三峽工程施工期灘險整治研究

三樓建成后，將對能源、防洪和交通運輸產生重大影響。在三峽工程建設期中,壩前水位按135m、156m、175m逐步抬高,在135m和156m蓄水期,20年一遇洪水回水均至涪陵;按175m正常蓄水位運行后,20年一遇洪水回水影響至重慶市木洞鎮。庫區河道水位抬高對航道存在有利與不利影響:一是庫區水深增大,水流減緩,絕大多數河段航行條件得到改善;二是庫區水流條件受壅水影響,改變了天然河流的泥沙沖淤狀態。在天然情況下,庫區航道為洪水期泥沙淤積,隨著水位下降,淤沙逐漸沖刷,年內沖淤基本平衡。由于三峽工程采用“蓄清排渾”的水庫調庫原則,庫區部分河段在洪水期淤積的泥沙,在水庫消落時,得不到及時或徹底的沖刷,從而使泥沙出現累積性淤積,導致航槽出淺、倒槽或易槽;三是天然情況下部分灘險在某一水位段出現滑梁水,但大壩蓄水后,滑梁水持續時間延長,使灘險礙航程度加重。另外,在變動回水區末端,由于汛期壩前水位降低,變動回水區基本處于天然狀態,原有的一些急險灘河段,仍存在較大的急流、橫流及泡漩、亂水,對航行仍產生較大危害,需及時安排整治,以滿足各蓄水期船舶安全航行的需要。1完善海灘保險的確定據長江航道局組織的有關專家對三峽庫區航道現場踏勘和研討,確定在三峽工程施工期急需整治豐都至洛磧的9處灘險,整治灘險的位置分布如下:2海灘保險的賠償原則和標準2.1河道尺度適當延長灘險整治原則除了根據河道具體情況,遵循因地制宜、因勢利導等一般原則外,還應遵循以下原則:1)對于出現較大的泥沙淤積使航道尺度不夠或航槽易位時,考慮布置整治建筑物并配合一定的炸礁和疏浚,使航道尺度滿足要求。2)對于河中礁石或岸邊石梁引起的滑梁水時間延長,一般考慮炸除礁石和石梁,消除或盡量縮短滑梁水的礙航時間。3)考慮減小工程投資和降低施工難度,各灘整治施工時間應定在該灘被淹沒的蓄水位之前,以避免陸上工程變為水下工程。2.2標準的改進2.2.1主要通航航道條件在135m和156m蓄水位期,變動回水區維持現行的通航船隊標準,在175m蓄水后,庫區航道條件將得到很大改善,船型和組隊方式將相應改進,根據交通部《三峽工程通航標準》擬定的代表性船隊如表1。2.2.2“三”級航道標準變動回水區航道尺度標準的確定應與各蓄水期及各區間通航的標準船隊緊密結合。本文論述的整治灘險均處于忠縣以上,故在135m和156m蓄水期采用標準船隊為現行的3000t級船隊,相應尺度標準為2.9m(航深)×60m(航寬)×750m(彎曲半徑)。在大壩按175m正常蓄水后萬噸級船隊相應航道尺度標準為3.5m×100m×1000m。對石質和卵石質河床,航道水深應適當增加。2.2.3通航水文標準標準船隊通航水文標準即為其自航上灘時,水面比降與表面流速的臨界值。2.2.4設計最低通航水位最低通航水位采用長江科學院編制的《三峽庫區變動回水區最低通航水位計算分析報告》提供的數據。該報告已計算出庫區各計算斷面在各需水期的日平均水位,針對具體灘險,利用綜合歷時曲線法,先計算出其上下相鄰兩斷面保證率99%的水位,再根據其所處的相對位置,用內插法推求灘段的設計最低通航水位。最高通航水位和最高通航流量應分階段確定,在135m和156m蓄水期通航3000t級船隊,設計洪水標準為重現期十年一遇。