三峽工程施工期灘險整治研究

三峽工程施工期灘險整治研究

三樓建成后，將對能源、防洪和交通運輸產(chǎn)生重大影響。在三峽工程建設期中,壩前水位按135m、156m、175m逐步抬高,在135m和156m蓄水期,20年一遇洪水回水均至涪陵;按175m正常蓄水位運行后,20年一遇洪水回水影響至重慶市木洞鎮(zhèn)。庫區(qū)河道水位抬高對航道存在有利與不利影響:一是庫區(qū)水深增大,水流減緩,絕大多數(shù)河段航行條件得到改善;二是庫區(qū)水流條件受壅水影響,改變了天然河流的泥沙沖淤狀態(tài)。在天然情況下,庫區(qū)航道為洪水期泥沙淤積,隨著水位下降,淤沙逐漸沖刷,年內(nèi)沖淤基本平衡。由于三峽工程采用“蓄清排渾”的水庫調(diào)庫原則,庫區(qū)部分河段在洪水期淤積的泥沙,在水庫消落時,得不到及時或徹底的沖刷,從而使泥沙出現(xiàn)累積性淤積,導致航槽出淺、倒槽或易槽;三是天然情況下部分灘險在某一水位段出現(xiàn)滑梁水,但大壩蓄水后,滑梁水持續(xù)時間延長,使灘險礙航程度加重。另外,在變動回水區(qū)末端,由于汛期壩前水位降低,變動回水區(qū)基本處于天然狀態(tài),原有的一些急險灘河段,仍存在較大的急流、橫流及泡漩、亂水,對航行仍產(chǎn)生較大危害,需及時安排整治,以滿足各蓄水期船舶安全航行的需要。1完善海灘保險的確定據(jù)長江航道局組織的有關(guān)專家對三峽庫區(qū)航道現(xiàn)場踏勘和研討,確定在三峽工程施工期急需整治豐都至洛磧的9處灘險,整治灘險的位置分布如下:2海灘保險的賠償原則和標準2.1河道尺度適當延長灘險整治原則除了根據(jù)河道具體情況,遵循因地制宜、因勢利導等一般原則外,還應遵循以下原則:1)對于出現(xiàn)較大的泥沙淤積使航道尺度不夠或航槽易位時,考慮布置整治建筑物并配合一定的炸礁和疏浚,使航道尺度滿足要求。2)對于河中礁石或岸邊石梁引起的滑梁水時間延長,一般考慮炸除礁石和石梁,消除或盡量縮短滑梁水的礙航時間。3)考慮減小工程投資和降低施工難度,各灘整治施工時間應定在該灘被淹沒的蓄水位之前,以避免陸上工程變?yōu)樗鹿こ獭?.2標準的改進2.2.1主要通航航道條件在135m和156m蓄水位期,變動回水區(qū)維持現(xiàn)行的通航船隊標準,在175m蓄水后,庫區(qū)航道條件將得到很大改善,船型和組隊方式將相應改進,根據(jù)交通部《三峽工程通航標準》擬定的代表性船隊如表1。2.2.2“三”級航道標準變動回水區(qū)航道尺度標準的確定應與各蓄水期及各區(qū)間通航的標準船隊緊密結(jié)合。本文論述的整治灘險均處于忠縣以上,故在135m和156m蓄水期采用標準船隊為現(xiàn)行的3000t級船隊,相應尺度標準為2.9m(航深)×60m(航寬)×750m(彎曲半徑)。在大壩按175m正常蓄水后萬噸級船隊相應航道尺度標準為3.5m×100m×1000m。對石質(zhì)和卵石質(zhì)河床,航道水深應適當增加。2.2.3通航水文標準標準船隊通航水文標準即為其自航上灘時,水面比降與表面流速的臨界值。