长江宜宾至重庆段航道治理关键技术研究

1长江宜宾至重庆段航道治理关键技术研究报告简本1概述1.1研究的总体目标（1）针对叙渝段航道的典型卵石滩险，本项目的研究成果将提出较好的工程治理方案，从而解决依托工程中复杂卵石滩险的治理问题，达到预定的整治目标，为叙渝段384km的Ⅲ级航道全线贯通创造条件。（2）提高依托工程设计质量，增强依托工程整治效果，并通过本项目的研究，制定叙渝段航道在整治后长期保持整治效果的措施，从而降低工程维护成本20%以上。（3）加快叙渝段航道进一步开发利用的进度，缩短前期工作周期30%左右。（4）总结叙渝段复杂卵石滩险的卵石运动规律、河床演变趋势、碍航成因、整治原则、整治方法等，对以前的研究成果进行较好的补充，山区河流同类滩险整治提供良好的技术参考。（5）为卵石河床演变与整治理论发展提供新经验，推动科研成果转化为现实生产力，推动航道治理技术创新和技术进步，创造良好的社会效益。（6）本项目的研究成果总体上达到国内领先水平，关键技术部分达到国际先进水平。1.2研究的主要内容本项目主要通过调研分析、数学模型计算、物理模型试验、船模试验和实船试验等手段，在上游金沙江建库的条件下，研究长江宜宾至重庆段复杂卵石浅险滩、枯水卵石急滩的卵石运动规律，提出技术可行、经济合理的治理方案。1.2.1专题一研究的主要内容2专题一以铜鼓滩为典型滩险，通过数学模型和物理模型相结合的方法研究叙渝段卵石浅险滩整治技术。铜鼓滩是长江叙渝段主要浅险滩之一，也是依托工程——叙泸段航道建设工程的重点整治滩险之一。铜鼓滩处于两反向河弯间的过渡段，上浅下险，航道弯曲狭窄，1993年曾通过疏浚和炸礁拓宽加深了枯水航槽，但近年来上口的铜鼓子浅区淤积严重，水深不足而碍航。1.2.2专题二研究的主要内容专题二以斗笠子滩为典型滩险，通过物理模型试验、船模研究相结合的方法研究叙渝段卵石急滩整治技术。斗笠子滩是长江叙渝段著名枯水急滩，也是依托工程——泸渝段航道建设工程的重点整治滩险之一。斗笠子在历史上虽然进行过多次整治，但效果均不理想，往往整治后2至3年滩势重新恶化，本专题在已有研究成果基础上，结合工程实施情况和整治效果进一步归纳和总结斗笠子滩的整治思路、整治原则、整治方法等关键技术。1.2.3专题三研究的主要内容本专题的主要研究内容如下：金沙江建库对叙渝段航道水流、泥沙运动的影响研究，金沙江建库对叙渝段航道的总体影响研究，金沙江对叙渝段典型滩险的航道条件影响研究。32长江叙渝段典型卵石浅险滩的整治技术研究卵石浅险滩是长江叙渝段的主要碍航滩险。铜鼓滩、神背嘴、风簸碛等卵石浅险滩均为枯水期重点碍航浅险滩，水沙运动条件复杂、航道尺度不足、航行水流条件较差。各滩险在1987～1996年间进行过整治，但由于各种原因，没有达到良好的整治效果。为此，进一步总结川江卵石浅险滩的航道整治经验，研究卵石浅险滩的河床演变规律和整治技术，为项目依托工程――铜鼓滩的航道治理提供技术支撑和科学依据具有重要的意义。2.1山区急弯放宽河段的水力特性试验研究山区河流急弯放宽河段大多形成分汊河型，其碍航特征表现为弯、浅、险，是山区河流整治中最为复杂的河型之一，其成滩机理复杂，整治难度较大。要彻底整治好这类滩险，必须深入研究碍航滩险的水流运动特性、卵石运动规律、河型变化和形成机理、河床演变趋势，才能制定出经济合理的整治方案。因此，采用概化的物理模型对这类急弯放宽河段的水力特性进行专门试验研究是十分必要的。通过对试验结果的分析，得出山区急弯放宽河段的水力特性如下：2.1.1弯道水面的横比降（1）横比降最大值出现的位置一般在河道是等宽的时候，即放宽率＝1时，横比降由弯道进口沿程逐渐增大，到达弯顶附近，横比降达到最大值，再向下游又逐渐减小。当较大时，最大横比降的位置一般出现在弯道进口至弯顶段，也就是说当下游河道放宽后，会使横比降的最大值的位置向弯道上段移动。横比降的最大值出现的位置还随着水流强度的变化而有所不同，在同一个弯道中，当弗汝德数Fr较大的时候，横比降的最大值出现在弯道中间稍向上偏的位置，但是当4Fr减小到很小时，其最大值出现的位置会在弯道的进口。