三峽工程建成后通行萬噸級船隊,目前尚無統一標準,在進行變動回水區航道整治設計時,最高通航標準采用物理模型試驗確定,從觀音灘、和尚灘兩灘的試驗結果看,萬噸級船隊最高通航流量宜定為30000m3/s,如果標準再提高,按前述通航水文標準整治,工程投資將成倍增加。3海灘保險的分類和處理3.1滑梁水滑梁水此類灘險有蠶背梁、花灘、灶門子和馬風堆四處,其特點為在岸邊或江中有突出的石梁或礁石,使航道束窄,成為單行控制河段,有的石梁當水流漫過梁頂,產生漫向石梁的橫流,即“滑梁水”,船舶航行時有可能被滑梁水推向石梁而發生觸礁事故。滑梁水往往是在某一水位段發生的,三峽大壩蓄水后,滑梁水位段持續的時間較天然情況有所延長,對航行的危害加大。3.1.1增上加固后的滑梁水整治方案蠶背梁灘是川江著名的中水滑梁險灘,河道被縱臥江中長達1100m的蠶背梁分為兩槽,主槽(右槽)在水位134.3m～140.3m之間時(注:本文采用吳淞高程系統),兩岸均產生強烈的滑梁水,在135m和156m蓄水期,灘段最低通航水位由131.28m抬高至135.14m,滑梁時間較蓄水前延長兩個多月。其副槽(左槽)瓦子浩經多次炸礁,形成底高為132.8m,寬90m的順直航道。考慮到右槽流速大,滑梁水出現時間長,工程量大等因素,整治方案確定為進一步炸深左槽,炸礁底部高程為135m蓄水后最低通航水位下3.5m。為充分利用已形成的90m寬航槽,炸礁寬度按90m設計。通過整治,大壩蓄水后,船舶可全年通航瓦子浩,從而避開左槽滑梁水的影響;在大壩蓄水前,亦可提高瓦子浩航槽的利用率,充分發揮其整治效果。3.1.2石梁頂部滑梁水灘滑梁治理花灘灘段長3.5km,亦為中水滑梁險灘,岸線極不規則。上段老虎梁和下段白淺處河道較窄,中水期水流亂、急,同時產生向左岸的滑梁水勢,中段有雞飛梁、牛腦殼、纖臺角,由于其后地勢低洼,當水流漫過石梁頂部時同樣產生滑梁水。該灘滑梁水位為137m～145m。在135m蓄水期,灘段最低通航水位較蓄水前抬高0.9m,灘勢變化不大,但在156m蓄水期,最低通航水位抬高至140.9m,年內滑梁水持續時間延長近兩個月。整治方案為炸低礙航石梁的部分突咀,達到減弱滑梁水并使滑梁區域盡量移向岸邊,從而增大有效航行寬度。上下口處通過炸礁后,擴大了泄水面積,流速也將得到減緩。3.1.3橫流水勢影響此兩灘均為江中孤礁,枯水期行船視線受擋,其兩側河道水深較大,但單側河道的寬度被縮窄,當流量加大時,流速較大;在礁石頭部,由于水流受阻而分向兩邊,在尾部,由于兩側水面不一致也會產生橫流;當水位上漲淹沒礁石頂部,其上又不能過船時,亦將產生漫向石梁的滑梁水,威脅船舶的安全航行。兩灘均采用炸低礁石的方法進行整治。馬風堆在135m蓄水期不受壅水的影響,為盡早取得效益,炸礁底高按天然情況最低通航水位進行控制。灶門子灘在135m和156m蓄水期,由于水位抬高,橫流水勢持續時間較長,炸礁底高按135m蓄水期最低通航水位下3.5m進行整治。兩灘整治后,當石梁頂部能過船時,原礁石兩側的河道均得到充分利用,航線順直,航道寬度大大增加,可消除控制河段。3.2壩前水位沖淤,妨礙航淺此類灘險有青巖子、土腦子和上洛磧三處,為寬闊分汊河段或彎曲河段。