長江宜賓至重慶段航道治理關鍵技術研究報告簡本

1、長江宜賓至重慶段航道治理關鍵技術研究報告簡本1概述1.1 研究的總體目標(1)針對敘渝段航道的典型卵石灘險，本項目的研究成果將提出較好的工程治理方案，從而解決依托工程中復雜卵石灘險的治理問題，達到預定的整治目標，為敘渝段384km的m級航道全線貫通創(chuàng)造條件。(2)提高依托工程設計質量，增強依托工程整治效果，并通過本項目的研究，制定敘渝段航道在整治后長期保持整治效果的措施，從而降低工程維護成本20犯上。(3)加快敘渝段航道進一步開發(fā)利用的進度，縮短前期工作周期30流右。(4)總結敘渝段復雜卵石灘險的卵石運動規(guī)律、河床演變趨勢、礙航成因、整治原則、整治方法等，對以前的研究成果進行較好的補充，山區(qū)河

2、流同類灘險整治提供良好的技術參考。(5)為卵石河床演變與整治理論發(fā)展提供新經驗，推動科研成果轉化為現實生產力，推動航道治理技術創(chuàng)新和技術進步，創(chuàng)造良好的社會效益。(6)本項目的研究成果總體上達到國內領先水平，關鍵技術部分達到國際先進水平。1.2 研究的主要內容本項目主要通過調研分析、數學模型計算、物理模型試驗、船模試驗和實船試驗等手段，在上游金沙江建庫的條件下，研究長江宜賓至重慶段復雜卵石淺險灘、枯水卵石急灘的卵石運動規(guī)律，提出技術可行、經濟合理的治理方案。1.2.1 專題一研究的主要內容專題一以銅鼓灘為典型灘險，通過數學模型和物理模型相結合的方法研究敘渝段卵石淺險灘整治技術。銅鼓灘是長江敘渝

3、段主要淺險灘之一，也是依托工程一一敘瀘段航道建設工程的重點整治灘險之一。銅鼓灘處于兩反向河彎間的過渡段，上淺下險,航道彎曲狹窄，1993年曾通過疏浚和炸礁拓寬加深了枯水航槽，但近年來上口的銅鼓子淺區(qū)淤積嚴重，水深不足而礙航。1.2.2 專題二研究的主要內容專題二以斗笠子灘為典型灘險，通過物理模型試驗、船模研究相結合的方法研究敘渝段卵石急灘整治技術。斗笠子灘是長江敘渝段著名枯水急灘，也是依托工程一一瀘渝段航道建設工程的重點整治灘險之一。斗笠子在歷史上雖然進行過多次整治，但效果均不理想，往往整治后2至3年灘勢重新惡化，本專題在已有研究成果基礎上，結合工程實施情況和整治效果進一步歸納和總結斗笠子灘的

4、整治思路、整治原則、整治方法等關鍵技術。1.2.3 專題三研究的主要內容本專題的主要研究內容如下：金沙江建庫對敘渝段航道水流、泥沙運動的影響研究，金沙江建庫對敘渝段航道的總體影響研究，金沙江對敘渝段典型灘險的航道條件影響研究。2長江敘渝段典型卵石淺險灘的整治技術研究卵石淺險灘是長江敘渝段的主要礙航灘險。銅鼓灘、神背嘴、風簸磺等卵石淺險灘均為枯水期重點礙航淺險灘，水沙運動條件復雜、航道尺度不足、航行水流條件較差。各灘險在19871996年間進行過整治，但由于各種原因，沒有達到良好的整治效果。為此，進一步總結川江卵石淺險灘的航道整治經驗，研究卵石淺險灘的河床演變規(guī)律和整治技術，為項目依托工程一一銅

