李 艷，劉亞輝，周 勤，張緒進(jìn)

(重慶西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所，重慶 400016 )

東江是珠江水系三大河流之一，發(fā)源于江西省尋鄔縣椏髻缽，上游稱尋鄔水，南流入廣東境內(nèi)，至龍川合河壩定南水匯入后，稱東江。干流自源地至東江口全長(zhǎng)562 km，流域面積35 340 km2，占珠江流域面積的5.96%。東江干流自發(fā)源地由東北向西南流經(jīng)廣東省龍川、河源、紫金、博羅、惠陽(yáng)等縣(市)，至東莞市石龍鎮(zhèn)分南(東莞水道)、北(東江北干流)兩支注入獅子洋。石龍以上至發(fā)源地長(zhǎng)520 km，主要支流自上而下有貝嶺水、浰江、新豐江、秋香江、公莊水、西枝江、石馬河等。石龍以下稱東江三角洲，屬珠江三角洲的一部分。

東江是廣東省中東部水運(yùn)通道之一，為滿足腹地經(jīng)濟(jì)對(duì)水運(yùn)發(fā)展的需要，充分發(fā)揮東江航道的潛能，廣東省航道局已組織完成了東江河源至石龍航道擴(kuò)能升級(jí)工程預(yù)可行性研究工作。目前在預(yù)可行性研究的基礎(chǔ)上，廣東航道局正組織有關(guān)單位開展該工程的可行性研究工作。東江河源至石龍航道擴(kuò)能升級(jí)工程起點(diǎn)為河源市獨(dú)石大橋，途經(jīng)惠州市，終點(diǎn)為東莞市石龍鐵路橋，總長(zhǎng)約223 km，自上而下已建有木京、風(fēng)光、瀝口和劍潭4座樞紐(圖1)。東江航道擴(kuò)能升級(jí)工程擬開展上述223 km河道的航道整治，并配合木京、風(fēng)光、瀝口和劍潭四座樞紐新建1 000 t級(jí)二線船閘，將東江河源至石龍段航道等級(jí)提高至Ⅲ級(jí)，其設(shè)計(jì)航道尺度為2.5 m×60 m×330 m，航道通航保證率95%[1-3]。

按照目前已建梯級(jí)情況，東江(河源至石龍段)可分為木京庫(kù)區(qū)、木京樞紐至風(fēng)光樞紐、風(fēng)光樞紐至瀝口樞紐、瀝口樞紐至劍潭樞紐、劍潭樞紐至石龍大橋共5個(gè)河段。該航道的主要特點(diǎn)是受梯級(jí)建設(shè)影響大，要求的航道等級(jí)提升幅度大，部分航段將由Ⅵ級(jí)直接提高至Ⅲ級(jí)，需要疏浚開挖的航段長(zhǎng)、工程量大，這就決定了東江河源至石龍航道擴(kuò)能升級(jí)工程難度較大，特別是在劍潭樞紐庫(kù)尾(橫瀝)以上至瀝口樞紐段(長(zhǎng)約50 km)現(xiàn)仍為天然的未渠化河道，按照Ⅲ級(jí)航道2.5 m航深整治要求，需要開挖的淺段長(zhǎng)、工程量大，航道穩(wěn)定難度大。因此，從現(xiàn)狀航道條件綜合分析， 東江(河源至石龍段)航道提級(jí)整治仍存在較大的技術(shù)難度，本文就其中可能存在的研究難點(diǎn)作初步分析。

