岷江下游典型灘群礙航特性及整治研究

何 熙，鄧 涯 ，李順超，李家世，賈國珍，何修偉

(1. 四川省交通勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610017； 2. 南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210029； 3. 南京水利科學研究院 港口航道泥沙工程交通行業重點實驗室，江蘇 南京 210029； 4. 四川岷江港航電開發有限責任公司，四川 樂山 614000)

山區河流航道在我國西南地區的綜合交通運輸體系中占據重要地位，其貨運量、能耗、運輸能力相比公路運輸有著明顯優勢。但由于其河道蜿蜒曲折、灘槽交錯，極易形成“多灘并存、上下聯動”的復雜礙航灘群段，增加了山區河流航道的治理難度。目前對灘險治理的研究多著眼于單灘[1-3]，基本通過實測水文、地形資料對礙航灘險的河床演變規律及趨勢和灘性特征進行分析，進而提出整治方案，但對多個聯動性較強灘群治理思路的研究較少。趙志舟等[4]依托金沙江、瀾滄江及烏江河段灘群的治理經驗提出，在灘群治理時應考慮組成灘群各灘點的礙航特征，同時應順應整體河勢，注意灘點之間的相互影響和輸沙平衡；王國富等[5]依托烏江白濤河段復雜灘群，結合實測資料及數學模型對其近期河床演變進行了分析；胡小慶[6]依托金沙江大雪灘群，結合實測資料和河工物理模型試驗結果對各灘點的河床演變與礙航特征進行分析，提出各灘點的整治措施。

岷江下游屬于典型的山區河流，河道平均比降達0.8‰，整個河段呈現單一河段與汊流河段相間的態勢，部分河段受無序采石挖沙影響，航道條件嚴重惡化，且原有整治建筑物遭到不同程度水毀，航槽淤積，流態變差。該河段涉及灘險21 處，包含一般性淺灘、汊流淺灘、急流灘及河口灘，灘險特點各異。本文依托該段航道中新開河灘群，結合實測資料、河工物理模型試驗及水沙數學模型對山區河流“急、彎、險、淺”問題進行綜合治理方案研究。

1 灘險概況與礙航機理

新開河灘群為岷江上著名的“急、彎、險、淺”復合型灘險，灘群由兩個反向河灣組成，其中上段橫梁子灘較為順直，灘槽形態較為穩定；至新開河灘河道放寬，左岸為巨大磧壩，磧壩高程達設計水位以上7 m，磧翅深入江中，形成暗磧擠壓河床，致右岸航道彎曲，設計水位下航槽范圍內水深通常在1.2~2.0 m。灘口段坡陡流急，灘中下段向右岸深槽落彎，船舶行至此處有掃尾風險，同時受左岸暗磧影響，枯水期伴有滑梁水，灘尾右岸巖腳處泡漩水肆意；背時灘為上下兩個河灣的過渡段，右岸馬鞭壩受洪水期水流頂沖，頭部崩退形成沖坑，左岸受磧壩尾部凸咀刺入江心形成挑流；令牌石灘為該灘群最下游灘險，兩岸邊灘形態較好，僅在該灘中段右岸擴寬段航槽內存在出淺。灘群河勢見圖1。新開河灘群經多次維護整治都未取得明顯改善，一般在維護后的一段時間，整治建筑物遭遇水毀，航道條件再次惡化。

1.1 灘性分析

為掌握各灘險的灘性，分析了各灘險平均水面比降隨流量變化規律（圖2），了解其成灘和消灘水位[7-8]。除新開河上段為中枯水急流灘，其余灘險均為枯水急流灘。同時當來流Q≥5 500 m3/s 時，水流開始上灘，隨著水位進一步抬升，灘險平均水面比降變化率明顯減緩直至消灘。

圖2 新開河灘、背時灘及令牌石灘平均水面比降隨流量變化的關系Fig. 2 Variation of the average water surface gradient with dscharge of Xinkaihe rapid，Beishi rapid and Lingpaishi rapid

