长江宜宾至重庆段航道治理关键技术研究.docx

1、长江宜宾至重庆段航道治理关键技术研究长江至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

2、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，研究长江至段复杂卵石浅险滩、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 专题一研究的主要容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

3、。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

4、笠子滩的整治思路、整治原则、整治方法等关键技术。1.2.3 专题三研究的主要容本专题的主要研究容如下：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。2 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19871996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

5、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

6、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

7、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在较大时，均出现在弯道进口段，当减小的时候，会向下游转移，出现在弯顶段。而凹岸纵比降的最大值，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。

8、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，回流区的边界会向收缩，而淤积区的外边界会向外扩散。总的来说，淤积区至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

9、验方案工程容整治效果工程量（m3）综合评价左槽修改7方案疏浚航槽3.5m80m。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32.5，坝头嵌入河床。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15。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

10、善，建议作为该滩的整治方案，供设计参考。右槽修改2方案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。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。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

11、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

12、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，

13、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1.82.5m。（3） 采取工程措施增加顺

14、直碛槽分流比，以增强顺直碛槽的输沙能力修建洲头顺坝可以调整左右两槽分流比，增加挖槽稳定性。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。可在弯曲汊道修建整治建筑物以增加直槽流量。（4）碛槽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：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。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。挖槽应选择最短线路。（2）挖槽横断面设计挖槽断面设计的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

15、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/H21.5时即可实现较为明显的效果。2.3.5 挖槽稳定性要求（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；应使挖槽的流速沿程相等或有所增加。（2）弯曲分汊新开碛槽挖槽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。

16、为满足挖槽稳定，一般要求整治流量时挖槽流速约为卵石的起动流速的1.11.3倍。3 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

17、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。叙渝段为级航道标准，标准船队为881kW推轮顶2艘500t或1艘1000t驳组成的1000t级船队，其卵石急滩自航上滩水流指标如下表：表3-1 急滩自航上滩水流指标流速（）1.002.03.0比降（m/s）3.93.53.13.3 斗笠子治理措施研究表3-2 斗笠子滩整治方案一缆表试验方案工程容工程量整治效果综合评价方案一（庙角碛疏浚支汊疏浚）1.庙角碛疏浚: A(581480

18、.68,3206884.78)、B(581780.72,3207015.73)、C(582147.76,3207063.34)、(582253.78,3207106.03)2.支汊疏浚：A(581305.20,3206529.72）、B(81802.22,3206510.03)、C(581351.58,3206622.98)、D(581806.41,3206580.18)(挖槽深度设计水位下2m)。挖槽：78500m3有利于改善斗笠子滩的航行水流条件，但庙角碛挖槽区易于回淤，并且支汊疏浚区域也易于回淤。整治效果较好，但挖槽区易于回淤方案二（庙角碛疏浚丁坝分沙）1.庙角碛疏浚同方案一；2.丁坝分

19、沙：A(581344.84,3206809.84）、B(581484.29,3206889.80)、C(581509.65,3206848.14)坝顶高程199.5m 。挖槽：40500m3丁坝：4800m3未达到分沙效果，庙角碛的回淤未得到根本性的改善。基本不可行方案方案三（移顺坝滩口炸礁滩口下游180m处炸礁）1.坝1/3旋转7，坝头左移25m。移坝后河床高程为设计水位下4m水深。筑坝长度200m,坝顶宽度为3m，两侧放坡1:1.52.在滩口处炸礁，炸礁高程为设计水位下5m。3.以滩口下游180为中心炸礁，炸礁高程为设计水位下4m。拆坝:18000m3筑坝:18000m3炸礁:15870m