5、鼓灘的航道治理提供技術支撐和科學依據具有重要的意義。2.1 山區(qū)急彎放寬河段的水力特性試驗研究山區(qū)河流急彎放寬河段大多形成分漢河型，具礙航特征表現為彎、淺、險，是山區(qū)河流整治中最為復雜的河型之一，其成灘機理復雜，整治難度較大。要徹底整治好這類灘險，必須深入研究礙航灘險的水流運動特性、卵石運動規(guī)律、河型變化和形成機理、河床演變趨勢，才能制定出經濟合理的整治方案。因此，采用概化的物理模型對這類急彎放寬河段的水力特性進行專門試驗研究是十分必要的。通過對試驗結果的分析，得出山區(qū)急彎放寬河段的水力特性如下：2.1.1 彎道水面的橫比降(1)橫比降最大值出現的位置一般在河道是等寬的時候，即放寬率=1時，橫

6、比降由彎道進口沿程逐漸增大，到達彎頂附近，橫比降達到最大值，再向下游又逐漸減小。當較大時，最大橫比降的位置一般出現在彎道進口至彎頂段，也就是說當下游河道放寬后，會使橫比降的最大值的位置向彎道上段移動。橫比降的最大值出現的位置還隨著水流強度的變化而有所不同，在同一個彎道中，當弗汝德數Fr較大的時候，橫比降的最大值出現在彎道中間稍向上偏的位置，但是當Fr減小到很小時，其最大值出現的位置會在彎道的進口。2.1.2 彎道水面的縱比降水面的縱比降和流速是工程應用中最關心的兩個水力要素，對于山區(qū)通航河流來說，一般都會規(guī)定航道內流速和局部縱向比降不能過大。由于水面橫比降的影響，水面縱比降沿橫向的分布是不均勻

7、的，同一斷面上，凸岸和凹岸之間的縱比降差別很大，方向也往往是不同的；縱比降沿縱向的分布往往也是正負相間的，最大比降出現的位置，是與橫向環(huán)流的充分發(fā)展、使最大流速區(qū)由凸岸移向凹岸，從而產生的局部加速區(qū)有關。凸岸縱比降的最大值Jtumax在Fr較大時，均出現在彎道進口段，當Fr減小的時候,Jtumax會向下游轉移，出現在彎頂段。而凹岸縱比降的最大值Jaomax,一般都出現在彎道出口段，但是當彎道進口附近水流慣性很大，彎道中心半徑也很大時，彎道出流順暢，在凹岸沿程都沒有負比降的發(fā)生，這種情況下Jao.就有可能出現在彎道進口處。2.1.3 水流的分離區(qū)當水流沿彎曲的管道或明渠流動時，有時水流會脫離固體

8、邊界，在主流和固體邊界之間形成漩渦，這個區(qū)域稱為水流分離區(qū)。2.1.4 推移質的淤積帶推移質的淤積和水流在橫斷面上的流速分布關系很大，流速如果大于起動流速，推移質會繼續(xù)運動而不會落淤，如果某區(qū)域流速過小，推移質也無法進入到該區(qū)域，則該區(qū)域也就沒有推移質的淤積。外形上，淤積區(qū)的外邊界的線形和回流區(qū)的邊界形狀在彎道段很相似，基本接近彎道的外形。出了彎道以后，回流區(qū)的邊界會向內收縮，而淤積區(qū)的外邊界會向外擴散?？偟膩碚f，淤積區(qū)至內岸的最大距離的變化規(guī)律基本上和回流區(qū)的寬度變化是一致的，都是隨著Rc/B的減小而增大的。推移質在淤積的過程中，其顆粒的大小在橫向的分布，從河心到凸岸呈現出由大到小的分布規(guī)律