2.2.4設計最低通航水位最低通航水位采用長江科學院編制的《三峽庫區(qū)變動回水區(qū)最低通航水位計算分析報告》提供的數(shù)據(jù)。該報告已計算出庫區(qū)各計算斷面在各需水期的日平均水位,針對具體灘險,利用綜合歷時曲線法,先計算出其上下相鄰兩斷面保證率99%的水位,再根據(jù)其所處的相對位置,用內(nèi)插法推求灘段的設計最低通航水位。最高通航水位和最高通航流量應分階段確定,在135m和156m蓄水期通航3000t級船隊,設計洪水標準為重現(xiàn)期十年一遇。三峽工程建成后通行萬噸級船隊,目前尚無統(tǒng)一標準,在進行變動回水區(qū)航道整治設計時,最高通航標準采用物理模型試驗確定,從觀音灘、和尚灘兩灘的試驗結(jié)果看,萬噸級船隊最高通航流量宜定為30000m3/s,如果標準再提高,按前述通航水文標準整治,工程投資將成倍增加。3海灘保險的分類和處理3.1滑梁水滑梁水此類灘險有蠶背梁、花灘、灶門子和馬風堆四處,其特點為在岸邊或江中有突出的石梁或礁石,使航道束窄,成為單行控制河段,有的石梁當水流漫過梁頂,產(chǎn)生漫向石梁的橫流,即“滑梁水”,船舶航行時有可能被滑梁水推向石梁而發(fā)生觸礁事故?；核窃谀骋凰欢伟l(fā)生的,三峽大壩蓄水后,滑梁水位段持續(xù)的時間較天然情況有所延長,對航行的危害加大。3.1.1增上加固后的滑梁水整治方案蠶背梁灘是川江著名的中水滑梁險灘,河道被縱臥江中長達1100m的蠶背梁分為兩槽,主槽(右槽)在水位134.3m～140.3m之間時(注:本文采用吳淞高程系統(tǒng)),兩岸均產(chǎn)生強烈的滑梁水,在135m和156m蓄水期,灘段最低通航水位由131.28m抬高至135.14m,滑梁時間較蓄水前延長兩個多月。其副槽(左槽)瓦子浩經(jīng)多次炸礁,形成底高為132.8m,寬90m的順直航道?？紤]到右槽流速大,滑梁水出現(xiàn)時間長,工程量大等因素,整治方案確定為進一步炸深左槽,炸礁底部高程為135m蓄水后最低通航水位下3.5m。為充分利用已形成的90m寬航槽,炸礁寬度按90m設計。通過整治,大壩蓄水后,船舶可全年通航瓦子浩,從而避開左槽滑梁水的影響;在大壩蓄水前,亦可提高瓦子浩航槽的利用率,充分發(fā)揮其整治效果。3.1.2石梁頂部滑梁水灘滑梁治理花灘灘段長3.5km,亦為中水滑梁險灘,岸線極不規(guī)則。上段老虎梁和下段白淺處河道較窄,中水期水流亂、急,同時產(chǎn)生向左岸的滑梁水勢,中段有雞飛梁、牛腦殼、纖臺角,由于其后地勢低洼,當水流漫過石梁頂部時同樣產(chǎn)生滑梁水。該灘滑梁水位為137m～145m。在135m蓄水期,灘段最低通航水位較蓄水前抬高0.9m,灘勢變化不大,但在156m蓄水期,最低通航水位抬高至140.9m,年內(nèi)滑梁水持續(xù)時間延長近兩個月。整治方案為炸低礙航石梁的部分突咀,達到減弱滑梁水并使滑梁區(qū)域盡量移向岸邊,從而增大有效航行寬度。上下口處通過炸礁后,擴大了泄水面積,流速也將得到減緩。3.1.3橫流水勢影響此兩灘均為江中孤礁,枯水期行船視線受擋,其兩側(cè)河道水深較大,但單側(cè)河道的寬度被縮窄,當流量加大時,流速較大;在礁石頭部,由于水流受阻而分向兩邊,在尾部,由于兩側(cè)水面不一致也會產(chǎn)生橫流;當水位上漲淹沒礁石頂部,其上又不能過船時,亦將產(chǎn)生漫向石梁的滑梁水,威脅船舶的安全航行。