張 健，倪春飛，許 慧，陳 珺

（1.南京水利科學研究院，南京 210029；2.河海大學水利水電學院，南京 210098；3.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，杭州 311100）

0 引 言

長江作為我國內河航運最發(fā)達的河流，沿江經濟發(fā)展迅速，兩岸規(guī)劃建設了眾多港口碼頭、取排水口、跨（穿）江設施等，占用了大量的長江岸線資源。在“共抓大保護、不搞大開發(fā)”的長江流域發(fā)展新形勢下，一切涉及長江的經濟活動都要以不破壞生態(tài)環(huán)境為前提，涉河項目得到整治、整改，國家和流域內各省市制定了相關岸線開發(fā)利用與保護規(guī)劃，劃定的岸線保護區(qū)、保留區(qū)、控制利用區(qū)繼續(xù)開發(fā)利用的難度加大，而河勢基本穩(wěn)定、水流條件較好的岸線開發(fā)利用區(qū)長江干流內只有108個，長度987.1 km，占岸線總長度的11.9%，可供開發(fā)的優(yōu)良岸線資源變得相對緊張［1］。

岳陽港鴨欄浮碼頭目前存在水域污染、岸線利用率低等問題，但限于岸線規(guī)劃只能在原址進行提質改造。工程分布在界牌河段儒溪邊灘和上邊灘之間的水域內，有儒溪竄溝與主航道相連通，平面布置類似挖入式港池，但挖入式港池多是嵌入岸線內的人工港池，鴨欄碼頭是一種嵌入邊灘之間的碼頭，邊灘上往往又有整治建筑物進行守護，碼頭選址較為不利，有可能影響到河段航道條件，包括通航水流條件、河床沖淤及整治建筑物的穩(wěn)定與功能等，隨著水運行業(yè)的快速發(fā)展，深水岸線越來越緊缺，未來這種邊灘嵌入式碼頭將有更多的應用空間，因此有必要對這種特殊碼頭的工程影響進行研究。目前國內外學者關于碼頭工程對河道行洪、附近流場變化、河床沖淤、周邊涉水工程影響的研究取得了豐富成果，陳珺等［2］研究了典型潮洪條件下甬江上下游碼頭群對河道行洪的聯(lián)合影響，分析比較了單段碼頭群和全河段碼頭群的洪水位、流速變化，結果表明碼頭群之間存在相互影響，全河段碼頭群對水流特性影響程度大于單段碼頭群；葉成華等［3］研究了水庫變動回水區(qū)的白石灘翻壩碼頭對通航水流條件的影響，數學模型結果表明，碼頭在較高水位下運行滿足通航水流條件要求；萬華等［4］研究了武漢王家巷輪渡碼頭改造方案的通航安全影響，經方案不斷優(yōu)化，最終實現(xiàn)了碼頭改造工程對通航環(huán)境影響最小、通航風險最低的目標；但邊灘嵌入式碼頭對航道條件的影響研究較少。本文以臨湘港區(qū)的鴨欄碼頭為例開展了邊灘嵌入式碼頭對航道條件影響的模型試驗研究，研究成果可為類似工程提供參考。

1 工程概況

界牌河段上起楊林山，下至石碼頭，全長38 km。河段為順直放寬分汊河型，以谷花洲為界，上段順直單一，右岸發(fā)育有儒溪邊灘和上邊灘，主流多數年份居左，主航道位于沿岸深槽；新洲腦附近有螺山心灘將河段分為左右槽，規(guī)劃航槽為左槽，但左槽尾部航槽經常大面積斷開，右槽水深優(yōu)于左槽，故實際航道位于右槽，而右槽水流貼靠丁壩而下，存在安全隱患；心灘尾至新淤洲頭，水流逐漸過渡到右岸，稱為過渡段；下段河段被新淤洲和南門洲分為兩汊，左汊新堤夾為支汊，右汊為主汊。界牌河段是長江中游著名礙航淺段，河勢調整頻繁，航道條件變化很大［5］，從20世紀90年代開始，航道及水利部門先后實施了兩期治理工程（表1），目前，航道尺度滿足3.7 m×150 m×1 000 m（水深×航寬×彎曲半徑）的標準。