9、。2.2 銅鼓灘治理措施研究表2-1左、右槽整治方案技術、經濟比較表式驗方案工程內容整治效果工程量（口）綜合評價利修改7力殺疏浚航槽3.5mX80m。筑3#江心順壩，長600m,壩高設計水位上2m,壩頭段長120m為緩變坡3%2.5%,壩頭嵌入河床。筑齒壩：4#、5#、6#齒壩分另1J長55m46m40m,壩高設計水位上2m壩頭坡1:5。1、上、下深槽平順銜接，航槽規(guī)順，水流平穩(wěn)，流速、比降滿足航行要求，挖槽穩(wěn)定，航道條件根本改善。2、挖槽設計合理，斷面系數大于9，航行阻力較小，符合規(guī)范要求。3、上游水位將降低0.01m,整治工程對相鄰淺灘影響甚微。4、整治效果良好，適應航運發(fā)展要求。5、工程

10、量及投資較右槽方案大O削：211200筑壩：37080整治效果良好，航道條件根本改善建議作為該灘的整治方案，供設計二今臼O修改2力殺疏浚銅鼓子淺區(qū)和磺翅邊緣，疏浚底高程為設計水位下3.2m。董磺壩尾筑丁壩群：右槽1#、2#、3#丁壩分別長128m66m40m,壩高設計水位上2s下深槽筑4#丁潛壩，丁壩長33m,壩高設計水位上2m潛壩長55m壩頂水深設計水位下6s1、右槽進口銅鼓子淺區(qū)挖槽穩(wěn)定，該灘“上淺”問題基本解決，但中、下段磺翅邊緣疏浚區(qū)仍有泥沙回淤，該灘“中彎、下險”狀況改善有限。2、受河勢、灘情限制，該方案難于根本改善該灘的航道條件，對航運發(fā)展要求的適應性較差。3、相對于左槽方某而百，

11、具有工程量及投資較小的優(yōu)勢。削：63200筑壩：23400工程量較小但整治效果不及左槽方案，可作為該灘整治工程設計的比選方某。2.3 卵石淺險灘整治技術總結2.3.1 整治原則（1）根據彎曲分漢卵石淺灘的灘勢（淺、險）及礙航性質，分清主次抓住病根,有針對性地按制定整治措施;(2)長江敘渝段彎曲漢道淺灘枯水航槽彎淺、通航水流條件較差，在航行條件難以徹底改善時，可開辟順直磺槽通航；(3)新開順直磺槽宜采取窄深型航槽疏浚與筑壩相結合的枯水整治方法，以維護挖槽穩(wěn)定。2.3.2 通航整治漢道的選擇卵石淺灘彎曲漢道在整治前的枯水航槽，存在淺、彎、險等問題；磺槽較為順直、枯水寬淺，年內沖淤變化不大。(1)受

12、河勢條件的制約，彎曲漢道的航道彎曲半徑較小，流態(tài)紊亂，通過整治航道條件有所改善，但航道尺度難以顯著提高；彎曲漢道淺區(qū)疏浚后挖槽穩(wěn)定性較差，整治后又逐漸回淤而出淺。(2)磺槽枯水寬淺，航深不滿足要求，但較為順直，與上下游主槽平順銜接，河床組成相對較粗，年內沖淤變化不大。整治的主要目的是研究新開航槽的穩(wěn)定性，優(yōu)化工程整治措施。(3)充分論證各漢道整治方案的優(yōu)缺點，選擇適宜的通航漢道。彎曲漢道彎淺、通航水流條件較差，在難以徹底改善航行條件下，考慮航運發(fā)展要求，在進行充分論證的基礎上，宜開辟磺槽通航，形成連接上、下深槽的平順航道。2.3.3 新開順直磺槽的整治技術(1)采取基建性疏浚與整治建筑物相結合

13、的整治方法沙卵石河床宜以修筑整治建筑物與疏浚相結合的方法?；遣圯^為順直，與上下游河槽平順銜接，但枯水寬淺，航深不滿足要求，且河床組成相對較粗，僅通過增大流速難以實現增大航深的目的，故需進行基建性挖槽，開辟新的航槽。同時，應利用整治建筑物調整水流結構，增強河段的輸沙能力，將多余的泥沙輸送出去或改變泥沙的輸移方向(如變縱向為橫向運動)，右其淤至航道以外，或使泥沙淤積到深槽中，以獲得穩(wěn)定航道。(2)以枯水整治為主卵石淺灘段雖然在中洪水流量下往往還存在急、險等礙航現象，但主要礙航成因是淺，整治時應以枯水整治為主。采用丁壩、順壩束水導流整治，在洪水降落的最后階段，提高沖刷能力，達到最低通航水位時的保證航

