长江中游牯牛沙水道河床演变规律及整治措施研究

朱玉德，李旺生，刘万利，崔喜凤，邢顺敬

（交通部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室,天津300456）

鹅头形河道是冲积平原河流中的一种常见河型，在我国以长江中下游居多，这类河型分为单一型和分汊型，形态复杂、放宽率大。河道变化基本上伴随主流线摆动，并由此引起滩地的侵蚀或淤积，同时在洪枯水不同的流路间容易淤积形成浅滩而碍航，是一种较不稳定的河型。研究鹅头形河道的演变及浅滩碍航成因是治理的前提条件。本文以长江中游牯牛沙水道河床演变分析［1-2］为基础，通过对水道整治原则、整治思路及航道整治工程措施等问题的分析研究，最终确立了该水道航道整治方案。

1 工程河段概况

牯牛沙水道位于长江中游湖北省境内，上起西塞山，承接黄石水道，下迄叶家湾，连接蕲春水道，属单一鹅头形弯曲河型（图1）；水道浅区位于西塞山至茅山港的过渡段内，为矶头控制下的放宽浅区。河段航道维护尺度为4.0 m×100 m×1 050 m（水深×航宽×弯曲半径，下同），保证率98%。到2020年规划航道标准为4.5 m×200 m×1 050 m，保证率为98%。

近十余年来，尤其是2003年三峡水库蓄水后，受上游来沙量减少、来水过程变化及河道采砂等因素影响，牯牛沙边滩逐渐冲蚀后退，滩体宽度变窄、高程降低，枯水期河道放宽，水道通航条件不断恶化，导致牯牛沙水道逐渐成为长江中游重点碍航水道。随着三峡水库正常蓄水运行，上游来沙量将继续减少，牯牛沙水道右边滩自然还滩能力进一步减弱。

图1 长江牯牛沙水道示意图Fig.1 Sketch of Guniusha waterway

2 来水来沙特性

河段水沙特性主要表现为［1-3］以下三方面。

（1）牯牛沙水道年内水量分布不均。涨水期一般在4～6月，7～9月为洪水期，9～12月为退水期，次年1～3月则为枯水期，每年5～9月共4个月的总水流量约占全年的60%，而枯水期1～4月的总水流量仅约占全年的16%。

（2）河段的水位流量关系具有明显的逆时针绳套关系；河段比降随流量的变化同水位流量关系一致，为顺时针绳套关系。

（3）河段的含沙量和输沙量比较小，河床变形主要由悬移质泥沙冲淤产生，推移质运动的沙量不大。虽然推移质沙量远小于悬移质沙量，但在中枯水期的河床变形中，推移质泥沙运动却有着十分重要的作用。

3 河段河床演变［1-5］

（1）黄石、牯牛沙两水道的弯曲方向相反且其间无明显过渡段。牯牛沙水道的上游是黄石水道，黄石水道为逆时针方向的弯曲河型，平面上呈明显“半圆”形，两端窄中间宽，弯顶位于黄石大桥下游的猫儿矶（右岸）。牯牛沙水道为顺时针方向的弯曲河型，和上游黄石水道弯曲走向相反，形态上两弯道间不存在明显的过渡性河段。

（2）西塞山节点的导、挑流作用是牯牛沙水道上深槽形成的主要原因。黄石水道的出口即为牯牛沙水道的进口，牯牛沙水道进口受西塞山和周家湾双节点控制，左、右对峙的节点对水流起到了明显钳制作用。由于右岸的西塞山节点凸入河槽，对水流产生明显的导、挑作用，而水流同时受左岸周家湾节点的挤压，在双重作用下西塞山附近（河床收缩断面）形成一个巨大的深槽，该冲刷坑即为牯牛沙水道的上深槽。

（3）牯牛沙水道弯曲的河势是下深槽形成的主要原因。牯牛沙水道的上深槽自西塞山冲刷坑向下延伸至花家屯附近，上深槽一般位于河心。受牯牛沙水道弯曲河势影响的下深槽一般靠近左岸（凹岸）。上、下深槽的成因不同且受河宽增大的影响，花家屯至茅山港河段存在双槽，即位于河心的上深槽和位于左岸边的下深槽，该段的上深槽多宽浅，下深槽则相对窄深。

