李 健 ，王平義 ，許百強，賀小含 ，王梅力

(1. 重慶交通大學 水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074；2. 重慶交通大學 國家內河航道整治工程技術研究中心，重慶 400074；3. 連云港港口控股集團，江蘇 連云港 222042；4. 重慶交通大學 建筑與城市規(guī)劃學院，重慶 400074)

黃河上游蜿蜒曲折，沿線暗礁眾多，淺、急、險灘分布廣泛，不良流態(tài)對船舶的航行極為不利，航運發(fā)展還處于初級階段。近年來黃河上游建設了一系列水利工程，極大改善了航道條件。張國瑞[1]以黃河賀蘭浮橋灘群為依托工程，深入分析灘險的變化情況，利用物理模型成功提出利于船舶通航的整治方案，為黃河灘險航道整治提供參考；張琰琰等[2]基于物理模型方法，采用淺區(qū)挖槽和深槽筑壩相結合的措施對黃河大峽庫區(qū)什川吊橋灘礙航航道進行整治，整治效果明顯；楊振華[3]對黃河雙旋溝灘水流特性以及礙航因素進行分析，整治后的河道通航效果有明顯改善；曾濤等[4]對長江上游多個急流灘治理思路進行總結；劉濤[5]對張家港南港上淺區(qū)淺險水道的基本礙航特性進行分析并對河道整治工程前后水力特性以及通航條件進行概括，為淺險水道航道整治工程提供參考。本文以甘肅省白銀市常生碼頭下游灘險河道整治為依托，利用平面二維數(shù)學模型，模擬黃河上游連續(xù)彎曲多灘險河道礙航成因及整治效果。

1 常生碼頭下游灘險河道模型搭建與驗證

1.1 模型建立

本次黃河上游連續(xù)彎曲多灘險河道礙航成因及整治效果數(shù)值模擬河道總長約5.5 km，包括4個河段：常生碼頭下游灘段、1#灘段、2#灘段及3#灘段。數(shù)值模擬邊界控制條件：上游進水口以流量為控制條件，下游出水口以不同流量對應的水位為控制條件，屬于開邊界；河道兩側的陸地作為河道邊界控制條件，屬于閉合邊界。河道數(shù)值模擬的計算區(qū)域采用三角形網格進行離散，疏密程度隨河道地形變化。共布置31 166個三角形網格，16 150個網格節(jié)點，網格間距為10，部分河道的計算網格見圖1。

圖 1 常生碼頭下游多灘險河段的計算網格Fig. 1 Computational grid of multi-beach and dangerous reach downstream of Changsheng Wharf

1.2 糙率率定

黃河含沙量大，河床沖淤劇烈，水面流態(tài)復雜，水力要素隨機性大，河道邊界約束作用差異大[6]。目前較為常用的糙率確定方法有：水力學方法、查表粗估法、糙率公式計算法等。枚龍[7]在對黃河內蒙河段進行糙率分析時，河槽糙率一般取n=0.011～0.015，灘體糙率選取n=0.02～0.03。本次數(shù)值模擬采用查表粗估法，并對黃河糙率資料進行收集，經過反復調試，確定河床的最終曼寧系數(shù)見圖2。

圖 2 枯水、中水、洪水流量情況下河床曼寧系數(shù)分布Fig. 2 Manning coefficient distribution of river bed under low, medium and flood discharges

1.3 水位、流速驗證

數(shù)學模型的可行性驗證采用常生碼頭下游多灘險河道枯水、中水、洪水等三級流量下的水面線驗證和流速驗證。水位施測點及流速的施測斷面見圖3（A#，B#，C#，D#代表水位實測點；1-1，2-2，3-3，4-4代表流速實測斷面），水位及流速驗證見圖4和圖5。水位和流速驗證結果表明：各測段數(shù)學模擬結果與物理模型所測結果基本相同，說明數(shù)學模型的參數(shù)選取合理，可用于進一步的數(shù)值模擬分析。