圖1 工程所在地理位置

1 研究河段概況

目前，東江(河源至石龍段)航道現(xiàn)狀是：河源獨(dú)石大橋至河源東江大橋?yàn)閂I級(jí)航道，設(shè)計(jì)航道尺度為0.8 m×20 m×120 m，可通航100 t級(jí)船舶；河源東江大橋至惠州市惠州大橋?yàn)閂級(jí)航道，設(shè)計(jì)航道尺度為1.5 m×40 m×260 m，可通航300 t級(jí)船舶；惠州市惠州大橋至東莞石龍鐵路橋?yàn)镮V級(jí)航道，可通航500 t級(jí)船舶，設(shè)計(jì)航道尺度為2.0 m×50 m×330 m。研究河段自上而下已建有木京、風(fēng)光、瀝口和劍潭4座樞紐，其中，風(fēng)光樞紐雖已建成，但未按設(shè)計(jì)水位運(yùn)行，庫(kù)尾至木京壩址仍有長(zhǎng)約8 km的河段處于變動(dòng)回水區(qū)，部分航段與擬升級(jí)的Ⅲ級(jí)航道要求仍有差距；瀝口水電站在2008年施工后，因工程一直處于未完工狀態(tài)，阻斷了河源—惠州段航道，若瀝口電站按設(shè)計(jì)正常運(yùn)行，則其庫(kù)尾至風(fēng)光樞紐壩下水位基本銜接，但風(fēng)光樞紐壩下航段不能滿足Ⅲ級(jí)航道尺度要求；瀝口與劍潭樞紐之間規(guī)劃的下磯角樞紐尚未實(shí)施，劍潭庫(kù)尾橫瀝以上—瀝口長(zhǎng)約50余公里的河段仍處于自然狀態(tài)，按照Ⅲ級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)尺度要求，除少數(shù)挖沙河段外，該航段水深嚴(yán)重不足，涉及灘險(xiǎn)數(shù)量多、分布密集、持續(xù)距離長(zhǎng)，河段淺灘總計(jì)長(zhǎng)達(dá)近40 km。此外，多年來(lái)東江人為采砂活動(dòng)頻繁，采砂河段多、采砂量大、范圍長(zhǎng)，引起河床沖淤和河段水文變化大，河床顯著下切，沿程水位逐年顯著降低。

在本世紀(jì)初，為實(shí)現(xiàn)東江河源至惠州、惠州至河口段航道提檔升級(jí)，曾對(duì)該段航道開展過(guò)研究和整治工作。目前，在東江上已建的大多數(shù)整治建筑物等均是該時(shí)期所修建。東江河段航道目前存在的主要問(wèn)題是：在樞紐下游近壩區(qū)及庫(kù)尾回水變動(dòng)區(qū)河段，由于壩下清水沖刷、庫(kù)尾回水變動(dòng)區(qū)河床沖淤變化和頻繁的采砂活動(dòng)，河床演變較為劇烈。特別是在橫瀝至瀝口段還存在較長(zhǎng)的天然河段，水深淺，灘險(xiǎn)流速較大，通航條件差，航道等級(jí)較低。

2 研究技術(shù)難點(diǎn)分析

2.1 長(zhǎng)河段各特征水位的確定

航道整治的前提是根據(jù)整治標(biāo)準(zhǔn)分析確定設(shè)計(jì)流量和整治流量及對(duì)應(yīng)的水位，其中設(shè)計(jì)水位、整治水位及其他特征水位的確定是研究河段航道整治的前提，是進(jìn)行航道整治規(guī)劃、工程設(shè)計(jì)及施工的基本依據(jù)[4]。

以設(shè)計(jì)水位為例，確定整治河段沿程設(shè)計(jì)水位的通常做法是建立水流數(shù)學(xué)模型，入口采用設(shè)計(jì)流量作為上游控制邊界，出口采用給定的水位自下而上進(jìn)行推求。東江(河源至石龍段)研究河段總長(zhǎng)達(dá)223 km，受樞紐分割的影響，數(shù)學(xué)模型建模時(shí)也應(yīng)分段進(jìn)行。此外，東江沿線經(jīng)過(guò)的城鎮(zhèn)較多，邊界條件大多變化較大，且該河段曾歷經(jīng)整治，沿河兩岸已建數(shù)百座丁壩，歷史整治建筑物對(duì)工程河段影響也較大，一定程度上增加了數(shù)學(xué)模型建模的難度。因此，為了確保計(jì)算的準(zhǔn)確性，使計(jì)算成果能較好地反映工程河段實(shí)際情況，一方面需要廣泛收集工程上游河段河源站、整治河段嶺下水文站及下游博羅站的水文泥沙、研究河段內(nèi)木京、風(fēng)光、瀝口和劍潭等四座已建樞紐的建設(shè)與調(diào)度、研究河段前期航道整治等基礎(chǔ)資料，使得建模前的準(zhǔn)備工作大大增加；另一方面建模時(shí)需根據(jù)河勢(shì)特點(diǎn)，考慮典型灘段、彎道段、卡口控制河段、各特征建筑物尤其是研究河段歷史上修建的大量整治建筑物等對(duì)計(jì)算成果的影響。受木京、風(fēng)光、瀝口、劍潭等樞紐分割的影響，數(shù)學(xué)模型需分成5段進(jìn)行建模。同時(shí)還需考慮較大支溝入?yún)R的影響，使數(shù)學(xué)模型能較好的反映整個(gè)河道的實(shí)際特點(diǎn)，這些都增加了模型建立的復(fù)雜性。

