王建軍, 楊云平, 李曉星, 王晨陽, 徐俊鋒

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 工程泥沙交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津300456)

近年來，隨著流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)航運(yùn)的需求增加，急需進(jìn)一步提高航道尺度。對(duì)于韓江下游河道而言，國(guó)內(nèi)學(xué)者在徑流豐枯、周期性演化[1-5]、泥沙輸移量[6]等方面開展了大量研究工作，闡明了流域水沙輸移規(guī)律及其成因。在河道沖淤方面：1989—2008年期間，韓江上下游呈現(xiàn)不同的沖淤變化趨勢(shì)，上游河段呈淤積趨勢(shì)，而下游河段呈沖刷趨勢(shì)，并預(yù)計(jì)今后一段時(shí)期內(nèi)，總體上仍將維持現(xiàn)有河勢(shì)[7]；1960—1998年期間韓江下游及三河洲區(qū)域河床沖刷主要是人工無序挖砂所致[8]；采砂活動(dòng)已使得留隍站平均水位下降了0.6 m，也會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響[9-10]。在通航條件上：利用1974—2006年資料，計(jì)算了不穩(wěn)定流及河床下切條件下的韓江干流航道設(shè)計(jì)最低通航水位[11]，并發(fā)現(xiàn)潮安站最低通航水位增加30%，北江、西江等均降低30%左右[12]。韓江中下游存在大量的采砂活動(dòng)，對(duì)通航水位產(chǎn)生明顯影響[13]。隨著韓江干流樞紐工程建設(shè)，通航水位得到一定改善，給航道水深提高帶來了有利條件。近期，廣東省航道局啟動(dòng)了“韓江三河壩至潮州港航道擴(kuò)能升級(jí)工程”項(xiàng)目，通過必要的工程措施，將全線航道等級(jí)提升為1 000 t級(jí)(或500 t級(jí))。已有研究成果總結(jié)了河道演變、設(shè)計(jì)水位變化，隨著航運(yùn)需求增加，需進(jìn)一步研究河道沖淤變化、航道水深進(jìn)一步提高的可能性，為航道擴(kuò)能升級(jí)工程論證工作提供支撐。

本研究收集了2002—2017年期間5套地形圖，分析了河道沖淤量、斷面及深泓變化，利用平面二維數(shù)學(xué)模型手段，研究確定了韓江高陂樞紐至東山樞紐段的設(shè)計(jì)最低和最高水位，并模擬計(jì)算了整治工程實(shí)施后航道條件變化，論證航道水深提高的技術(shù)可行性。

1 研究區(qū)域河道及航道概況

1.1 河道概況

韓江發(fā)源于廣東省紫金縣七星崠，梅江為主干流，由西南向東北流經(jīng)五華、興寧、梅縣至大埔的三河壩與汀江匯合后稱韓江，而后折向南流，經(jīng)豐順、潮州、澄海、汕頭等縣市，于汕頭、澄海兩市匯入南海(圖1a)。主要支流有汀江、五華水、寧江、石窟河和梅潭河，干流全長(zhǎng)約470 km，流域集水面積約30 112 km2。韓江三河壩以上稱為上游，三河壩至潮州竹竿山為中游，竹竿山以下為下游，至潮州市進(jìn)入韓江三角洲河網(wǎng)區(qū)，分為東溪、西溪、北溪，由下游五閘入海。本文研究區(qū)域?yàn)轫n江高陂樞紐至東山樞紐河段，河段全長(zhǎng)約37 km (圖1b)。

a) 韓江流域 b)高陂樞紐—東山樞紐圖1 韓江流域和中游高陂樞紐至東山樞紐河道位置及斷面

1.2 航道及樞紐運(yùn)行狀態(tài)

三河壩至廣濟(jì)橋段已按V級(jí)航道整治建設(shè)，同時(shí)河段已建東山樞紐、潮洲樞紐，在建高陂樞紐，規(guī)劃建設(shè)有葛布樞紐，已建船閘有東山船閘、南溪橋閘、東里橋閘。廣東省航道局于近期啟動(dòng)了“韓江三河壩至潮州港航道擴(kuò)能升級(jí)工程”項(xiàng)目，擬在現(xiàn)行航道基礎(chǔ)上，通過新建船閘或改建、改造已有樞紐船閘和航道整治、改造(改建、重建)不能滿足通航凈空尺度要求的橋梁等措施，將研究河段航道等級(jí)提升為1 000 t級(jí)(或500 t級(jí))航道。