1.2 水沙特征

岷江下游洪水一般發生在每年6—9 月，此時含沙量也相對較大，枯水期一般為每年11 月至次年4 月，此時輸沙量也相對較小。根據高場水文站2006—2020 年共計15 年實測資料統計，多年平均流量為2 582 m3/s，最大日均流量為31 000 m3/s，多年年均徑流量均方差σ=410 m3/s。2006—2020 年高場站多年懸移質平均含沙量0.284 kg/m3，多年平均懸移質輸沙量0.232 億t，多年懸移質年均輸沙量均方差σ=0.148 億t。岷江推移質主要產于上游大渡河，且具有粒徑大、年內集中、年際變化大的特點，岷江流域以大渡河為主要產沙區。圖3 為高場站各年徑流量、懸移質輸沙率與多年均值的偏差分布，按1 倍均方差以內為中水中沙年進行分析，可得各年的水沙特征情況。在綜合考慮2010—2020 年時段內泥沙輸移量、沙水比、洪峰峰值及出現時段基礎上，模型選取小水小沙（2015 年）、中水中沙（2010 年）及大水大沙（2020 年）3 組典型水文年為代表工況，其中卵石推移質輸沙率按懸推比3%考慮[9]。

圖3 高場站各年水文泥沙特征Fig. 3 Hydrographic and sediment characteristics of Gaochang hydrologic station

1.3 河床演變規律

圖4 為新開河灘群2010—2017 年及2017—2021 年年際沖淤變化。2010—2017 年河道受人為因素影響明顯，在橫梁子灘右岸邊灘灘唇、新開河灘灘口、磧翅及磧尾處受采砂影響，河床下切明顯?？菟硬蹆戎饕谛麻_河灘中部、背時灘凸咀位置及令牌石灘灘口處航槽內存在一定淤積。2017—2021 年河道采砂活動基本禁止，河床基本為自然演變，特別是經歷2020 年岷江特大洪水后，原采砂坑發生明顯淤積。在新開河灘左岸磧壩處有沖有淤，磧尾沖刷明顯，部分泥沙被攜帶至背時灘航槽內，導致該灘中段有明顯回淤。背時灘至令牌石段，右岸馬鞭壩受中洪水頂沖呈崩退趨勢，磧首泥沙一部分被攜帶至磧尾淤積，另一部分被攜帶至令牌石灘航槽內。

圖4 新開河灘群2010—2017 年及2017—2021 年沖淤變化Fig. 4 Erosion and deposition changes in Xinkaihe during 2010-2017 and 2017-2021

1.4 礙航緣由

岷江新開河灘群主要表現為新開河灘灘口流急，灘中下段航槽落彎，泡水及滑梁水肆意；背時灘至令牌石灘段航道彎曲且水深較淺，同時背時灘左岸磧尾深入江中與右岸馬鞭壩對峙，流態紊亂；令牌石灘兩岸均為沖積臺地，中洪水水流取直后將右岸開闊而低矮的馬鞭壩灘面卵石帶至下游航槽內。整個灘群自上而下形成“急、彎、險、淺”的礙航特征。

1987 年岷江擴建工程時，在新開河灘進口修建3 座丁壩，并延長右岸順壩，但該灘下段彎、險問題并未消除；2002 年再次對該灘群實施整治，基本理順了航槽，并對該灘右岸順壩實施加固，之后左岸磧壩發育，磧嘴深入河心與右岸巖壁對峙。1996 年背時灘至令牌石灘整治工程中，在令牌石灘右岸修筑順壩1 座；2000 年為限制左岸退縮，修筑2 座短丁壩。上述整治措施僅針對單灘礙航問題提出整治方案，并未從根本上消除新開河灘群的礙航問題，且經自然演變后整治建筑物基本水毀，航槽礙航問題仍然突出。

2 平面二維水沙數學模型

在2017 年4 月實測1∶2 000 河床地形基礎上，建立岷江下游新開河灘群平面二維水沙數學模型。模型上起泥溪鎮，下至古柏固定水尺，全長約10 km。計算網格采用三角形網格和四邊形網格的混合網格，最小網格尺度為4 m，最大網格尺度為30 m，工程區內網格進行適當加密處理。

利用實測枯水流量Q=1 101 m3/s，中水流量Q=3 400 m3/s 以及洪水流量Q=9 680 m3/s 三組工況條件下沿程8 個水位測點以及兩個測流斷面分別開展模型的水位驗證（圖5）以及斷面流速分布驗證（圖6）。驗證結果表明水位、斷面流速分布精度均符合《水運工程模擬試驗技術規范》（JTJ/T 231—2021）的要求。

圖5 水位驗證Fig. 5 Water level verification

圖6 流速驗證Fig. 6 Measured flow velocity in verification

岷江下游河段河床變形主要集中在漲、落水兩個特征時期，依托2017 年洪中枯3 次地形測量結果開展沖淤量驗證，2017 年4—7 月底為一個漲落水期，8 —11 月為另一個漲落水期。

