明顯，礁石頭部存在擠向兩側(cè)較大橫流，局部水流流態(tài)不好；清礁方案實(shí)施后，礁石區(qū)域水深和流速增加，水流流線趨于平順，流態(tài)明顯改善。

圖7 工程實(shí)施前后局部流跡線比較

5 整治方案合理性預(yù)測分析

在航道尺度方面，清礁工程實(shí)施后五臺梁處水深增加，滿足4.5 m水深的主槽寬度由現(xiàn)狀不足200 m拓寬至340～350 m，局部段4.5 m水深寬度基本在300 m以上，航道尺度達(dá)到且超過了近期朝涪段航道整治的目標(biāo)要求，并能滿足遠(yuǎn)期三峽庫區(qū)航道進(jìn)一步擴(kuò)能提升的需求。在通航水流條件方面，工程實(shí)施后，清礁區(qū)附近航槽內(nèi)水位落差減小，水面比降有所減緩，對船舶航行有利；各工況下礁石區(qū)淹沒于水下全面過流，可滿足船舶航行要求，主槽內(nèi)流速減幅不大，流速分布形態(tài)保持穩(wěn)定；流向上，礁石區(qū)局部繞流消失，水流流跡趨于平順規(guī)則，礁石頭部航道內(nèi)橫流明顯減小，統(tǒng)計顯示各工況航道側(cè)橫流均減至0.25 m/s以下，有效改善了五臺梁附近水流流態(tài)。在船舶通航方面，工程實(shí)施后，各水位期五臺梁水域水深和航寬均明顯增加，水流變得平順，原礁石區(qū)周圍的斜流、回流等不良流態(tài)消失，從而使工程河段有效航寬展寬、航路選擇余地增大、通航條件得以改善、船舶行駛更加安全。綜上，清礁方案整治效果較好，礙航問題得到有效解決，方案是合理的。

6 結(jié)語

1)五臺梁縱臥江心偏左約束航道，現(xiàn)狀航道尺度已不能滿足航道建設(shè)發(fā)展需求；在三峽水庫消落期和汛期河道恢復(fù)至天然狀態(tài)時，礁石出露或潛于水下，附近水流條件較差，影響船舶航行安全；且擬建太洪長江大橋橋位恰位于礁石處，建橋后實(shí)施航道提升將受到嚴(yán)格限制，故亟需開展五臺梁礁石清除工程。

2)根據(jù)航道規(guī)劃和航運(yùn)發(fā)展需求，擬定了對五臺梁實(shí)施整體切除的治理方案，并建立二維數(shù)學(xué)模型對整治效果進(jìn)行了預(yù)測分析。結(jié)果表明：清礁實(shí)施后，礁石區(qū)水深、流速增大，過流能力增加，附近橫流減小，航道側(cè)橫流減至0.25 m/s以下，水流趨向平順，流態(tài)明顯改善；工程段有效航道尺度提高，滿足4.5 m水深航道寬度基本在300 m以上，礁石附近航槽內(nèi)水面比降有所減緩，平均減幅為0.08‰，流速分布形態(tài)穩(wěn)定，流速變幅不大，在0.2 m/s以內(nèi)。

3)總的來看，按擬定的清礁方案實(shí)施，不僅有效解決了現(xiàn)狀礁石突出礙航問題，改善通航水流條件和通航環(huán)境，并能適應(yīng)未來航運(yùn)和航道發(fā)展需求，可取得較好整治效果。