2.1.2弯道水面的纵比降水面的纵比降和流速是工程应用中最关心的两个水力要素，对于山区通航河流来说，一般都会规定航道内流速和局部纵向比降不能过大。由于水面横比降的影响，水面纵比降沿横向的分布是不均匀的，同一断面上，凸岸和凹岸之间的纵比降差别很大，方向也往往是不同的；纵比降沿纵向的分布往往也是正负相间的，最大比降出现的位置，是与横向环流的充分发展、使最大流速区由凸岸移向凹岸，从而产生的局部加速区有关。凸岸纵比降的最大值maxtuJ在Fr较大时，均出现在弯道进口段，当Fr减小的时候，maxtuJ会向下游转移，出现在弯顶段。而凹岸纵比降的最大值maxaoJ，一般都出现在弯道出口段，但是当弯道进口附近水流惯性很大，弯道中心半径也很大时，弯道出流顺畅，在凹岸沿程都没有负比降的发生，这种情况下maxaoJ就有可能出现在弯道进口处。2.1.3水流的分离区当水流沿弯曲的管道或明渠流动时，有时水流会脱离固体边界，在主流和固体边界之间形成漩涡，这个区域称为水流分离区。2.1.4推移质的淤积带推移质的淤积和水流在横断面上的流速分布关系很大，流速如果大于起动流速，推移质会继续运动而不会落淤，如果某区域流速过小，推移质也无法进入到该区域，则该区域也就没有推移质的淤积。外形上，淤积区的外边界的线形和回流区的边界形状在弯道段很相似，基本接近弯道的外形。出了弯道以后，回流区的边界会向内收缩，而淤积区的外边界会向外扩散。总的来说，淤积区至内岸的最大距离的变化规律基本上和回流区的宽度变化是一致的，都是随着BRc/的减小而增大的。推移质在淤积的过程中，其颗粒的大小在横向的分布，从河心到凸岸呈现出由大到小的分布5规律。2.2铜鼓滩治理措施研究表2-1左、右槽整治方案技术、经济比较表试验方案工程内容整治效果工程量（m3）综合评价左槽修改7方案①疏浚航槽3.5m×80m。②筑3＃江心顺坝，长600m，坝高设计水位上2m，坝头段长120m为缓变坡3％～2.5％，坝头嵌入河床。③筑齿坝：4＃、5＃、6＃齿坝分别长55m、46m、40m，坝高设计水位上2m，坝头坡1∶5。1、上、下深槽平顺衔接，航槽规顺，水流平稳，流速、比降满足航行要求，挖槽稳定，航道条件根本改善。2、挖槽设计合理，断面系数大于9，航行阻力较小，符合规范要求。3、上游水位将降低0.01m，整治工程对相邻浅滩影响甚微。4、整治效果良好，适应航运发展要求。5、工程量及投资较右槽方案大。挖槽：211200筑坝：37080整治效果良好，航道条件根本改善，建议作为该滩的整治方案，供设计参考。右槽修改2方案①疏浚铜鼓子浅区和碛翅边缘，疏浚底高程为设计水位下3.2m。②董碛坝尾筑丁坝群：右槽1＃、2＃、3＃丁坝分别长128m、66m、40m，坝高设计水位上2m。③下深槽筑4＃丁潜坝，丁坝长33m，坝高设计水位上2m；潜坝长55m，坝顶水深设计水位下6m。1、右槽进口铜鼓子浅区挖槽稳定，该滩“上浅”问题基本解决，但中、下段碛翅边缘疏浚区仍有泥沙回淤，该滩“中弯、下险”状况改善有限。2、受河势、滩情限制，该方案难于根本改善该滩的航道条件，对航运发展要求的适应性较差。3、相对于左槽方案而言，具有工程量及投资较小的优势。挖槽：63200筑坝：23400工程量较小，但整治效果不及左槽方案，可作为该滩整治工程设计的比选方案。2.3卵石浅险滩整治技术总结2.3.1整治原则（1）根据弯曲分汊卵石浅滩的滩势（浅、险）及碍航性质，分清主次抓住病根，有6针对性地按制定整治措施；（2）长江叙渝段弯曲汊道浅滩枯水航槽弯浅、通航水流条件较差，在航行条件难以彻底改善时，可开辟顺直碛槽通航；（3）新开顺直碛槽宜采取窄深型航槽疏浚与筑坝相结合的枯水整治方法，以维护挖槽稳定。2.3.2通航整治汊道的选择卵石浅滩弯曲汊道在整治前的枯水航槽，存在浅、弯、险等问题；碛槽较为顺直、枯水宽浅，年内冲淤变化不大。