14、深。整治建筑物高程在設計水位上1.82.5m。(3)采取工程措施增加順直磺槽分流比，以增強順直磺槽的輸沙能力修建洲頭順壩可以調整左右兩槽分流比，增加挖槽穩(wěn)定性。修建洲頭順壩可以增加磺槽流量，但應考慮對推移質運動、壩體穩(wěn)定性的影響?？稍趶澢鷿h道內修建整治建筑物以增加直槽流量。(4)磺槽內筑壩束水攻沙以維護挖槽穩(wěn)定2.3.4 新開航槽設計(1)挖槽平面布置挖槽定線的基本原則：挖槽的方向與主流方向一致，并位于主流線上，與主流向交角不應超過15。挖槽在平面上常設計成直線，挖槽不可避免出現折線時，其轉彎半徑應滿足要求，并適當加寬。挖槽應選擇最短線路。(2)挖槽橫斷面設計挖槽斷面設計的內容包括挖槽寬度和深

15、度。在滿足航道尺度的條件下，挖槽概化模型水流條件試驗研究表明，在挖槽斷面面積一定時，在B/H=17.8時，近底縱向底流速、摩阻流速逐漸最大，輸沙強度值最大。因此，窄深型挖槽斷面挖槽穩(wěn)定性優(yōu)于寬淺型，為了增加汛后沖刷，在整治流量時在B/H=21.5時即可實現較為明顯的效果。2.3.5 挖槽穩(wěn)定性要求(1)挖槽穩(wěn)定性的一般要求挖槽的主要問題是汛后推移質回淤問題。為滿足挖槽穩(wěn)定，應使挖槽內的流速大于開挖前挖槽區(qū)的流速；應使挖槽河段開挖后的斷面平均流速不小于挖槽上游段的斷面平均流速；應使挖槽內的流速沿程相等或有所增加。(2)彎曲分漢新開磺槽挖槽內流速控制指標在滿足挖槽穩(wěn)定性的一般要求的同時，挖槽后的流

16、速應達到一個多大的數值，是在進行模型試驗增加挖槽流量、束窄河床增大流速時的控制條件。為滿足挖槽穩(wěn)定，一般要求整治流量時挖槽內流速約為卵石的起動流速的1.11.3倍。3長江敘渝段典型卵石急灘的整治技術研究3.1 卵石邊坡沖刷穩(wěn)定試驗通過邊灘沖刷穩(wěn)定性水槽試驗，主要研究卵礫石邊坡的沖刷過程及機理；邊灘坡腳卵石的起動；卵石邊灘沖刷穩(wěn)定時的平面形態(tài)及水流特性；局部壓縮水流時，邊灘沖刷情況以及水流條件的變化。研究表明：卵石邊灘的起動和沖刷與坡腳處的流速和水深有關；在卵石邊灘沖刷穩(wěn)定時，卵石邊灘的岸線基本與固定邊界的岸線平行，且水流的比降比較均勻，流態(tài)較好；局部壓縮水流時，灘口處比降變化較大，固定邊界壓縮

17、寬度大于卵石邊灘沖刷穩(wěn)定時后退的寬度。3.2 標準船型自航上灘水流指標研究根據交通部最新發(fā)布的川江船型標準，結合敘渝段典型卵石急灘一一斗笠子灘實際情況，采用川江急灘水流指標理論計算和概化水槽船模試驗等方法，研究敘渝段卵石急灘段的水流流速、比降對船舶的阻力以及代表船的型動力情況，提出瀘渝段卵石急灘的水力指標。敘渝段為田級航道標準，標準船隊為881kW隹輪頂2艘500t或1艘1000t駁組成的1000t級船隊，其卵石急灘自航上灘水流指標如下表：表3-1急灘自航上灘水流指標流速（o）1.002.03.0比降(m/s)3.93.53.1表3-2斗笠子灘整治方案一纜表試驗方案工程內容工程量整治效果綜合評