表1 界牌河段已建河道治理工程Tab.1 River regulation projects built in Jiepai reach

擬建碼頭工程位于界牌河段儒溪邊灘右汊、螺山水文站對岸，工程建設內容主要包括高樁梁板碼頭和港池、進港航道的疏浚（圖1），碼頭順岸布置3 個3 000 t 級泊位，碼頭前沿線布置在15.0～16.0 等高線附近，設計低水位16.18 m，碼頭平臺長361 m，寬28 m，分為6 個結構段，每個分段有8 榀排架，排架間距均為8.0 m，每榀排架設置5 根φ1 500 mm 鉆孔灌注直樁。碼頭與堤頂道路通過3 座固定引橋連接，1 號引橋長為260.03 m，寬為9 m；2 號引橋長為205.83 m，寬為12 m；3 號引橋長為205.42 m，寬為9 m，引橋主排架間距為16 m，1 號和3 號引橋每榀排架下設2 根φ800 mm 直樁，2 號引橋每榀排架下設3 根φ800 mm直樁［6］。

圖1 界牌河段河勢及碼頭工程布置Fig.1 The river regime of Jiepai reach and wharf engineering layout

碼頭前沿布置港池水域，包括停泊水域和回旋水域，港池設計底標高為11.88 m，新建進港航道與長江主航道夾角59°，長約868 m，單向航道設計，寬度為50 m，設計底標高為12.18 m。由于港池水域及進港航道范圍內水深不足，為滿足船舶進出港要求需要疏浚，疏浚方量53.8 萬m3，挖深1～4 m。

2 河床演變

2.1 自然演變特性

界牌河段平面形態(tài)多年不變，但河道內洲灘調整劇烈，演變具有明顯周期性，順直段交錯邊灘復歸性平行下移，分汊段受上游灘槽變化而發(fā)生相應汊道調整，過渡段隨邊灘的變化大幅上提下移，縱向擺幅可達14 km，主流擺動、灘槽不穩(wěn)，航道易出淺礙航，過渡段航道條件的不穩(wěn)定是制約界牌河段的重要因素。

2.2 綜合治理工程實施后～航道整治二期工程前

綜合治理工程實施后，丁壩、魚嘴工程限制了主流橫向、縱向的擺動空間，起到了固灘穩(wěn)槽作用，鎖壩工程封堵了新淤洲串溝，中洪水河勢得以初步穩(wěn)定［7］。三峽水庫2003年蓄水運用后，流量過程坦化明顯，壩下河段來沙銳減，泥沙沿程補給增加，水沙條件的顯著改變引起河床沖淤的響應性調整，心灘北槽沖刷發(fā)展，過渡槽深泓擺動幅度較大，心灘尾下延淤堵新堤夾，水流集中在右汊，河段總體表現(xiàn)為縱向沖刷下切，減弱了洲灘的恢復性淤積，一定程度上延緩了演變周期的進程，沖刷主要集中在枯水河槽，斷面形態(tài)朝窄深型發(fā)展，在兩岸多個天然節(jié)點及大規(guī)模護岸的作用下，岸線邊界保持穩(wěn)定［8-10］。

2.3 航道整治二期工程以來

魚嘴和魚刺形式的護灘帶守護了新淤洲前沿低灘，有利于過渡段航道邊界的穩(wěn)定［11］。二期工程以來，界牌河段總體河勢基本穩(wěn)定，新堤夾萎縮、右汊發(fā)展的態(tài)勢不變，儒溪邊灘、上邊灘及新淤洲高灘的變化均不大，螺山心灘頭沖尾淤，心灘右槽進口淤積，2019年維護性疏浚工程量達97.86萬m3，左槽沖刷發(fā)展［12］，碼頭所在位置的河床基本穩(wěn)定，2016-2021年，河床變化幅度在1 m 左右，進港航道年內沖淤規(guī)律表現(xiàn)為洪水期以淤積為主，退水期以沖刷為主。

3 物理模型設計及驗證

3.1 模型比尺和模型沙

定床模型上起楊林山，下至上篾洲，模擬河長23 km，動床模型范圍為儒溪～新洲腦，模擬河長約15.7 km，進出口均與工程保持足夠的距離。根據模擬河段長度、場地限制等因素，平面比尺λL=280，考慮模型水深、紊流條件限制，垂直比尺λH=100，模型變率為2.8。界牌河段推移質泥沙輸沙量遠較懸移質輸沙量為少［13］，泥沙模型主要模擬懸移質泥沙，模擬粒徑范圍為0.062～0.5 mm，模型沙選用聚丙烯甲酯輕質沙，其容重1.22 t/m3，干容重0.43～0.46 t/m3，模型沙呈現(xiàn)米黃色，具有粒徑范圍廣、物理化學性能穩(wěn)定、親水性強等優(yōu)點，粒徑大于0.05 mm 的沙樣基本無黏性。導出的其他模型比尺見表2。