高陂樞紐以防洪、供水為主，兼顧發(fā)電和航運(yùn)等綜合性水利樞紐，于2015年10月開工建設(shè)，預(yù)計(jì)2021年投入使用。高陂樞紐正常蓄水位38.65 m，發(fā)電最低運(yùn)行水位30.65 m，供水最低運(yùn)行水位28.65 m。高陂水利樞紐配套建設(shè)1座Ⅳ級(jí)船閘，船閘有效尺度2.00 m×18.00 m×3.05 m。

東山樞紐于2006年9月動(dòng)工興建，一期圍堰于2006年10月成功合攏。東山樞紐為徑流式電站，原則上不對(duì)徑流進(jìn)行調(diào)節(jié)，樞紐正常蓄水位為26.15 m，其調(diào)度運(yùn)行方式：①上游來水流量Q≤1 567 m3/s(6臺(tái)機(jī)組滿發(fā)流量)時(shí)，攔河閘門全部關(guān)閉，維持正常蓄水位26.15 m運(yùn)行，上游來水全部供電站發(fā)電；②上游來水量1 567 m3/s

2 河道演變分析

2.1 河道沖淤變化

以枯水位為對(duì)象，統(tǒng)計(jì)高陂樞紐至東山樞紐段枯水位以下的河槽容積，進(jìn)一步計(jì)算得到河床沖淤量(表1、圖2)，河床沖淤特點(diǎn)為：2002年9月至2008年11月期間河床總淤積量為38.50×104m3，年均淤積量為6.43×104m3/a；2008年11月至2015年11月期間河床為沖刷趨勢(shì)，總沖刷量為452.20×104m3，年均沖刷量為64.60×104m3/a；2015年11月至2017年11月期間河床仍維持沖刷趨勢(shì)，總沖刷量為804.00×104m3，年均沖刷量402.00×104m3/a。整體上，高陂樞紐至東山樞紐河段由淤積轉(zhuǎn)為沖刷，且沖刷強(qiáng)度為增大趨勢(shì)，枯水河槽的沖刷，有利于航道水深的改善與提升。

表1 高陂樞紐至東山樞紐河段河道沖淤量

注：表中沖淤量和沖淤厚度中正值表示淤積，負(fù)值表示沖刷

注：a) 2002年9月至2008年11月 b) 2008年11月至2015年11月 c) 2015年11月至2017年11月圖2 高陂樞紐至東山樞紐河段的河道沖淤分布

2.2 深泓變化

繪制高陂樞紐至東山樞紐段河道深泓變化(圖3)，分析表明：2002年9月至2017年11月期間高陂樞紐至東山樞紐河段深泓縱向整體為下切趨勢(shì)，平均下切深度為1.15 m，最大下切深度為5.2 m，其中2008年11月至2017年11月、2015年11月至2017年11月期間平均下切分別為0.75、0.65 m。

a) 深泓變化

b) 深泓累計(jì)下切值圖3 高陂樞紐至東山樞紐段縱向深泓變化

2.3 斷面變化

高陂樞紐至東山樞紐河段選取6個(gè)代表斷面(圖4)，從深泓變化上看，斷面沖淤幅度較大。各斷面變化特點(diǎn)為：3號(hào)斷面位置為整體沖刷；7號(hào)斷面凸岸側(cè)淤積，凹岸側(cè)以沖刷為主；12號(hào)斷面2002年9月至2008年11月期間為左淤右沖，2008年11月至2015年11月期間為左沖右淤，基本遵循天然河道的演變規(guī)律，2015年11月至2017年11月期間左沖，右側(cè)變化相對(duì)較??；16號(hào)斷面2002年9月至2008年11月期間沖淤變化不大，2008年11月至2017年11月期間斷面單向沖刷，最大沖刷深度達(dá)10 m以上；19號(hào)斷面處于微彎段，2009年9月至2017年11月期間整體表現(xiàn)為凸岸淤積凹岸沖刷的特點(diǎn)；23號(hào)斷面處于順直段，整體以沖刷為主，深泓游右擺較為明顯。

a) 3號(hào)斷面(彎道段)

b) 7號(hào)斷面(彎道段)

c) 12號(hào)斷面(彎道段)

d) 16號(hào)斷面(彎道段)

e) 19號(hào)斷面(彎道段)圖4 斷面變化

f) 23號(hào)斷面(彎道段)續(xù)圖4 斷面變化

3 航道條件分析

設(shè)計(jì)水位、通航水深、河道沖淤及治理效果等，均采用平面二維水流泥沙數(shù)學(xué)模型，泥沙模型包含了懸移質(zhì)和推移質(zhì)，模型建立過程及驗(yàn)證見文獻(xiàn)[14]。