由于航道整治設(shè)計(jì)、相應(yīng)的物理模型試驗(yàn)、水資源論證、防洪評(píng)價(jià)等專題均需相關(guān)特征水位資料方能開展，因此能否正確確定長(zhǎng)河段特征水位成為東江(河源至石龍段)航道整治研究的技術(shù)難題之一。

2.2 灘險(xiǎn)特性及成因分析

灘險(xiǎn)特性及成因分析是制定航道整治措施的基礎(chǔ)，需要掌握研究河段各灘險(xiǎn)的特性和成因，以便制定整治原則、整治措施和整治方案。按照Ⅲ級(jí)航道設(shè)計(jì)尺度要求，對(duì)照2016年及2017年最新地形測(cè)圖，東江(河源至石龍段)航段灘險(xiǎn)共有17個(gè)(表1)。總的來(lái)看，研究河段灘險(xiǎn)以礙航淺灘為主，主要礙航情況為水淺、航深不足。

從東江歷史演變情況來(lái)看，大體上河型河勢(shì)總體保持穩(wěn)定狀態(tài)，但近年來(lái)受樞紐建設(shè)、城市發(fā)展、整治建筑物以及河道采砂的影響[5]，研究河段已經(jīng)發(fā)生較大的演變，原來(lái)的河型河勢(shì)演變規(guī)律與現(xiàn)今的演變特點(diǎn)已有一定的變化，各灘險(xiǎn)特性和成因較歷史的研究成果已有較大的變化。由于本次東江整治河段河床演變影響因素較多，增加了各灘段灘險(xiǎn)特性及成因分析的難度與復(fù)雜性。受樞紐建設(shè)的影響，研究河段灘險(xiǎn)一部分位于樞紐壩下近壩河段(下一級(jí)樞紐庫(kù)尾河段)，這類河段受樞紐運(yùn)行影響較大：如木京壩下、風(fēng)光庫(kù)尾的木京、東源和黃沙等3處淺灘，總長(zhǎng)8.5 km；風(fēng)光壩下、瀝口庫(kù)尾的黃牛淺灘，總長(zhǎng)3.5 km；一部分灘險(xiǎn)位于橫瀝至瀝口天然河道，如猛虎跳墻、觀音閣、嵐派、橫嶺、蘆洲、秀嶺、沙梨園、鵝塘洲、瘦狗龍、嶺下、鐵冶派、墨園等12處淺灘，總長(zhǎng)度約39 km(圖2)。設(shè)計(jì)流量238 m3/s(綜合歷時(shí)保證率95%流量)下，航槽內(nèi)水深多在1.0～1.5 m，局部最小水深僅0.5 m，其中急彎段(沙梨園淺段)還存在掃灣斜流的問(wèn)題。研究河段航深明顯減小，淺灘上、下相連，形成長(zhǎng)達(dá)40余公里的特長(zhǎng)淺區(qū)。同時(shí)，研究河段為主要采砂河段，蘆洲上游的檳榔潭河段、瘦狗龍下游的新榮村、墨園石仔山以下至橫瀝河段均為大規(guī)模采砂區(qū)，河床失沙嚴(yán)重，河段其它局部也有采砂活動(dòng)。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及收集近15年河床地形資料分析，受過(guò)量采砂影響，被采河段河床整體大幅下切，普遍下切深度達(dá)6～9m；一些非采砂河段因采砂引起的水位降低、流速增大，也呈現(xiàn)出普遍的沖刷、下切態(tài)勢(shì)，近15年來(lái)河床普遍降低了2～3 m左右。工程河段采砂對(duì)河床演變的影響較大。另外，研究河段本世紀(jì)初曾進(jìn)行過(guò)航道整治，沿河兩岸修建了大量的丁壩，起到了“固灘束水”的作用，大部分航段航槽趨于基本穩(wěn)定。但受無(wú)序且過(guò)量的采砂活動(dòng)的影響，河道平衡被打破，航道穩(wěn)定亦受到嚴(yán)重影響。