18、價力某一（廟角磺疏浚十支漢疏浚）1 .廟角磺疏浚：A(581480.68,3206884.78)、B(581780.72,3207015.73)、0(582147.76,3207063.34)、(582253.78,3207106.03)2 .支漢疏浚：A(581305.20,3206529.72)、B(81802.22,3206510.03)、0(581351.58,3206622.98)、D(581806.41,3206580.18)(挖槽深度設計水位下2m)。挖槽：78500m3有利于改善斗笠子灘的航行水流條件，但廟角磺挖槽區(qū)易于回淤，并且支漢疏浚區(qū)域也易于回淤。整治效果較好，但挖槽區(qū)易

19、于回淤力某一（廟角磺疏浚十丁壩分沙）1 .廟角磺疏浚同方案一；2 .丁壩分沙：A(581344.84,3206809.84)、B(581484.29,3206889.80)、0(581509.65,3206848.14)壩頂高程199.5m。挖槽：40500m丁壩：4800m未達到分沙效果，廟角磺的回淤未得到根本性的改善。基本不口Z-、.仃力殺力殺二（移順壩+灘口炸礁+灘口下游180m處炸礁）1 .壩1/3旋轉7,壩頭左移25mo移壩后河床高程為設計水位下4m水深。筑壩長度200m,壩頂寬度為3m兩側放坡1:1.52 .在灘口處炸礁，炸礁高程為設計水位下5nl3 .以灘口卜游180為中心炸礁，

20、炸礁高程為設計水位下4mo拆壩：18000m3筑壩：18000m3炸礁：15870m3改善斗笠子灘的水流條件較好，從船模試驗和水流最不利比降、流速組合來看，船舶自航上灘能力一般。在廟角磺磺翅和磺尾附近有少量的泥沙淤積。工程量最小。效果一般試驗方案工程內容工程量整治效果綜合評價方案四（移順壩十灘口炸礁+灘口下游180m處炸礁十島尾壩）在方案三的基礎上，再在廟角磺尾新建一條島尾壩：壩高程198.5m（平坡），筑壩長度100m,頂寬度為3m兩側放坡1:1.5拆壩：18000m3筑壩：25200m炸礁：15870m3改善斗笠子灘的水流條件好，從船模試驗和水流最不利比降流速組合來看，船舶自航上灘能力較好

21、。在廟角磺磺翅和磺尾附近仍有少量的泥沙淤積?？勺鳛橥扑]方案力殺五（移順壩十灘口炸礁+灘口下游180m處炸礁十島尾壩十分沙壩）在方家四的基礎上，再在廟角磺磺首新建兩條分沙壩：壩頂高程200.0m（平坡），壩頂寬度3m兩側1:1.5放坡。A條壩長度165m,第二條壩長度150nl拆壩：18000m3筑壩：29400m炸礁：15870m3枯水期沖刷廟角磺磺翅處沖刷泥沙能力與方案四相差不大。你身分沙壩后，只是改變廟角磺磺翅局部的淤積量，工程河段泥沙洪水期主要輸移路線以及廟角磺磺翅的淤積并沒有得到實質性的改變。中洪水期，分沙壩對船舶上行有,定影響。工程里取大。分沙壩減淤效果不明顯，且對中洪水船舶上行響，