（1）受河势条件的制约，弯曲汊道的航道弯曲半径较小，流态紊乱，通过整治航道条件有所改善，但航道尺度难以显著提高；弯曲汊道浅区疏浚后挖槽稳定性较差，整治后又逐渐回淤而出浅。（2）碛槽枯水宽浅，航深不满足要求，但较为顺直，与上下游主槽平顺衔接，河床组成相对较粗，年内冲淤变化不大。整治的主要目的是研究新开航槽的稳定性，优化工程整治措施。（3）充分论证各汊道整治方案的优缺点，选择适宜的通航汊道。弯曲汊道弯浅、通航水流条件较差，在难以彻底改善航行条件下，考虑航运发展要求，在进行充分论证的基础上，宜开辟碛槽通航，形成连接上、下深槽的平顺航道。2.3.3新开顺直碛槽的整治技术（1）采取基建性疏浚与整治建筑物相结合的整治方法沙卵石河床宜以修筑整治建筑物与疏浚相结合的方法。碛槽较为顺直，与上下游河槽平顺衔接，但枯水宽浅，航深不满足要求，且河床组成相对较粗，仅通过增大流速难以实现增大航深的目的，故需进行基建性挖槽，开辟新的航槽。同时，应利用整治建筑物调整水流结构，增强河段的输沙能力，将多余的泥沙输送出去或改变泥沙的输移方向（如变纵向为横向运动），使其淤至航道以外，或使泥沙淤7积到深槽中，以获得稳定航道。（2）以枯水整治为主卵石浅滩段虽然在中洪水流量下往往还存在急、险等碍航现象，但主要碍航成因是浅，整治时应以枯水整治为主。采用丁坝、顺坝束水导流整治，在洪水降落的最后阶段，提高冲刷能力，达到最低通航水位时的保证航深。整治建筑物高程在设计水位上1.8～2.5m。（3）采取工程措施增加顺直碛槽分流比，以增强顺直碛槽的输沙能力①修建洲头顺坝可以调整左右两槽分流比，增加挖槽稳定性。②修建洲头顺坝可以增加碛槽流量，但应考虑对推移质运动、坝体稳定性的影响。③可在弯曲汊道内修建整治建筑物以增加直槽流量。（4）碛槽内筑坝束水攻沙以维护挖槽稳定2.3.4新开航槽设计（1）挖槽平面布置挖槽定线的基本原则：①挖槽的方向与主流方向一致，并位于主流线上，与主流向交角不应超过15°。②挖槽在平面上常设计成直线，挖槽不可避免出现折线时，其转弯半径应满足要求，并适当加宽。③挖槽应选择最短线路。（2）挖槽横断面设计挖槽断面设计的内容包括挖槽宽度和深度。在满足航道尺度的条件下，挖槽概化模型水流条件试验研究表明，在挖槽断面面积一定时，在B/H=17.8时，近底纵向底流速、摩阻流速逐渐最大，输沙强度值最大。因此，窄深型挖槽断面挖槽稳定性优于宽浅型，为了增加汛后冲刷，在整治流量时在B/H＝21.5时即可实现较为明显的效果。2.3.5挖槽稳定性要求8（1）挖槽稳定性的一般要求挖槽的主要问题是汛后推移质回淤问题。为满足挖槽稳定，应使挖槽内的流速大于开挖前挖槽区的流速；应使挖槽河段开挖后的断面平均流速不小于挖槽上游段的断面平均流速；应使挖槽内的流速沿程相等或有所增加。（2）弯曲分汊新开碛槽挖槽内流速控制指标在满足挖槽稳定性的一般要求的同时，挖槽后的流速应达到一个多大的数值，是在进行模型试验增加挖槽流量、束窄河床增大流速时的控制条件。为满足挖槽稳定，一般要求整治流量时挖槽内流速约为卵石的起动流速的1.1～1.3倍。93长江叙渝段典型卵石急滩的整治技术研究3.1卵石边坡冲刷稳定试验通过边滩冲刷稳定性水槽试验，主要研究卵砾石边坡的冲刷过程及机理；边滩坡脚卵石的起动；卵石边滩冲刷稳定时的平面形态及水流特性；局部压缩水流时，边滩冲刷情况以及水流条件的变化。研究表明：卵石边滩的起动和冲刷与坡脚处的流速和水深有关；在卵石边滩冲刷稳定时，卵石边滩的岸线基本与固定边界的岸线平行，且水流的比降比较均匀，流态较好；局部压缩水流时，滩口处比降变化较大，固定边界压缩宽度大于卵石边滩冲刷稳定时后退的宽度。3.2标准船型自航上滩水流指标研究根据交通部最新发布的川江船型标准，结合叙渝段典型卵石急滩——斗笠子滩实际情况，采用川江急滩水流指标理论计算和概化水槽船模试验等方法，研究叙渝段卵石急滩段的水流流速、比降对船舶的阻力以及代表船的型动力情况，提出泸渝段卵石急滩的水力指标。叙渝段为Ⅲ级航道标准，标准船队