圖 3 水位驗證水尺及流速驗證斷面布置Fig. 3 Layout of verification water level and flow velocity verification section

圖 4 水位驗證Fig. 4 Water level verification

圖 5 流速驗證Fig. 5 Flow rate verification

2 河道礙航成因

根據(jù)《甘肅省內河水運發(fā)展規(guī)劃》，內河V級航道通航標準為1.4 m×35 m×280 m（水深×航寬×彎曲半徑）。需要滿足的消灘水力指標為：當航道內最大流速為4.0 ，3.5和2.5 m/s時，該位置對應的最大水面比降分別為1.5‰，3.0‰和6.0‰。通過對各級流量水流特性進行數(shù)值模擬，分析常生碼頭下游多灘險河道的礙航成因。為方便分析，將研究河道劃分為4段：常生碼頭下游灘段、1#灘段、2#灘段、3#灘段。

（1）水位及水面比降 常生碼頭下游多灘險河道設計主航槽水位沿程逐漸降低，降低幅度整體較平緩，比降較小，如常生碼頭下游灘段、1#灘段附近，水面比降小于0.5‰。2#灘段，存在水位下降較快，比降增大的位置，最大值出現(xiàn)在洪水流量時，水面比降為3.924‰。3#灘段附近，枯水流量時，其灘尾部水面比降達到3.982‰，因為在該位置主航槽內存在礙航灘體，由于出水口邊界條件確定，在出水口水位不變時，上游水位升高，導致壅水情況發(fā)生；隨著流量增大，礙航灘體作用減弱，比降回落，中洪水流量出現(xiàn)負比降。

（2）流速 對設計主航槽沿程平均流速變化的分析表明，河道內存在多處灘體，導致流速變化幅度較大，在連續(xù)彎曲段水流流速波動較為劇烈。不同流量下，流速最大位置在2#灘段?？菟髁繒r，2#灘后段處流速劇烈變化，最大值約3 m/s，其他位置流速均小于2 m/s；洪水流量時，流速均大于3 m/s，2#灘段超過4.5 m/s。2#和3#灘段之間，枯水流量沿程流速變化趨勢不同于中洪水流量，因為該位置存在深槽，對流速影響較大。

（3）水深 天然情況的中洪水流量下，設計主航槽的水深均能達到V級航道通航要求，只有在枯水流量下，天然河道1#灘段兩岸存在灘體，且延伸至航槽內，水深不滿足要求；2#和3#灘段主航槽附近均存在灘體導致存在水深低于1.4 m的河段，因此天然河道不適宜通航。

（4）流態(tài) 在船舶航行過程中，除水深、流速和比降，流態(tài)對船舶的航行的穩(wěn)定性起著重要作用，對周圍人民的生命財產安全有著重要影響。

枯水流量下，1#灘屬于急流灘，兩岸多為峽谷，河道較窄，在前段位置處，左岸灘體存在，水流流向深槽，形成紊流；中部位置由于兩岸存在較陡邊灘，水流流向深槽，河道左側形成渦流，對船舶航行造成威脅。2#灘段河床地勢不規(guī)則，枯水流量流態(tài)紊亂，不利于船舶航行。3#灘為微彎河段，灘段末端的航道內存在較大灘體，導致河道變窄；枯水流量時，水流流向深槽，導致深槽處水流流態(tài)紊亂，對船舶航行不利。

中、洪水流量下，1#灘段在彎道處左岸灘體后側存在較大回流區(qū)域，水流情況復雜。2#灘段連續(xù)彎道處，左側存在深槽，水流偏向左側流動，流態(tài)復雜，中水流量比洪水流量流態(tài)更加紊亂，且同時伴有掃彎水情況發(fā)生。

3 整治措施及效果

通過分析河道的主要礙航特性，擬采用以下整治思路：①改善枯水流量河道水流流態(tài)，增加主航槽水深，滿足通航要求；②中洪水流量情況下，改善2#灘段連續(xù)彎道處水面比降和流速，滿足消灘水力指標，達到V級通航標準。