（4）不同水文条件下，牯牛沙水道的上、下深槽平面位置的变化是浅滩出浅与否的主要原因之一。受河型、河势影响而形成的双槽河段一般情况下均存在过渡段浅滩，双深槽河段存在的浅滩是否碍航取决于航道等级的设定和上、下深槽的平面位置沟通情况，如果上、下深槽间南辕北辙产生脱离，则航道条件恶化、浅滩碍航；若上、下深槽横向拢靠，则主流收束，航槽将在落水期不会因水流分散而来不及冲深，航道水深将改善而成为不碍航浅滩，即优良浅滩。对于牯牛沙水道来说，若上深槽右偏，因弯道而形成的下深槽就会后退，两深槽出现脱节，浅滩碍航；若牯牛沙浅滩上深槽左偏，由于左侧的单宽流量加大，浅区河段弯道效应加大，下深槽上提，上、下深槽衔接沟通，浅滩不碍航，这是牯牛沙过渡段浅滩发育和消亡变化的原因之一。

（5）牯牛沙水道上深槽右偏、下深槽衰退导致近年来牯牛沙水道过渡段航道条件恶化。牯牛沙浅滩为过渡段浅滩，动力轴线的变化、浅滩位置的左右变动及右边滩的发育或蚀退具有十分密切的关系。2003年以前，牯牛沙水道河势比较稳定，长期维持优良的航道条件。但2003年后，受上游三峡水库蓄水后来水来沙变化等因素影响，牯牛沙右边滩遭蚕食（包括人为采砂），中枯水河宽增大、水流动力轴线变化空间加大，浅区上深槽右偏、下深槽衰退，上、下深槽横向错开，洪水期在过渡段形成的局部沙埂、沙包在中枯水期由于水流分散而来不及冲刷，影响航道畅通。目前牯牛沙浅滩碍航较为严重，三峡水库175 m蓄水运用后将可能加剧牯牛沙边滩的蚀退，使过渡段航道条件进一步恶化。

4 整治原则及整治参数［3］

4.1 整治原则

根据牯牛沙水道过渡段浅滩的水动力特点、浅滩演变特点、河床演变趋势以及浅滩治理目标、外部条件等，提出牯牛沙水道航道整治原则：（1）保持现有河道格局，促使航道条件朝有利方向发展；（2）固滩促淤，束窄过渡段河宽，集中水流冲刷枯水航槽；（3）治理方案与河势控制规划一致，与地方港口规划相协调，对防洪、堤防基本无影响。

4.2 整治参数

采用1982年确定的航行基准面作为设计水位，即牯牛沙水道设计水位为6.95 m（黄海高程）。通过经验公式计算，参照已建工程以及模拟优良河段等方法综合确定，当整治水位取3 m时，牯牛沙水道整治线宽度取1 300 m。

5 整治措施研究

5.1 航道治理的基本思路［1，6］

当受西塞山挑流影响的过渡浅区上深槽右偏时，牯牛沙右边滩中上段就会冲蚀后退，枯水河宽增大，因弯道环流而形成的下深槽就会后退，两深槽出现脱节及浅滩碍航；当牯牛沙过渡浅区上深槽左偏时，左侧的单宽流量加大，浅区河段弯道效应加大，下深槽上提，上、下深槽衔接沟通，浅滩不碍航，这是牯牛沙过渡段浅滩发育和消亡的主要表现。

因此牯牛沙河段整治目标就是要将上、下深槽沟通并稳定起来。对应的航道治理思路有2种：一是改变上深槽的横向位置，二是改变下深槽的横向位置。第一种治理思路实施方案是在牯牛沙右边滩修建建筑物，限制主流右摆，一定程度的恢复边滩，遏制枯水河宽增大趋势，使浅滩流速适当增加而少淤或多冲；第二种治理思路的实施方案是在下深槽倒套进行填槽，减少倒套吸流，集中水流冲刷过渡段浅埂，2种思路殊途同归，使上、下两槽上下沟通。由于上深槽变化是下深槽变化的诱因，因此解决牯牛沙过渡浅滩碍航问题的最佳途径是从上深槽入手。