20、3改善斗笠子滩的水流条件较好，从船模试验和水流最不利比降、流速组合来看，船舶自航上滩能力一般。在庙角碛碛翅和碛尾附近有少量的泥沙淤积。工程量最小。效果一般续表3-2 斗笠子滩整治方案一缆表试验方案工程容工程量整治效果综合评价方案四（移顺坝滩口炸礁滩口下游180m处炸礁岛尾坝）在方案三的基础上，再在庙角碛尾新建一条岛尾坝：坝高程198.5m（平坡），筑坝长度100m,顶宽度为3m，两侧放坡1:1.5拆坝：18000m3筑坝：25200m3炸礁：15870m3改善斗笠子滩的水流条件好，从船模试验和水流最不利比降流速组合来看，船舶自航上滩能力较好。在庙角碛碛翅和碛尾附近仍有少量的泥沙淤积。可作为推荐

21、方案方案五（移顺坝滩口炸礁滩口下游180m处炸礁岛尾坝分沙坝）在方案四的基础上，再在庙角碛碛首新建两条分沙坝：坝顶高程200.0m（平坡）,坝顶宽度3m，两侧1:1.5放坡。第一条坝长度165m，第二条坝长度150m。拆坝：18000m3筑坝：29400m3炸礁：15870m3 枯水期冲刷庙角碛碛翅处冲刷泥沙能力与方案四相差不大。布置分沙坝后，只是改变庙角碛碛翅局部的淤积量，工程河段泥沙洪水期主要输移路线以及庙角碛碛翅的淤积并没有得到实质性的改变。中洪水期，分沙坝对船舶上行有一定影响。工程量最大。分沙坝减淤效果不明显，且对中洪水船舶上行有一定影响，建议不采用。3.4 卵石急滩整治技术总结根据斗

22、笠子滩和筲箕背滩历年整治情况，结合两滩现有整治方案，对叙渝段卵石急滩的卵石运动规律、水力指标、整治原则、整治方法进行总结。3.4.1 卵石急滩卵石运动规律不管洪水期还是中枯水期，推移质输移路线对于斗笠子滩主航槽和筲箕背滩练家槽来说，都是异岸输移。洪水期推移质输移路线经过主航槽，并产生一定淤积；枯水期水流归槽冲刷洪水期淤积的推移质。洪水期和枯水期的推移质输移路线方向不一样。斗笠子滩、筲箕背滩洪枯期卵石推移质输移方向的夹角分别为40、30左右。斗笠子滩和筲箕背滩的卵石运动强烈，均出现三维卵石沙波。斗笠子滩的卵石沙波出现在主航槽以下的斗笠子滩，筲箕背滩出现在练家槽以上的筲箕背滩脊。卵石运动与年来水量

23、关系较大。1990年，筲箕背汛期和汛后的地形变化很小，2003年，斗笠子滩汛期和汛后主航槽地形变化也很小。分析其原因，主要是这两年的洪水流量较小造成的。1990年、2006年朱沱站年最大洪水流量分别为30000 m3/s、27800 m3/s，小于19902005年的年最大洪水平均流量32800 m3/s，更小于5年一遇洪水流量为45100 m3/s。3.4.2 整治原则（1）卵石急滩以调节急滩比降为主在方案布置时，主要以减小比降为主，最大局部比降能调整到2.0左右。从整治效果来看，降低了卵石急滩的比降，流速并未降低多少，船舶自航上滩的能力大大提高。（2）布置整治方案时既要考虑标准船队自航上滩

24、，又要考虑航槽稳定。3.4.3 整治方法（1）炸除河底礁石等方法进行扩大过水断面，既能满足船舶自航上滩，又能保持航槽稳定。扩大过水断面是急滩整治的基本方法之一。通过扩大滩口过水断面，水流相对平顺，急流段的比降相对较小，流速减缓，使调整后的水流条件，能满足船舶自航上滩。（2）采取局部炸礁方法，减小底部环流，改善流态。由于河床起伏不平，河床高差较大，底部环流得到充分发展。水位越枯，底部环流强度越大，故在设计水位时，虽从表面流速和比降组合来看能满足船舶自航上滩，但较强的底部环流使船舶不能自航上滩。（3）修建岛尾坝能局部壅水，达到减小庙角碛碛尾横比降，拓宽缓流区的目的，以便船舶自航上滩。“上疏下抬”是