表2 模型主要比尺匯總Tab.2 Main scale summary of the model

3.2 碼頭樁群模擬

三百余根樁伸入江中，勢必引起區(qū)域的水流和泥沙沖淤變化。為能使樁群影響區(qū)域水流和泥沙運動模擬真實，模型需考慮到樁群的模擬。如果模型樁柱按照河道幾何比尺進行縮制，則模型的樁徑雷諾數將大大減小，其阻力系數與原型不相等，達不到阻力相似［14］，而樁群阻力是樁群影響水流泥沙運動特性的內因，必須滿足其阻力相似條件（式1）。

式中：A0為樁群外包線在垂直于水流方向平面上的投影面積；A為樁群在垂直于水流方向平面上的投影面積。單樁阻力系數CD值與樁柱徑向雷諾數有關，CD可根據Hunter Rouse的CD與Re的關系曲線確定［15］。

從方便制作、不易變形的角度，本文選用鉛絲制作模型樁柱，先假定模型樁徑為4 mm，樁群順岸布置，近似垂直水流流向，不考慮迎流角作用，按原型平灘流量42 500 m3/s 條件下計算相應投影面積，碼頭附近平均實測流速約為1.07 m/s，可計算原型、模型的單樁雷諾數及阻力系數。利用共線力系疊加原理，用模型單樁模擬原型順水流方向的排樁，采用樁群綜合阻力系數Cp′代替原型樁阻力系數［式（2）］，對碼頭樁群進行簡化，取10 倍樁徑距離內碼頭樁數n=2，進行相關計算后，得模型樁數為3.13，考慮安全系數，實際采用4 根樁，原型樁群基本均勻布置，順水流方向樁距8 m，垂直水流方向有5根樁，總樁距22.8 m，則碼頭模型樁的分布為：順水流方向樁距2.9 cm，垂直水流方向上簡化為每排架4 根樁，樁距2.7 cm；引橋類似布置（圖2）。

圖2 整體與局部模型Fig.2 Global and local models

式中：n為順水流方向4～10倍樁徑距離內樁的根數。

表3 碼頭樁群概化計算Tab.3 Generalized calculation of wharf pile group

3.3 模型驗證

根據2021年2月（流量12 000 m3/s）和2019年8月（流量31 000 m3/s）的實測水文資料，對模型的水面線、斷面流速分布、汊道分流比等進行了驗證，水位偏差在+0.05 m 之內，各斷面流速偏差在+0.01～0.12 m/s以內，流速分布規(guī)律基本一致，汊道分流比最大偏差為0.40%；動床階段進行了2019-02-2020-04、2020-04-2021-02 兩個時段的河床變形驗證，模型平面沖淤分布與原型基本相似，全河段沖淤總量最大偏差為19.2%，上述驗證偏差均符合《水運工程模擬試驗技術規(guī)范》（JTS/T 231-2021）的要求，模型能夠復演天然河道水流泥沙運動規(guī)律。

圖3 典型斷面流速分布驗證（12 000 m3/s）Fig.3 Verification of velocity distribution in typical section（12 000 m3/s）

4 航道條件影響分析

4.1 試驗條件

為充分反映不同水流條件下碼頭工程的影響，選取洪、中、枯多級流量進行水流定床試驗，對碼頭工程實施前后水位、流速、汊道分流比等方面進行觀測分析。不同水沙組合對河床沖淤的影響較大，分析近10年螺山站的水沙資料（圖4），選取大水大沙的2020年作為不利典型水文年，中水中沙的2018年作為平常水文年，2016-2020年作為系列年，按實際水沙概化后在動床模型上進行施測。地形采用2021年2月實測1：10 000 界牌河段地形，港池、進港航道疏浚后局部地形按設計底標高開挖處理。

圖4 螺山站近期流量和輸沙量Fig.4 Recent discharge and sediment transport of Luoshan station

4.2 通航水流條件

4.2.1 水 位

工程實施后，左岸水尺水位不變，右岸除碼頭上游5號、5-1號水尺外，其余區(qū)域水位不變，工程對主航道內水位無影響（水尺位置見圖1）。右岸5 號、5-1 號水尺距碼頭前沿分別為2 500 m、260 m，受進港航道疏浚影響，枯水流量條件下，局部水位下降4～5 cm，隨著流量增加，水位下降程度減小，在洪水流量時，水位不變。

4.2.2 流 速

碼頭工程對河道水流的影響主要體現(xiàn)在兩方面，一是碼頭及棧橋樁群阻水的影響，造成碼頭工程上下游流速降低；二是碼頭樁群對水流有導流作用；進港航道疏浚后，疏浚區(qū)域流速減小，疏浚區(qū)域下游流速有所增加。碼頭及進港航道疏浚對水流的影響是兩者綜合作用的結果。