3.1 最低、最高通航水位計(jì)算

高陂水利樞紐10 a一遇洪水流量為11 130 m3/s，樞紐恢復(fù)天然河道行洪狀態(tài)。東山樞紐10 a一遇洪水流量11 381 m3/s，樞紐恢復(fù)天然河道行洪狀態(tài)。依據(jù)GB 50139—2014《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)內(nèi)容，樞紐上、下游設(shè)計(jì)最高通航水位分別采用10 a一遇的天然洪水位，即高陂樞紐下游設(shè)計(jì)最高通航水位為39.38 m。高陂樞紐正常蓄水位為38.65 m，較10 a一遇洪水位低。因此，高陂樞紐下游的設(shè)計(jì)最高通航水位為39.38 m。東山樞紐正常蓄水位為26.15 m，10 a一遇洪水流量為11 381 m3/s，根據(jù)二維數(shù)學(xué)模型計(jì)算，相應(yīng)東山樞紐上游水位為26.62 m，較樞紐正常蓄水位高。因此，東山樞紐上游設(shè)計(jì)最高通航水位為26.62 m (圖5)。

東山樞紐壩上航道設(shè)計(jì)最低通航水位：東山樞紐正常蓄水位為26.15 m。通過統(tǒng)計(jì)東山樞紐近年來發(fā)電放水的消落水位基本在0.50 m以內(nèi)，因此，東山樞紐壩上航道設(shè)計(jì)最低通航水位考慮發(fā)電放水消落0.50 m，即25.65 m。高陂水利樞紐壩下航道設(shè)計(jì)最低通航水位：通過數(shù)學(xué)模型計(jì)算，采用高陂水利樞紐下游保證率P=95%日最小流量(Q=98 m3/s)與東山樞紐壩上航道設(shè)計(jì)最低通航水位37.45 m組合推算，為25.84 m。根據(jù)調(diào)查資料，近年來東山樞紐蓄水位最低值為22.65 m。另據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算，當(dāng)上游來流量為3 000 m3/s，樞紐敞泄，樞紐上游水位為19.13 m。因此，東山樞紐上游庫區(qū)河段設(shè)計(jì)通航水位應(yīng)取流量3 000 m3/s敞泄時(shí)水位和東山樞紐最低運(yùn)行水位中的低值。

圖5 高陂樞紐至東山樞紐段最低最高通航水位計(jì)算

3.2 航道水深分析

最低通航水位下水深不足2.5 m的河段主要集中在高陂壩下至高陂大橋，該段為高陂樞紐壩下河段，水深大多在1.5～2.0 m(圖6)；高陂大橋至東山樞紐河段為東山樞紐庫區(qū)河段，水深條件較好，最低通航水位下水深基本在3.0 m以上，滿足設(shè)計(jì)航道尺度要求。

圖6 高陂樞紐至東山樞紐河段設(shè)計(jì)航線位置水深

4 航道整治工程及效果分析

4.1 整治工程方案介紹

高陂樞紐至東山樞紐河段整治工程類型為疏浚、丁壩拆修及新建(表2)，其中疏浚量為1.34×105m3，疏浚位置主要在高陂樞紐至高陂田家炳大橋區(qū)域，其中田家炳大橋附近疏浚區(qū)域較為集中。疏浚量計(jì)算起始地形時(shí)間為2017年11月，超挖0.3 m，邊坡1∶3。丁壩修復(fù)和新建均按300 t級(jí)航道整治時(shí)丁壩的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行整治，整治寬度從125 m調(diào)整至160 m。根據(jù)韓江300 t 級(jí)航道整治時(shí)丁壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，修復(fù)后的丁壩采用梯形斷面如下。

a) 丁壩壩身頂寬1.6 m，壩頭長(zhǎng)10.0 m，頂寬2.6 m，迎水坡1∶1.25，背水坡1∶1.5，丁壩頂縱坡取1∶200，壩頭向河坡取1∶3。

b) 壩根護(hù)岸長(zhǎng)度。上游長(zhǎng)15 m，下游長(zhǎng)25 m，設(shè)計(jì)水位+0.5 m以下為拋石護(hù)腳，護(hù)腳棱體頂寬2.0 m，外坡1∶1.5，以上為拋筑塊石，厚0.5 m，河岸自然邊坡略加整理平順，護(hù)坡護(hù)至壩根頂高程以上1.0 m。

c) 丁壩高程。高陂樞紐至三洲村河段，壩頂高程為設(shè)計(jì)水位以上1.5 m。舊丁壩修復(fù)主要集中高陂樞紐至三洲村河段和東山樞紐壩下至蔗溪口河段，共計(jì)修復(fù)丁壩148座。