兩灘均采用炸低礁石的方法進行整治。馬風堆在135m蓄水期不受壅水的影響,為盡早取得效益,炸礁底高按天然情況最低通航水位進行控制。灶門子灘在135m和156m蓄水期,由于水位抬高,橫流水勢持續(xù)時間較長,炸礁底高按135m蓄水期最低通航水位下3.5m進行整治。兩灘整治后,當石梁頂部能過船時,原礁石兩側(cè)的河道均得到充分利用,航線順直,航道寬度大大增加,可消除控制河段。3.2壩前水位沖淤,妨礙航淺此類灘險有青巖子、土腦子和上洛磧?nèi)?為寬闊分汊河段或彎曲河段。由于大壩采用“蓄清排渾”的調(diào)度原則,每年4、5月份為水位消落沖刷期,但是此時的流量比較小,壩前水位又抬高產(chǎn)生壅水,從而使洪水期淤積的泥沙得不到及時沖刷而滯留于灘段,使航道尺度達不到要求而形成礙航淺灘。3.2.1水文物理模型試驗驗證土腦子河段為一寬闊的分汊河段,洪、枯水期水面寬度相差甚遠。在175m蓄水后航行條件優(yōu)良。為弄清施工期的礙航情況,長江航道局利用1961年至1970年十年的水文資料,結(jié)合水庫調(diào)度方式進行了135m和156m蓄水期河床演變的物理模型試驗,結(jié)果表明在156m蓄水期,經(jīng)豐沙枯水水文年水沙作用后,航槽內(nèi)水深不能滿足通航要求。鑒于本灘出現(xiàn)礙航的時間較短,且在特殊水文年后才出現(xiàn),故整治方案采用維護性疏浚,不需布置整治建筑物。3.2.2泥沙治理方案青巖子灘亦為一寬闊分汊河段,江中巨大的金川磧將河道分為左右兩槽。左槽較順直,但槽底礁石多,底部較高,在當?shù)厮?.5m以下斷流;右槽為枯水航槽,但河道彎而窄。汛期主流趨直偏向左槽,右槽為回流漫水區(qū),泥沙大量落淤,退水期泥沙不能完全沖刷而形成彎道淺灘,天然情況下已出現(xiàn)礙航。大壩按156m蓄水后,由于沖沙期受壅水的影響,水流沖沙能力減弱,淤沙將逐漸增多。三峽工程青巖子河段泥沙模型試驗成果表明,在156m蓄水期,由于泥沙累積性淤積,灘勢將逐年惡化;當大壩按175m蓄水位運行一定時期后,右槽將全部被泥沙淤塞,不能通航,主流則轉(zhuǎn)向左槽,發(fā)生“倒槽”現(xiàn)象,但左槽內(nèi)礁石縱橫,將影響安全通航。青巖子灘河床與水沙條件十分復雜,根據(jù)物理模型和數(shù)學模型分析,認為在三峽工程施工期,仍保持右槽通航。整治方案采用炸礁和疏浚,切除右槽左側(cè)部分突出的暗礁和淺磧,以拓寬加深航槽,同時在右岸建一道丁順壩,使主流偏向淺區(qū),增大水流的沖沙能力。至于175m蓄水后,出現(xiàn)“倒槽”,該灘采用何種方案進行整治,目前,有不少科研單位正在進行分析研究。3.2.3低水勢偏,消滯降穩(wěn),保證航槽穩(wěn)定上洛磧?yōu)┦谴ń膹澋罍\灘,位于一寬闊的彎曲河段,枯水期具有彎、淺、險的特點。