东溪口新开卵石航槽的稳定性分析

廖江花，陈玉丹，陈杏文，李沛霖

（1.重庆交通大学 水利水运工程教育部重点实验室，重庆400074；2.重庆交通大学 国家内河航道整治工程技术研究中心，重庆400074）

科研与管理

东溪口新开卵石航槽的稳定性分析

廖江花1，2，陈玉丹1，2，陈杏文1，2，李沛霖1，2

（1.重庆交通大学 水利水运工程教育部重点实验室，重庆400074；2.重庆交通大学 国家内河航道整治工程技术研究中心，重庆400074）

以动床模型试验为手段，结合理论分析，就东溪口整治河段的卵石推移质输移运动规律、推移质输沙带的底流特性、挖槽区的输沙能力进行研究，通过河床的自动塑造来预测挖槽区的冲淤演变趋势。研究结果表明：上游来沙基本淤积在航槽进口段，航槽中、下段基本稳定，无明显淤积。建议在航槽进口段预留足够的备淤深度。

动床模型试验；底流特性；卵石输移特性；航槽稳定性

东溪口水道位于长江上游航道里程806.0～816.0km，该水道受上游斗笠子急滩和下游东溪口浅险滩2个连续滩险的影响，航行条件较差，天然情况下不能满足Ⅱ级航道标准。东溪口为枯水急弯险滩，右槽狭窄弯曲，为枯水航槽，右槽左边为卵石碛坝，右边为横梁子与对夹石突咀，上水船舶如抱碛过紧，极易擦浅。下水船舶须骑回流边上的泡漩而下，偏右则落弯扫尾，偏左则触浅打枪，极易发生海损［1］。为促进长江上游经济带的建设，急需对此河段进行航道整治工作，提升东溪口航道等级。

通过数学模型和定床物理模型试验研究，对东溪口左航槽进行疏浚挖槽，将航道等级提升至Ⅱ级［2］。疏浚挖槽是解决出浅碍航问题的主要措施之一，挖槽后航道是否稳定，能否避免泥沙回淤，是该措施是否成功的标志，也是国内外学者一直关注的问题。早在20世纪60年代，列亚尼兹［3］就从理论上研究了当水流方向与挖槽轴线不相一致时，在挖槽中产生的横向环流对挖槽稳定性的影响。1994年，明宗富［4］导出了计算挖槽方向及挖槽最佳断面形态的综合方程式，按该式设计的挖槽能使挖槽内的流速限制在允许范围之内，确保挖槽的稳定性。2003年，张燕菁［5］利用一、二维嵌套的不平衡输沙数学模型，对官厅水库妫水河口拦门沙疏浚挖槽方案进行了数值模拟，分析了影响挖槽回淤的各种因素。近年来，谭昆［6］等以概化模型试验为手段，就挖槽不同挖槽断面型式对挖槽稳定性进行研究，认为疏浚挖槽采用窄深型断面的稳定性较好。目前对疏浚后航道稳定性的研究主要体现在挖槽的平面设计、挖槽断面设计、挖槽轴线方向及挖槽后的水面降落等因素上［7］。

本文研究河段为山区弯曲分汊浅滩河段，该河段的整治挖槽区域较长，上下游卵石运动剧烈，且卵石输移路径可能横跨整个航槽，上述研究方法多不适用于本河段。因此以动床物理模型为试验手段，通过分析整治河段的卵石输移带分布规律、输移带的底流特性及挖槽区的冲淤演变趋势来研究新开航槽的稳定性，可为内河卵石浅滩的航道整治提供借鉴。

1 动床模型试验布置

1.1 模型设计

东溪口水道动床模型铺沙范围从上游王背碛（上游航道里程815km）至白脸石 （上游航道里程806.5km），全长9.5km。尾水以朱沱水文站作为控制，距离模型出口1.5km。为了观察工程河段的推移质输移带分布规律及航槽的冲淤演变趋势，采用分段铺设不同颜色模型沙。东溪口整治区采用天然沙的本色，而在其上游铺染成红色的模型沙。动床铺设区域的床沙选用中值粒径1.5mm的天然砂，加沙（染红的细沙）部分采用中值粒径0.6mm的天然细沙。根据水流和泥沙运动相似条件，东溪口滩动床模型的具体模型比尺如表1。

表1 东溪口水道航道治理物理模型比尺统计

1.2 整治思路及整治方案

1.2.1 整治思路

对秤杆碛左汊进行开挖，并在鸡心碛建顺坝、在称杆碛洲头建鱼嘴坝以引导水流对航槽进行冲刷。

1.2.2 整治方案

沿秤杆碛左汊深泓布置挖槽，设计航槽宽度60m，疏浚后保持在设计水位时满足通航水深的河槽宽度90m；为增大枯水期左槽分流比，进口区域布置在大鸡翅膀附近191m等高线上；出口区域在秤杆碛尾部与190m等高线衔接，总长度1450m，挖槽边坡设置1∶3。为增加新开挖航槽的通航流量、调整航槽流态及保持航槽的稳定性，在左侧鸡心碛及修建了一条顺坝，并对秤杆碛原有碛头坝进行修改，变为碛头鱼嘴坝。顺坝前半段穿过鸡心碛区域修建6个短丁坝与顺坝构成齿坝，主要起拦截泥沙、恢复鸡心碛的作用。