因此，分析研究整治河段多因素影響下的河床演變規(guī)律，正確找出其中的灘險(xiǎn)特性變化及成因演變規(guī)律，需在廣泛收集相關(guān)基礎(chǔ)資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合各階段原型觀測(cè)資料，并借鑒類似江河已有的研究成果，為制定整治原則、措施及整治方案打下可靠基礎(chǔ)，也是本項(xiàng)目的研究重點(diǎn)及技術(shù)難點(diǎn)。

2.3 整治原則的確定

研究河段總長(zhǎng)達(dá)223 km，灘險(xiǎn)眾多、灘性各異，而有針對(duì)性的提出不同區(qū)段、不同類別及各具體灘險(xiǎn)的整治原則，是制定整治方案的關(guān)鍵所在。

按照分類，東江(河源至石龍段)整治河段可分為兩類，一類是樞紐壩下減水河段或水庫(kù)回水變動(dòng)區(qū)段的整治，另一類是橫瀝至瀝口天然長(zhǎng)河段的整治。根據(jù)以往類似工程經(jīng)驗(yàn)，整治措施宜根據(jù)淺灘、急灘、險(xiǎn)灘的不同礙航性質(zhì)而分別制定，如巖石河床整治以炸礁為主，沙卵石河床以疏浚為主、輔以筑壩相結(jié)合[6-9]。東江大多屬于砂質(zhì)河床，顆粒級(jí)配分析成果為中值粒徑在0.5～3.55 mm之間。受人類活動(dòng)影響，特別是大量無(wú)序采砂對(duì)河道生態(tài)環(huán)境的破壞，研究河段水位大幅下降(據(jù)嶺下站水文資料，枯季水位降落可達(dá)2 m以上)，水深明顯減小(最小水深僅0.5 m)，原有分散的淺灘已上下連接成一片，航道條件嚴(yán)重惡化，必須采取基建性疏浚才能挖出符合設(shè)計(jì)要求的Ⅲ級(jí)航道。由于研究河段現(xiàn)狀情況是淺灘連片、水深淺且淺區(qū)長(zhǎng)，距設(shè)計(jì)要求的航道尺度相差甚大，欲達(dá)到Ⅲ級(jí)航道2.5 m設(shè)計(jì)水深的建設(shè)目標(biāo)，需進(jìn)行特長(zhǎng)淺灘整治。

圖2 橫瀝至瀝口段天然河段淺灘分布

除遵循一般沙質(zhì)淺灘整治研究方法外，對(duì)現(xiàn)有河勢(shì)的控制、整治后穩(wěn)定航槽的維持(如與采砂的相互影響關(guān)系)等都是特長(zhǎng)淺灘整治面臨的難點(diǎn)與關(guān)鍵問(wèn)題，不僅僅是簡(jiǎn)單的疏浚就能解決的。

河勢(shì)穩(wěn)定是航槽穩(wěn)定的基礎(chǔ)，研究河段為平原性河流，沙質(zhì)河床，沖淤變化較明顯。經(jīng)過(guò)社會(huì)各方的多年治理，沿河兩岸堤防已較完善，河道節(jié)點(diǎn)受到保護(hù)，該河段河勢(shì)總體基本穩(wěn)定，在此基礎(chǔ)上還需加強(qiáng)對(duì)薄弱環(huán)節(jié)的保護(hù)。此外，受多種因素的影響，特長(zhǎng)淺區(qū)疏浚航槽的沖淤變化相對(duì)復(fù)雜，整治難度大，可借鑒的經(jīng)驗(yàn)不多。同時(shí)研究航段曾歷經(jīng)整治，基本形成了較合理的中枯水航槽走向，如何系統(tǒng)地與既有整治建筑物相配合，共同達(dá)到調(diào)節(jié)水流、束水攻沙、維持航槽穩(wěn)定的目的，這都成為本次東江(河源至石龍段)特長(zhǎng)淺灘整治原則提出的制約性問(wèn)題。