22、建議不采用。3.4卵石急灘整治技術總結根據斗笠子灘和筲箕背灘歷年整治情況，結合兩灘現有整治方案，對敘渝段卵石急灘的卵石運動規(guī)律、水力指標、整治原則、整治方法進行總結。3.4.1 卵石急灘卵石運動規(guī)律不管洪水期還是中枯水期，推移質輸移路線對于斗笠子灘主航槽和筲箕背灘練家槽來說，都是異岸輸移。洪水期推移質輸移路線經過主航槽，并產生一定淤積；枯水期水流歸槽沖刷洪水期淤積的推移質。洪水期和枯水期的推移質輸移路線方向不一樣。斗笠子灘、筲箕背灘洪枯期卵石推移質輸移方向的夾角分別為40、30左右。斗笠子灘和筲箕背灘的卵石運動強烈，均出現三維卵石沙波。斗笠子灘的卵石沙波出現在主航槽以下的斗笠子灘，筲箕背灘出現

23、在練家槽以上的筲箕背灘脊。卵石運動與年來水量關系較大。1990年，筲箕背汛期和汛后的地形變化很小，2003年，斗笠子灘汛期和汛后主航槽地形變化也很小。分析其原因，主要是這兩年的洪水流量較小造成的。1990年、2006年朱沱站年最大洪水流量分別為30000m3/s、27800m3/s,小于19902005年的年最大洪水平均流量32800nf/s,更小于5年一遇洪水流量為45100nf/s。3.4.2 整治原則(1)卵石急灘以調節(jié)急灘比降為主在方案布置時，主要以減小比降為主，最大局部比降能調整到2.0%左右。從整治效果來看，降低了卵石急灘的比降，流速并未降低多少，船舶自航上灘的能力大大提Mi。(2

24、)布置整治方案時既要考慮標準船隊自航上灘，又要考慮航槽穩(wěn)定。3.4.3 整治方法(1)炸除河底礁石等方法進行擴大過水斷面，既能滿足船舶自航上灘，又能保持航槽穩(wěn)定。擴大過水斷面是急灘整治的基本方法之一。通過擴大灘口過水斷面，水流相對平順，急流段的比降相對較小，流速減緩，使調整后的水流條件，能滿足船舶自航上灘。(2)采取局部炸礁方法，減小底部環(huán)流，改善流態(tài)。由于河床起伏不平，河床高差較大，底部環(huán)流得到充分發(fā)展。水位越枯，底部環(huán)流強度越大，故在設計水位時，雖從表面流速和比降組合來看能滿足船舶自航上灘，但較強的底部環(huán)流使船舶不能自航上灘。(3)修建島尾壩能局部壅水，達到減小廟角磺磺尾橫比降，拓寬緩流區(qū)

25、的目的，以便船舶自航上灘。“上疏下抬”是急灘整治的方法之一，“月臺”的一般方法是在灘下深槽斷面修筑潛壩，筑壩壅水，減緩灘口的比降、流速，改善流態(tài)，使船舶能自航上灘。4金沙江建庫對敘渝段航道的影響研究金沙江建庫引起的水流、泥沙條件的改變，將使敘渝段河床演變規(guī)律發(fā)生相應變化，直接影響一些重點灘險的水流、泥沙、河床變化規(guī)律，從而造成卵石灘險的河床下切，基巖河床灘險的水流流速、比降加大，這些變化都將影響航道的通航條件。采用一維數學模型，重點研究建庫后長河段水流、泥沙運動規(guī)律和水位變化趨勢，并通過局部河段平面二維水沙數學模型模擬計算，研究典型重點淺灘河段的河床演變、水流條件、航道尺度的變化情況及發(fā)展趨勢。4.1 重點灘險二維數學模型計算平面二維數學模型計算的主要目的是，分析向家壩水電站修建后，在電站日調節(jié)下泄非恒定流情況下，對敘渝段重點灘險平面二維水流流速、流態(tài)、水深、河床沖淤變化的影響。分別選取銅鼓灘和風簸磺作為重點研究對象。為探討上游金沙江建庫后，經水庫調節(jié)下泄非恒定流過程對長江敘渝段航運條件的影響，建立了非恒定流數學模型。選取重點河段（銅鼓灘、風簸磺河段），W了河道中水流為非恒定