模型采用2017 年4 月實測地形為起始地形，每天為1 個計算時段，起止時間為2017-04-01—2017-07-15；然后以2017 年7 月的實測地形為起始地形，每天為1 個計算時段，起止時間為2017-07-15—2017-09-04；并分別對兩個時段主槽內沖淤量的實測值與計算值進行對比。統計結果顯示，2017 年4—7 月主槽內實測淤積量為0.22 萬m3，計算值為0.19 萬m3，偏差17.33%；2017 年7—9 月主槽內實測淤積量為0.16 萬m3，計算值為0.14 萬m3，偏差13.78%。沖淤沿程分布趨勢總體一致，說明沿程沖淤規律基本相同，2 個時段的沖淤量實測值和計算值也較接近，偏差在±20%以內，符合《水運工程模擬試驗技術規范》（JTJ/T 231—2021）的要求。

3 整治方案研究

針對新開河灘群礙航成因、灘點關聯性、灘性特征及河段水沙動力條件，可將新開河灘群自上而下歸納為兩個具有明顯特征的航段，即：橫梁子至背時灘段表現為“急-彎-險”特征，背時灘至令牌石灘段表現為“彎-彎-淺”特征。結合該灘群歷史整治方案，在分析治理經驗基礎上，采用疏浚和整治相結合的手段，一方面依靠疏浚等措施增深航槽，同時對大流速陡比降區域實施航道拓寬；另一方面采用整治建筑物調順水流流路，消除不良流態，同時增強淺段水沙動力，維持挖槽區穩定。

岷江下游龍溪口樞紐至宜賓合江門河段按照內河Ⅲ-（3）級航道標準進行整治，航道尺度為2.4 m×60 m×500 m（水深×直線段寬度×彎曲半徑），設計代表船型為1 000 t 級機動駁及2×1 000 t 級分節駁，設計最小通航流量為900 m3/s，上水通航標準：水面比降0.5‰、1‰、2‰、3‰、4‰時對應的流速分別為3.9、3.8、3.5、3.2、3.0 m/s[10]。

3.1 整治方案

基于以上整治思路和原則，提出兩套方案。方案1 為老槽方案，即依托現有深槽規劃航線（圖7）。該方案在新開河灘灘口左岸布置2 座丁壩，引導水流進入規劃航槽；對新開河灘中下段原水毀順壩實施修復；在背時灘右岸馬鞭壩磧首修筑1 座順壩以導順水流，并防止馬鞭壩頭部受水流頂沖后繼續崩退，在該灘凹岸處布置1 處護灘工程，防止彎道環流淘刷左岸邊灘；修復令牌石右岸原有順壩；按設計水位以下2.8 m 浚深規劃航槽內的淺區，同時切除新開河灘及背時灘航槽外凸咀和礙航淺點。

圖7 新開河灘群方案1 及方案優化示意Fig. 7 Regulation scheme 1 and optimization scheme of Xinkaihe serial rapids

方案2 為新開槽方案（圖8），即在新開河灘左岸磧壩處開辟1 條新航槽，并在磧壩磧首布置2 座丁壩及1 座丁順壩用以引導水流進入新開槽；在背時灘右岸馬鞭壩磧首布置1 座勾頭丁壩調整水流過渡至背時灘，并在該灘凹岸處布置1 處護灘工程，保護左岸邊灘；修復令牌石右岸原有順壩；按設計水位以下2.8 m 浚深規劃航槽內的淺區。

物模[10]和數模對比分析發現，方案2 實施后總體效果欠佳，新開槽槽口局部水面比降達到6.1‰，槽內流速在整治流量下基本達到4.0 m/s，且隨流量增加，流速呈增加趨勢，同時新開槽還存在穩定性問題。因此，在方案1 上進行優化。

3.2 急-彎-險灘群

橫梁子至背時灘航段方案1 實施后，新開河灘右岸長順壩效果明顯，其水流流路與航槽曲率基本一致，消除了灘下口的滑梁水，基本解決了彎和險的問題，但新開河灘灘口的流急問題仍存在。在整治流量Q=2 250 m3/s 時最大流速、比降組合達3.72 m/s×3.02‰，超過船舶上灘限值。在背時灘卡口段亦存在流速接近3.5 m/s，比降達2.26‰的區域。針對上述問題，對背時灘右岸順壩向岸側移動40 m，大流速區基本消除。針對新開河灘灘口流急的問題，對急流段航槽實施拓寬，同時取消進口處2 座丁壩。由于背時灘右岸順壩向岸側移動后，上游水位進一步降低，且傳遞至新開河灘，導致灘口流急問題進一步加劇，因此在多次對新開河灘疏浚區及拓寬段開挖底高程和范圍進行優化調整后，上段流急的問題得到解決。但優化方案實施后，水位降落傳遞至泥溪水尺處，致使該處航深不足，故在此處增加1 處疏浚。新開河灘灘口段物模結果[11]流速為3.20~3.50 m/s，最大比降為2.41‰，數模結果流速為2.86~3.35 m/s，最大比降為1.86‰；背時灘物模結果流速為2.80~3.02 m/s，數模結果流速為2.41~3.00 m/s，物模與數模結果基本一致。隨著流量進一步增加，新開河灘群基本消灘，船舶可依托水深適宜的緩流區上行。