25、急滩整治的方法之一，“下抬”的一般方法是在滩下深槽断面修筑潜坝，筑坝壅水，减缓滩口的比降、流速，改善流态，使船舶能自航上滩。4 金沙江建库对叙渝段航道的影响研究金沙江建库引起的水流、泥沙条件的改变，将使叙渝段河床演变规律发生相应变化，直接影响一些重点滩险的水流、泥沙、河床变化规律，从而造成卵石滩险的河床下切，基岩河床滩险的水流流速、比降加大，这些变化都将影响航道的通航条件。采用一维数学模型，重点研究建库后长河段水流、泥沙运动规律和水位变化趋势，并通过局部河段平面二维水沙数学模型模拟计算，研究典型重点浅滩河段的河床演变、水流条件、航道尺度的变化情况及发展趋势。4.1 重点滩险二维数学模型计算平面

26、二维数学模型计算的主要目的是，分析向家坝水电站修建后，在电站日调节下泄非恒定流情况下，对叙渝段重点滩险平面二维水流流速、流态、水深、河床冲淤变化的影响。分别选取铜鼓滩和风簸碛作为重点研究对象。为探讨上游金沙江建库后，经水库调节下泄非恒定流过程对长江叙渝段航运条件的影响，建立了非恒定流数学模型。选取重点河段（铜鼓滩、风簸碛河段），计算了河道中水流为非恒定流时流速及水深分布，确定河道中水流流态及水位变化；并对沿程各断面位置处水流运动参数的变化过程进行了研究，着重对流速、水位随时间的变率做了分析，反映流速及水位随时间的变化强度。根据水文资料统计分析，向家坝水库在下泄最小流量为1200m3/s时，长江

27、叙渝段（庄站）年均1.6天流量小于设计流量1950m3/s。溪洛渡、向家坝建库后将拦截金沙江大部分悬沙和几乎全部推移质。长江叙渝段推移质泥沙由天然的年均226.4万t减少到年均44.4万t。当叙渝段河道基流最小时，向家坝进行日调节时为非恒定流情况下叙渝段河道通航条件最不利工况。非恒定流传播沿流程存在洪峰坦化现象，相应沿程流量、水深、流速变幅逐渐减小。不同日调节工况比较发现，最小下泄流量增加，沿程各点水力参数变幅减小。向家坝日调节流量过程经长距离河道调蓄作用后，至铜鼓滩、风簸碛河段最小流量较天然枯水流量增大，航道水深增加。上、下游河段水力参数变率分析显示，沿程水力参数变率减小，非恒定流引起的河道

28、水流波动沿程衰减。长时段日调节对河道变形影响因河床组成和边界条件的差异而不同，对比而言，铜鼓滩段河床变形较风簸碛段明显。 河床变形后，可通航宽度增加，但同时可能伴随有航深的减小，非恒定流传播增加水深的效果有所反弹，河段航深与天然来流时相当。4.2 金沙江建库后对叙渝段航道的影响上游金沙江建库后，叙渝段的来水来沙条件将发生较大的变化，从而导致本段航道水流条件和泥沙运动规律发生改变，这些改变将引起河床演变规律的改变。研究表明:（1）虽然电站日调节流量对叙渝段下泄非恒定流存在洪峰坦化现象，相应沿程流量、水深、流速逐渐减小，但至太安长140km的河段，水位日变幅都在0.7m以上。越靠近坝址，水位日变幅越大，庄以上水位变幅近2m。这将对船舶的靠泊和航行安全带来一定影响。（2）长时段清水冲刷对河道变形影响:因河床组成和边界条件的差异而不同，在多数地方由于河床冲刷下切引起水位下降，而在由紧密的大粒径沙卵石或礁石组成的滩脊，由于抗冲性强，水位下降后将引起水深减小。