根據(jù)其礙航特征提出具有針對性的整治方案，該方案由疏浚（平整河床底部）、切咀（修整岸坡形態(tài)，擴大過水面積）、填槽（平整河床底部，防止水流下泄）、淺壩（壅水）組成。工程布置見圖6。目的是平整河床底部，并使河道整治后的橫斷面接近梯形狀態(tài)。

（1）水位及水面比降 模擬整治前后河道水位變化見圖7。可見，不同流量下，疏浚、切咀等整治措施使河床寬度增加，水位相比天然狀態(tài)降低明顯。2#灘段，下游潛壩的壅水效果明顯，原水面比降較大位置得到改善，水位趨于平緩?？菟髁肯拢?#灘出水口處水面比降得到極大改善。

圖 6 整治方案布置Fig. 6 Layout of renovation plan

圖 7 水位對比Fig. 7 Water level contrast map

（2）流速 經過整治，河道內流速、比降均得到明顯改善，滿足消灘水力指標，達到通航要求。整治后，中洪水流量下的流速波動相較于天然狀態(tài)有所減小。整治后河道水位沿程降低，常生碼頭灘段和1#灘段，填槽等整治措施使過流面積減小，流速增大明顯；2#灘段，切咀、疏浚和潛壩的共同作用，使連續(xù)彎道處流速明顯降低，中水流量最大流速小于3.0 m/s，洪水流量最大流速小于3.5 m/s。

（3）水深 通過整治方案的數(shù)值模擬，1#灘段，通過切咀，河床頂部高程降低，水深達到通航要求；2#灘段，潛壩壅水效果明顯，疏浚和切咀的共同作用，水深達到通航要求。整體分析表明，河道水深均達到通航要求。

（4）流態(tài) 通過整治，枯水流量下的水流流態(tài)改變較為明顯。1#灘段前段，不良流態(tài)消除，位于右端區(qū)域的流速較小，均小于0.4 m/s，且不位于設計主航槽區(qū)域，不影響船舶正常通航。2#灘段，利用疏浚及潛壩改變水流流態(tài)，整治效果明顯，回流區(qū)域消失，流態(tài)平穩(wěn)，僅潛壩附近水流流態(tài)略有紊亂。3#灘段，出水口通過疏浚后流態(tài)得到改善，水流平順，流線平行，流線和主航槽不存在較大夾角。

在中洪水流量下，1#灘段左側回流區(qū)域基本消失，2#灘段航槽內水流平穩(wěn)，適宜通航。

4 結 語

（1）建立數(shù)學模型，對天然狀態(tài)不同流量情況進行模擬，分析黃河上游連續(xù)彎曲多灘險河道礙航因素。枯水流量下，水深是限制通航的主要因素，1#及3#灘段均存在未達到V級通航標準位置；由于河床地勢復雜，河道不同位置水流流態(tài)紊亂。中水流量和洪水流量下，2#灘段連續(xù)彎曲河道處流速和比降未能達到消灘水力指標，水流流態(tài)也不滿足通航要求。

（2）采用疏浚、切咀等整治措施平整河床、移除延伸至主航槽礙航灘體，增加水深，改善水流流態(tài)。連續(xù)彎道處未達到通航標準的位置采用切咀、疏浚和下游修筑潛壩等措施來壅高水位，增大過水斷面面積、平整河床，使水面流速比降滿足通航要求。在深槽位置為防止水流下泄和沖刷河床的情況進一步惡化，采取填槽進行整治。

（3）通過對整治方案效果歸納分析得出：整治后河道礙航情況得到改善，枯水流量下全河段航道水深滿足通航要求，且河道內紊亂的流態(tài)明顯改善；連續(xù)彎曲河段，中洪流量下水面流速比降改善明顯，中洪水流量，流速分別不超過3.0和3.5 m/s，對應水面比降分別為1.381‰和1.954‰，消灘水力指標滿足通航要求。