2 左槽卵石输移运动规律

通过实验发现东溪口泥沙主要是通过上游金堆子至大鸡翅膀河段滩面及深槽输沙补给。

2.1 涨水阶段

流量增加至4500m3/s时，大鸡翅膀碛翅及深槽边缘部分有少量卵砾石开始向下运动；流量增加至1.1万m3/s，从上游输向东溪口左槽疏浚区入口的推移质数量大大增加，推移质群体输移速度较快；此后，随着流量的进一步增加，推移质向下输移强度不明显，流量增加至3万m3/s时，输向东溪口左槽的推移质输移带基本不再发生变化。在整个洪水期，东溪口左槽疏浚区除头部区域外，上游基本没有泥沙输移进入航槽的中下段。

2.2 退水阶段

退水初期，流量较大时，东溪口左槽的卵石推移质输移强度不明显。但流量在2万m3/s以下时，在没有得到上游来沙补给前，左槽的输移带上有所冲刷，且随着流量的减小，输移带上的泥沙冲刷增强；流量在1.21万m3/s时，推移质输移带开始进入航槽；至6530m3/s以下时，推移质输移带整体基本不再向前运动，但推移带上的卵石继续向前输移，输移带变薄，头部有少量卵石进入航槽斜向下方输移至秤杆碛一侧边坡位置；真正能够沿着航槽向下输移至航槽中下段的泥沙很少。总体看，航槽进口区域最终淤积厚度在0.8m，中下部航槽基本保持稳定。

3 卵石输移带水流特征

通过试验发现东溪口左槽进口段存在一定的泥沙淤积，因此本文主要分析左槽进口泥沙淤积带的水流特性。由上述卵石输移运动规律可知，在中水流量下卵石运动最为剧烈，故采用超声剖面流速仪测量了1.21万，1.6万m3/s两级流量下左槽输沙带中心线的垂线三维流速，分析河床底流的紊动强度对挖槽区内卵石输移的影响。

3.1 输沙带底流紊动强度对卵石输移的影响

图1 输沙带紊动强度分布

图1为退水过程中，输沙带中心线头部与尾部测点1.6万，1.21万m3/s流量下的各向紊动强度。从图1中可以看出，输沙带头部（左槽进口区域）的底流各向横向紊动强度σv=紊动强度均大于输沙带尾部 （左航槽上游181#断面处）测点的各向紊动强度，且1.21万m3/s流量下测点的各向紊动强度较大，说明推移质泥沙进入航槽后，其紊动扩散能力随着流量的增加而逐渐减小。

3.2 输沙带平面流速分布图

图2为Q=1.21万m3/s时左槽进口段卵石输移带区域底流流速与主流流速的平面分布，短箭头为底部流速的平面分布，长箭头为主流速的平面分布。由图2看出，推移质泥沙在东溪口进口上游分为两汊，左汊挖槽内的底流流向与主流流向一致，而秤杆碛头部的底流指向鱼嘴坝与主流流向形成一定夹角，因此推移质输沙带的头部逐渐向航槽主流方向偏移。航槽进口段较为弯曲，流速沿程减小，输沙能力较上、下游弱，容易造成进口区域的航槽淤积。

图2 东溪口进口区域淤积带流场

4 航槽冲淤演变趋势

4.1 挖槽内输沙能力

选择Meyer-peter（1948年）输沙率公式［9］，计算了4850，6530，1.1万，1.21万，1.6万，2.5万m3/s 6组流量下挖槽区域的输沙率，如表2。

表2 左槽卵石推移质单宽输沙率 单位：kg/s

从表2可以看出，涨水过程中，航槽上段的输沙率随着流量的增加呈现出先增大后减小的趋势，在中水流量Q=1.1万m3/s时输沙率达到最大值，洪水流量下的输沙率较小，泥沙容易淤积；退水过程中，输沙率随着流量的减小而增加；枯水期航槽上段的输沙率远小于航槽中下段，且航槽又弯又长，上游来沙不能及时输至下游，易造成航槽上段的淤积。航槽中、下段输沙率的变化趋势基本一致，在涨水过程中，输沙率逐渐减小，在退水过程中，输沙率逐渐增大，且中、枯水期的输沙率远大于洪水期。挖槽中部区域刚好位于航槽的弯曲转折段，洪水期，挖槽中段的水流强度较上、下游弱，挖槽内床面泥沙易向凹岸侧运动，造成该区域的泥沙淤积；退水过程中，输沙强度随着流量减小而不断增大，航槽中段淤积的泥沙基本能输移至下游，挖槽区中段基本能维持稳定。挖槽下段航槽顺直，中、枯水期输沙强度大，且试验过程中未发现航槽下段有明显的淤积现象，因此挖槽区下段较为稳定。