2.4 航槽穩(wěn)定性

東江航道擴(kuò)能升級(jí)工程大部分灘為淺灘，需按照航道整治標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行疏浚或者開挖新航槽，如何維持疏浚后航槽的穩(wěn)定是各灘整治面臨的共同問(wèn)題。由于東江現(xiàn)狀航道等級(jí)相對(duì)較低，河源至石龍河段將提高至Ⅲ級(jí)，對(duì)不少河段而言，需要開挖航槽的里程長(zhǎng)，開挖深度較深，例如橫瀝至瀝口段有接近40 km的河段需要連續(xù)開挖整治，最大疏浚深度達(dá)3.0 m，整治后挖槽局部回淤難以避免。由于研究河段淺灘多，淺段長(zhǎng)，水沙條件復(fù)雜，在彎曲段、過(guò)渡段水流動(dòng)力軸線擺動(dòng)較大，各淺段輸沙能力大小不一，加上來(lái)水來(lái)沙的不均衡性和人類活動(dòng)(如過(guò)量采砂)等多種因素的影響，局部挖槽存在一定量的泥沙回淤問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)可能造成航深不足影響船舶通航。

東江水量不大，輸沙能力有限，整治難度大。特別是近十幾年來(lái)大規(guī)模采砂引起水位大幅下降，航槽普遍出淺(最小水深僅0.5～1.0 m)，與Ⅲ級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)相差甚遠(yuǎn)。目前國(guó)內(nèi)外采用整治方法大幅提升特長(zhǎng)、特淺沙質(zhì)河段的航道等級(jí)尚無(wú)先例，加之人為采砂活動(dòng)的影響(河段受過(guò)量采砂影響較短時(shí)間內(nèi)尚難達(dá)完全穩(wěn)定狀態(tài))，如何保持長(zhǎng)河段開挖航槽的穩(wěn)定是較為困難的，因此航槽穩(wěn)定性本身就是項(xiàng)目實(shí)施的技術(shù)難點(diǎn)和重點(diǎn)。

2.5 梯級(jí)建設(shè)對(duì)航道條件的影響

水庫(kù)調(diào)度首先是確保工程本身防洪安全，發(fā)揮水庫(kù)的防洪作用，在保證防洪安全的前提下，兼顧發(fā)電、航運(yùn)和排沙。通過(guò)在河流上建設(shè)多級(jí)綜合水利樞紐工程來(lái)滿足流域防洪、發(fā)電、航運(yùn)、供水、生態(tài)等多方面的效益。但與此同時(shí)，梯級(jí)水庫(kù)調(diào)度改變了河流天然的水文過(guò)程，對(duì)其下游航道通航條件也產(chǎn)生了明顯的影響[10-11]。

目前東江上木京、風(fēng)光、瀝口、劍潭等樞紐相繼投入使用，水庫(kù)的調(diào)水?dāng)r沙作用在一定程度上改變了東江的來(lái)水來(lái)沙條件，對(duì)各灘的泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律、河床沖淤演變、航道尺度、水流條件的影響值得關(guān)注。另外電站下泄非恒定流亦對(duì)各灘的通航水流條件產(chǎn)生一定的影響。因此，電站運(yùn)行導(dǎo)致的下游航道變化、電站下泄基流是否能夠滿足東江航運(yùn)基流的要求，這些問(wèn)題的研究，均需收集已建及規(guī)劃的電站梯級(jí)資料，分析其運(yùn)行方式對(duì)樞紐上、下游河段水沙條件的影響，結(jié)合理論分析、數(shù)模計(jì)算或物理模型試驗(yàn)研究，分析梯級(jí)建設(shè)對(duì)航道整治工程的影響，并提出對(duì)策。

3 結(jié)語(yǔ)

東江航道擴(kuò)能升級(jí)工程擬通過(guò)航道整治，并配合工程河段內(nèi)樞紐新建1 000 t級(jí)二線船閘，將東江河源至石龍段航道等級(jí)提高至Ⅲ級(jí)，航道設(shè)計(jì)水深滿足2.5 m。結(jié)合東江航道實(shí)際情況并就其中的航道整治研究難點(diǎn)進(jìn)行了初步分析，認(rèn)為其主要存在各特征水位確定、灘險(xiǎn)特性及成因分析、整治原則、航槽穩(wěn)定性、梯級(jí)建設(shè)對(duì)航道條件的影響等五個(gè)方面的技術(shù)難題。東江1 000 t級(jí)航道的整治是一個(gè)綜合性工程，本文的分析以期能為類似整治工程的研究提供積極的參考價(jià)值。