其成因一是因為上游洪水河寬僅650m,至灘段驟然放寬至1350m,使水流擴散,挾沙能力減弱;二是上游右岸南屏壩邊有數(shù)道石梁挑流,將洪水主流挑向洛磧邊灘,使大量卵石推移質(zhì)停淤在磧翅處,而泥沙則落淤在右側(cè)大面積緩流區(qū),沖沙期,主流偏右,淤沙沖刷而磧翅得不到完全沖刷而出淺。河道中,與磧翅相對處有多處暗礁,船行至此,左要防磧翅處擦淺,右要防暗礁,航線十分彎曲,操作困難。在135m蓄水期,灘段處于天然情況,在156m消落期,水位抬高4m以上,灘段產(chǎn)生累積性淤積,灘勢加重,在175m蓄水期,灘段處于常年回水末端,最低水位較天然情況抬高2m,航槽左移,水深亦不能滿足萬噸級船隊的通航要求?？紤]到經(jīng)濟合理與遠近結(jié)合的原則,此灘整治方案經(jīng)分析研究,采取疏浚與筑壩措施。疏浚上洛磧突出江中的水下磧翅,拓寬枯水航槽,增大曲率半徑,同時在右岸建5道丁壩,束水沖沙,以保持航槽穩(wěn)定。當水庫按175m水位運行后,可將丁壩繼續(xù)延伸、加高,配合挖槽疏浚進行整治,以達到萬噸級船隊通航尺度的要求。3.3洪水沖灘3.3.1聯(lián)浮式灘段觀音灘是川江著名的洪水急流群灘,長約5km,上行船舶在汛期常需扎水停航。在灘的下段、中段和上段兩岸均有多處石梁對峙,形成多處急流卡口。據(jù)觀音灘河段物理模型試驗,在135m和156m蓄水期,灘勢有所減緩,在175m蓄水期,當流量在25000m3/s以上時,灘段流速、比降不能滿足萬噸級船隊上灘的要求,年通航期僅50%左右。該灘的整治措施主要是炸除兩岸的突出石梁,增大泄洪斷面,以達到降低流速比降的目的。經(jīng)過物理模型試驗多方案比選,需炸除觀音灘和朱家咀石梁,觀音灘炸礁底高為131.83m,朱家咀炸礁底高為132.34m。通過整治,觀音灘萬噸級船隊最大通航流量將提高至30000m3/s,年通航期可達80%以上。試驗中,還對繼續(xù)提高通航流量進行了探討,結(jié)果表明,投資將大大增加,而收益并不大,是不經(jīng)濟的整治方案。鑒于炸礁底高均在135m以下,為避免水上炸礁變?yōu)樗抡ń?增大投資和施工難度,需提前在135m蓄水前進行整治施工。3.3.2物理模型試驗研究和尚灘長1km。在灘段內(nèi),左岸郭家咀和群豬灘石盤與右岸和尚灘石盤交錯對峙,束窄河床,形成急流灘。在郭家咀處,由于其后地勢低洼,當水流漫過石盤后伴有強烈的滑梁水。大壩蓄水后灘勢變化與觀音灘相似,在135m和156m蓄水期,灘勢有所減緩,但在175m蓄水期,當流量大于25000m3/s時,灘段內(nèi)流速、比降均大于萬噸級船隊的通航標準。為尋求合理的整治方案,西南水運工程科研所對該灘進行了物理模型試驗。通過方案比選,確定的整治方案為炸除郭家咀和和尚灘石盤。整治標準與觀音灘相適應,即確保30000m3/s及以下流量滿足萬噸級船隊的通航要求。和尚灘和觀音灘最高通航流量定為30000m3/s,當實際流量大于此標準時,船隊須減載航行。4護岸、護坡效果分析三峽工程施工期變動回水區(qū)航道整治任務必須在2003年以前全部完成。到目前為止,已竣工的灘險有蠶背梁、灶門子、花灘、和尚灘和馬風堆5處,其中蠶背梁、灶門子、馬風堆已經(jīng)過一個水文年的檢驗,并進行了整治效果觀測。蠶背梁整治后,副槽瓦子浩內(nèi)水流平順,槽內(nèi)基本無泥沙淤積,