5.2 整治措施研究［1-2］

通过对河段水动力条件的分析，结合对河段河床演变以及治理思路的认识，针对河段存在的碍航问题，借助河工模型试验对方案进行优化，其中第一种治理思路是在牯牛沙水道右边滩设置丁坝群，河工模型分别对丁坝个数、长度、间距进行试验，结果表明整治效果明显；第二种治理思路是改变下深槽，降低弯道环流作用，增加上下深槽过渡段流速，水流条件试验成果表明这类方案对过渡浅区航槽流速增加有限，通过比选最终确定了该河段推荐方案。

（1）推荐方案布置。于牯牛沙浅区右边滩沿整治线布置4道丁坝，其中前3条为勾头丁坝，目的是集中水流冲刷浅埂，丁坝坝头顶部为航行基面上2 m，纵坡1：300，同时在工程区左岸实施岸滩加固工程，工程布置见图2。

（2）工程治理效果。定床试验表明：工程实施后各级流量下工程区上游水位虽有壅高，但壅高的幅度不大，壅高最大值0.05 m（流量为11 900 m3/s）；右岸坝田区处于回流、弱流区，中枯水水位较天然情况略有减小；随流量增大水位变幅越来越小，40 000 m3/s流量时水位已经基本无变化，水位的微幅变化对岸坡以及防洪的影响较小。工程实施后，上、下深槽过渡段浅区断面流速增大明显，11 900 m3/s流量下断面平均流速增幅在10%～20%，中枯流量下浅区流速增大有利于过渡段浅区落水冲刷。

图2 牯牛沙水道航道整治工程方案布置图Fig.2 Regulation project layout of Guniusha waterway

图3 工程后航道水深图Fig.3 Depth of channel after regulation

动床试验表明：工程实施后过渡浅区整治线内流速增加，冲刷效果明显；经系列水文年后，上、下深槽4.5 m等深线方案后能全线贯通（方案实施后2003～2006系列年航道水深见图3），河段航道满足4.5 m×200 m（水深×航宽）航道建设标准要求。丁坝坝头水流较为平顺，坝头局部冲刷坑约3 m。

河工模型试验表明牯牛沙水道航道整治总体推荐方案实施后，可以达到河段远期规划航道尺度要求。但需要特别关注长江中下游平原河流中修建丁坝等整治建筑物的稳定性。

6 结论

（1）牯牛沙浅滩段航道条件近期趋于恶化，主要原因是牯牛沙右边滩蚀退，中枯水河宽增大、水流动力轴线变化空间加大，浅区上深槽右偏、下深槽衰退。

（2）分析认为牯牛沙浅区上深槽的变化是下深槽变化的诱因，解决牯牛沙浅滩碍航问题应从上深槽入手。

（3）借助河工模型试验探索了航道整治工程方案，提出了基于河床演变分析所确立的治理思路，满足航道建设标准的浅区河段航道治理总体推荐方案。河工模型试验表明牯牛沙水道航道整治推荐方案实施后，可以达到河段远期规划航道尺度要求。

［1］朱玉德，刘万利.长江中游牯牛沙水道航道治理工程物理模型定床试验研究［R］.天津：交通部天津水运工程科学研究所，2007.

［2］朱玉德，刘万利.长江中游牯牛沙水道航道治理工程物理模型动床试验研究［R］.天津：交通部天津水运工程科学研究所，2008.

［3］蔡大富，李文全.长江中游牯牛沙水道航道整治工程工程可行性研究报告［R］.武汉：长江航道规划设计研究院，2009.

［4］李旺生，朱玉德.长江中游沙市河段河床演变分析及趋势预测［J］.水道港口，2006（5）：223-226.LI W S，ZHU Y D.Some thoughts about technical problem on regulation of waterway in the middle and lower reach of the Yangtze river［J］.Journal of Waterway and Harbor，2006（5）：223-226.

［5］李旺生.长江中下游航道整治技术问题的几点思考［J］.水道港口，2007（6）：418-424.LI W S.Some thoughts about technical problems on regulation of waterway in the middle and lower reach of the Yangtze River［J］.Journal of Waterway and Harbor，2007（6）：418-424.

［6］张明进.长江中游戴家洲河段航道整治工程数学模型研究报告［R］.天津：交通部天津水运工程科学研究所，2007.