因工程距離長江主航道較遠，試驗發(fā)現(xiàn)，工程對水流的影響集中在工程區(qū)附近，流速增加的區(qū)域是進港航道下游側局部區(qū)域（2 號丁壩前沿上邊灘），其余區(qū)域流速以減小為主。流速影響范圍是隨著流量的增大而增加，位置也有所下移（表5）。工程對主航道流速流向影響很?。▓D5），枯水流量時，主航道流速在2 號丁壩對開的區(qū)域增加0.01～0.02 m/s，中洪水流量時，流速無變化；流向變化在0.2°以內。

圖5 碼頭工程附近典型斷面流速變化Fig.5 Velocity variation of typical section near wharf engineering

表4 試驗條件Tab.4 Test conditions

表5 工程實施后流速影響范圍（0.02 m/s）Tab.5 Influence range of velocity after engineering implementation（0.02 m/s）

4.2.3 汊道分流比

碼頭樁群侵占了部分過水斷面，具有一定的阻水作用，但因阻水比很小，且整體作為透水結構，工程實施對儒溪邊灘右汊過流影響較小，對螺山心灘左右槽分流比無影響?？菟髁肯?，儒溪邊灘右汊分流比增加0.4%，相應主航道所在的儒溪左汊減小0.4%，中洪水時，儒溪邊灘左右汊分流比無變化。

4.3 河床沖淤變形

工程實施改變了局部水流結構，流場的變化導致局部河床變形調整。由圖6可知，工程引起的河床沖淤主要集中在工程區(qū)附近，對主航道內泥沙沖淤無影響。碼頭前沿及進港航道開挖區(qū)域淤積為主，淤積幅度在1～2 m；上邊灘有沖有淤，沖刷主要位于2號丁壩上游側，幅度0.2～0.5 m，2號丁壩附近上邊灘0 m線附近沖刷幅度0.1～0.7 m。

圖6 不利水文年時工程引起的河床沖淤Fig.6 Riverbed scouring and silting caused by the engineering in adverse hydrological years

5 補償方案及效果

鑒于2 號丁壩附近的上邊灘灘體局部有所沖刷，沖刷位置距主航道右邊線較近，且一定程度上影響2 號丁壩護灘功能發(fā)揮，為保持上邊灘穩(wěn)定，根據模型試驗成果，擬對工程引起的上邊灘沖刷區(qū)域進行守護，實施補償工程。

守護范圍：2 號丁壩上游16.0 m 等高線至18.0 m 等高線間的區(qū)域，起點布置在碼頭樁群掩護范圍內；河槽內水下護底至10 m等高線，終點布置在進港航道倒套轉折點下游約184 m處。結構形式方面，進港航道右側邊界16.0 m 至17.0 m 等高線間區(qū)域擺放兩層透水框架，17.0 m 至18.0 m 等高線間區(qū)域鋪設一層無紡布和17 cm厚鋼絲網格，2號丁壩前沿河槽從17.0 m等高線向河心側寬45 m的范圍水下護底采用拋1 m厚鋼絲網石籠。

為研究補償工程實施后的效果，進行了系列年泥沙試驗，圖7給出了初始以及系列年末碼頭及進港航道附近邊灘形態(tài)，由圖7可見，與初始地形相比，系列年末補償工程實施后，2 號丁壩附近上邊灘灘體有所淤積，淤積幅度在1～3 m，上邊灘設計水位上0 m 線和3 m 線均上延外擴，說明補償工程起到了守護效果。

圖7 補償工程實施后等深線變化Fig.7 Change of contour after implementation of the compensation engineering

6 結 論

（1）臨湘港區(qū)鴨欄碼頭位于邊灘之間的竄溝內，工程實施對界牌河段主航道通航水流條件影響較小，流速變化集中在工程區(qū)附近，受碼頭樁群阻水、導流和進港航道疏浚的疊加影響，2 號丁壩附近的上邊灘左緣流速有所增加，幅度0.02～0.04 m/s，碼頭前沿及下游側流速減小。

（2）泥沙試驗表明，流速增大的上邊灘頭部區(qū)域受到沖刷，沖刷影響了2號丁壩的促淤護灘功能，為此實施了補償方案，考慮到方案的長效性以及自身的結構穩(wěn)定，方案擴大了守護范圍，起點伸入樁群掩護區(qū)內，并布置成拐頭形式，最大程度上平順水流。經系列年泥沙試驗后，上邊灘左緣開始淤積，補償方案起到了守護效果，消減了碼頭工程帶來的不利影響。