4.2 計(jì)算條件

收集了2010—2017年潮安水文站的水沙資料，多年平均徑流量為244.8×108m3，多年平均流量775.8 m3/s，多年平均輸沙量568.2×104t (表3)。2016年徑流量為466.4×108m3，接近多年平均徑流量的2倍，考慮到大水年份河床沖淤變化較大，選取2016年為大水年份。2012年徑流量為237.5×108m3，其徑流條件與多年平均值接近，為平水年計(jì)算條件；2015年徑流量為205.6×108m3，為小水年。

4.3 整治工程對(duì)流態(tài)的影響

圖7為不同流量級(jí)下工程前后航中線位置流速變化情況，結(jié)果表明：整治工程實(shí)施后，各流量級(jí)下，設(shè)計(jì)航道內(nèi)沿程縱向流速總體呈增加趨勢(shì)，橫向流速呈減小趨勢(shì)；各設(shè)計(jì)流量下，設(shè)計(jì)航道中線位置縱向流速增幅0.04～0.28 m/s，橫向流速減幅0.01～0.14 m/s；隨著流量增加，工程前后流速變化越來越小。

表2 高陂樞紐至東山樞紐段航道整治工程信息

表3 潮安站2010—2017年來水來沙情況

a) Q = 810 m3/s圖7 工程前后典型流量條件下航槽流速變化

b) Q =1 567 m3/s

c) Q =7 501 m3/s

d) Q = 9 423 m3/s續(xù)圖7 工程前后典型流量條件下航槽流速變化

4.4 整治工程對(duì)航道水深影響分析

航道整治工程集中在高陂樞紐至三洲村區(qū)段，工程內(nèi)容為丁壩修復(fù)與新建。以2017年11月地形為基礎(chǔ)，測(cè)圖疏浚量為13.4×104m3，考慮丁壩新建及修復(fù)工程，疏浚后經(jīng)歷大水年、平水年和小水年后的回淤量分別為2.7×104、1.1×104、0.6×104m3，回淤率分別為20.1%、8.2%和4.5%。從不同代表水文年河床沖淤變化看，經(jīng)歷大水年、平水年及小水年航道最大沖刷深度分別為2.47、1.86、0.85 m (圖8)。從不同代表水文年后設(shè)計(jì)航道內(nèi)水深變化看，高陂樞紐至東山樞紐河段設(shè)計(jì)水位下2.5 m航深能夠保持貫通，并滿足規(guī)劃航道尺度要求。

a) 河道沖刷深度

b) 航道條件變化圖8 航道整治工程后河道沖刷深度及航道水深變化

5 結(jié)論

本文研究了2002—2017年韓江高陂樞紐至東山樞紐段河道沖淤量、深泓及斷面等變化，運(yùn)用平面二維數(shù)學(xué)模型手段，計(jì)算確定了最低、最高通航設(shè)計(jì)水位，并核查了不同水深航道條件，模擬計(jì)算了工程初步效果。主要結(jié)論如下。

a) 高陂樞紐至東山樞紐段河床由淤積逐漸轉(zhuǎn)為沖刷，深泓平均下切深度為1.15 m，2015—2017年與2008—2015年比較，沖刷強(qiáng)度略有增大。

b) 運(yùn)用平面二維數(shù)學(xué)模型手段，考慮樞紐運(yùn)行方式，計(jì)算得到高陂樞紐下游近壩段最低、最高通航水位分別為25.84、39.38 m，東山樞紐上游最底、最高通航水位分別為19.13、26.62 m。

c) 最低通航水位下水深不足2.5 m區(qū)段在高陂壩下至高陂大橋，水深集中在1.5～2.0 m；高陂大橋至東山樞紐河段為東山樞紐庫區(qū)河段，水深條件較好，最低通航水位下水深基本在3.0 m以上。

d) 高陂樞紐至東山樞紐河段整治工程類型為疏浚、丁壩拆修及新建，數(shù)學(xué)模型計(jì)算表明，工程后航道水深滿足2.5 m要求。

在研究過程中，航槽內(nèi)雖無不良流態(tài)，但局部流速最大位置集中在彎曲段，建議進(jìn)行船舶模型試驗(yàn)，并進(jìn)一步優(yōu)化船舶操作規(guī)程。