新开卵石航槽呈现出洪淤枯冲的趋势，挖槽区上段为淤积挖槽，挖槽区中、下部区域基本稳定。

4.2 挖槽稳定性计算

工程中通常采用列亚尼兹的挖槽最佳尺度公式来验证航道挖槽的稳定性，即通过对比挖槽前后工程区域的平均流速，来判断挖槽区是否会有泥沙回淤［8］。

挖槽断面基本公式：

表3 挖槽最佳尺度计算统计

表3统计了各级流量下的挖槽最佳尺寸，航槽上段挖槽内的平均流速均低于挖泥前浅滩上的平均流速，容易产生淤积；航槽中、下段挖槽内的km值普遍大于1，挖槽较为稳定。由此可见，本文的分析结果与传统的挖槽稳定性计算结果基本一致，说明对卵石运动剧烈的弯曲分汊河段的挖槽稳定性的研究方法是可行的，可为卵石运动剧烈的内河浅滩的航道整治提供借鉴。

通过动床试验观察发现航槽进口段淤积现象明显，航槽中段左侧冲刷，右侧略为淤积，航槽下段冲刷现象明显，为保持航槽稳定进口段需预留足够的淤积深度，建议疏浚至191m底高程；航槽中段基本能维持稳定，航槽出口段冲刷明显，可减小疏浚深度。

5 结语

（1）试验观察发现，由于斗笠子顺坝、金堆子、金钟坝上诸多采砂坑的存在及鸡心碛新建顺坝等条件的综合影响，东溪口左槽疏浚区除头部区域外，上游基本没有泥沙输移进入航槽的中下段，中下部航槽基本保持稳定。

（2）通过分析东溪口卵石输移带底流的水流结构发现，在左航槽进口区域，挖槽内的底流流向与主流流向一致，推移质输沙带的头部逐渐向航槽主流方向偏移；航槽进口段较为弯曲，流速沿程减小，输沙能力较上、下游弱，容易造成进口区域的航槽淤积。

（3）得出了航槽的冲淤演变趋势：新开卵石航槽总体呈现出洪淤枯冲的趋势，枯水期航槽上段的输沙率远小于航槽中下段，且航槽又弯又长，上游来沙不能及时输至下游，易造成上段淤积；航槽中、下段无明显淤积现象，航槽较为稳定。

［1］长江重庆航运勘察设计院.长江上游东溪口水道航道整治工程工程可行性研究报告［R］.2016.

［2］杨胜发，胡江.长江上游东溪口水道航道整治工程物理模型试验研究报告（动床部分）［R］.重庆：国家内河航道整治工程研究中心，2016.

［3］田庆奇.黄河下游河道疏浚挖槽效果的概化模型试验研究［D］.北京：中国水利水电科学研究院，2002.

［4］明宗富.航道疏浚优化挖槽设计方法［J］.武汉水利电力大学学报，1994，27（1）：46-52.

［5］张燕菁，张世奇，陈金荣.官厅水库妫水河口拦门沙疏浚的数值模拟研究［J］.泥沙研究，2003，01（7）：45-51.

［6］谭昆，杨祥飞，孙振涛，等.航道整治工程挖槽稳定性研究［J］.重庆交通大学学报（自然科学版），2012，31（3）：517-520.

［7］徐金环，李臣国.航道整治［M］.北京：人民交通出版社，2008.

［8］郭艳.挖槽紊动特性及弯曲分汊河段碛槽开挖稳定性分析［D］.重庆：重庆交通大学，2008.

［9］杨胜发，周华君.内河宽浅变迁河段水沙运动规律研究［M］.重庆：重庆大学出版社，2006.

（责任编辑：王艳肖）

Stability analysis of Dong Xikou newly opened gravel channel

LIAO Jiang-hua1,2,CHEN Yu-dan1,2,CHEN Xing-wen1,2,LI Pei-lin1,2
（1.Key Laboratory of Hydraulic and Waterway Engineering of Ministry of Education,Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074,China;2.National Engineering Research Center for Inland Waterway Regulation,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China）

Dong Xikou newly opened gravel channel is bending and long,upstream and downstream gravel movement of the regulation river reach is violently,which will have an impact on the stability of new sail channel.This paper adopt the movable bed model and theoretical analysis to research the transport(behavior)of gravel bedload in regulation river reach of Dong Xikou to study the bottom flow characteristics in the sediment deposition area,and to calculate the sediment transporting capacity of left channel.By using automatic shaping method for predicting the riverbed dredged channel erosion and deposition evolution trend.The research indicates that upstream sediments mainly deposit in the import area of the channel,there are no obvious siltation in the middle and export of the channel，and these parts of channel basic remain stable.So the sufficient deposition depth is recommended in the inlet section of the channel.

the movable bed model test；the bottom flow characteristics；the gravel transport characteristics；the waterway stability

TV142

B

1672-9900（2017）01-0082-04

2016-12-28

廖江花（1992-），女（汉族），重庆人，硕士，主要从事航道整治方面的研究，（Tel）13637864538。