在定床階段的優化方案上，開展了小水小沙、中水中沙及大水大沙等3 組典型水文年的水沙數學模型研究。整體表現為：整個灘群的原有采砂坑均有明顯淤積，新開河灘挖槽區總體穩定性較好，但在新開河灘灘尾至背時灘段淤積較為明顯，在中水中沙及大水大沙年2.4 m 等深線不連續。為進一步研究淤積原因，開展了汛期5 570、8 650 及15 000 m3/s 共3 組流量下的定床輸沙試驗（圖9）。3 組工況下輸沙路線差異較小，本文以Q=8 650 m3/s 工況下新開河灘群定床輸沙路線為例，對比該級流量下輸沙路線和水流流路。由于背時灘為上下兩個河灣的過渡段，表現為輸沙路線和汛期水流流路存在較大交角（圖10），即在退水過程中只能依靠中枯水以下流量沖槽，因此相對而言沖刷歷時縮短，泥沙淤積明顯。

圖9 新開河灘群優化方案定床輸沙路線（Q=8 650 m3/s）Fig. 9 Fixed bed sediment transport of Xinkaihe serial rapids (Q=8 650 m3/s)

圖10 新開河灘群工程前后定床輸沙路線及優化方案流場（Q=8 650 m3/s）Fig. 10 Fixed bed sediment transport and flow field after the regulation project of Xinkaihe serial rapids (Q=8 650 m3/s)

3.3 彎-彎-淺灘群

背時灘至令牌石灘航段方案1 實施后，該段通航水流條件改善明顯，但從航道內泥沙沖淤變化情況來看，在中水中沙及大水大沙年令牌石灘均存在約100 m 范圍內2.4 m 等深線斷開的情形，但相對天然情況下改善明顯。一方面其右岸順壩修建后淺段水沙動力增強，另一方面順壩對馬鞭壩灘面輸移至航槽內的泥沙起到攔截作用。優化方案中調整了航線以避開該段淤積帶，依托左側沖刷帶布置航線，減小航道日常維護工作（圖11）。

圖11 令牌石灘航線調整示意Fig. 11 Chart of route adjustment of Lingpaishi rapid

3.4 輸沙率分析

對于山區河流復雜灘群的治理，一般需保證下游淺灘的輸沙能力略大于上游淺灘[12]。本文采用沙莫夫推移質輸沙率公式[13]并結合物模和數模資料計算整治流量下各段的推移質輸沙率gb。

式中：U為水流平均流速（m/s）；為泥沙止動流速（m/s）；d為泥沙中值粒徑（m）；h為水深（m）。

優化方案實施后，新開河灘疏浚區上段推移質輸沙率0.104 5 kg/s，下段推移質輸沙率0.106 3 kg/s；背時灘疏浚區推移質輸沙率0.109 5 kg/s；令牌石疏浚區推移質輸沙率0.236 4 kg/s。計算結果表明灘群下游淺灘輸沙率基本大于上游淺灘輸沙率，但背時灘段推移質輸沙率與上游淺灘輸沙率較為接近，且該段沖槽歷時較短，更易發生淤積，這也與水沙數學模型計算的趨勢較為一致。

4 結 語

山區河流“急、彎、險、淺”復雜灘群往往是該段航道的控制性工程，整治思路及原則上既要掌握組成該灘群的各灘險自身灘性特點、河床演變的關聯性，又要統籌協調好灘群之間水沙動力特性。對于自上而下“急、彎、險、淺”的灘群治理，需遵循自下而上且有針對性的治理原則。對于下“淺”的問題，需采用整、疏相結合的手段，重點放在整治建筑物的位置及相關整治參數上；對于中“彎、險”的問題，需選擇控制性節點并依托主導河岸采用整治建筑物調整水流流路，改善水流流態；對于上“急”問題，應重點拓寬航槽，增大過流面積，減緩流速，但同時需避免下游灘險的整治措施對上游的“急、險”有所惡化。此外，在綜合考慮整個灘群輸沙平衡的基礎上，一般需保證下游灘險的輸沙能力略大于上游灘險。