由于大壩采用“蓄清排渾”的調度原則,每年4、5月份為水位消落沖刷期,但是此時的流量比較小,壩前水位又抬高產生壅水,從而使洪水期淤積的泥沙得不到及時沖刷而滯留于灘段,使航道尺度達不到要求而形成礙航淺灘。3.2.1水文物理模型試驗驗證土腦子河段為一寬闊的分汊河段,洪、枯水期水面寬度相差甚遠。在175m蓄水后航行條件優良。為弄清施工期的礙航情況,長江航道局利用1961年至1970年十年的水文資料,結合水庫調度方式進行了135m和156m蓄水期河床演變的物理模型試驗,結果表明在156m蓄水期,經豐沙枯水水文年水沙作用后,航槽內水深不能滿足通航要求。鑒于本灘出現礙航的時間較短,且在特殊水文年后才出現,故整治方案采用維護性疏浚,不需布置整治建筑物。3.2.2泥沙治理方案青巖子灘亦為一寬闊分汊河段,江中巨大的金川磧將河道分為左右兩槽。左槽較順直,但槽底礁石多,底部較高,在當地水位1.5m以下斷流;右槽為枯水航槽,但河道彎而窄。汛期主流趨直偏向左槽,右槽為回流漫水區,泥沙大量落淤,退水期泥沙不能完全沖刷而形成彎道淺灘,天然情況下已出現礙航。大壩按156m蓄水后,由于沖沙期受壅水的影響,水流沖沙能力減弱,淤沙將逐漸增多。三峽工程青巖子河段泥沙模型試驗成果表明,在156m蓄水期,由于泥沙累積性淤積,灘勢將逐年惡化;當大壩按175m蓄水位運行一定時期后,右槽將全部被泥沙淤塞,不能通航,主流則轉向左槽,發生“倒槽”現象,但左槽內礁石縱橫,將影響安全通航。青巖子灘河床與水沙條件十分復雜,根據物理模型和數學模型分析,認為在三峽工程施工期,仍保持右槽通航。整治方案采用炸礁和疏浚,切除右槽左側部分突出的暗礁和淺磧,以拓寬加深航槽,同時在右岸建一道丁順壩,使主流偏向淺區,增大水流的沖沙能力。至于175m蓄水后,出現“倒槽”,該灘采用何種方案進行整治,目前,有不少科研單位正在進行分析研究。3.2.3低水勢偏,消滯降穩,保證航槽穩定上洛磧灘是川江著名的彎道淺灘,位于一寬闊的彎曲河段,枯水期具有彎、淺、險的特點。其成因一是因為上游洪水河寬僅650m,至灘段驟然放寬至1350m,使水流擴散,挾沙能力減弱;二是上游右岸南屏壩邊有數道石梁挑流,將洪水主流挑向洛磧邊灘,使大量卵石推移質停淤在磧翅處,而泥沙則落淤在右側大面積緩流區,沖沙期,主流偏右,淤沙沖刷而磧翅得不到完全沖刷而出淺。河道中,與磧翅相對處有多處暗礁,船行至此,左要防磧翅處擦淺,右要防暗礁,航線十分彎曲,操作困難。在135m蓄水期,灘段處于天然情況,在156m消落期,水位抬高4m以上,灘段產生累積性淤積,灘勢加重,在175m蓄水期,灘段處于常年回水末端,最低水位較天然情況抬高2m,航槽左移,水深亦不能滿足萬噸級船隊的通航要求。考慮到經濟合理與遠近結合的原則,此灘整治方案經分析研究,采取疏浚與筑壩措施。疏浚上洛磧突出江中的水下磧翅,拓寬枯水航槽,增大曲率半徑,同時在右岸建5道丁壩,束水沖沙,以保持航槽穩定。當水庫按175m水位運行后,可將丁壩繼續延伸、加高,配合挖槽疏浚進行整治,以達到萬噸級船隊通航尺度的要求。3.3洪水沖灘3.3.1聯浮式灘段觀音灘是川江著名的洪水急流群灘,長約5km,上行船舶在汛期常需扎水停航。在灘的下段、中段和上段兩岸均有多處石梁對峙,形成多處急流卡口。據觀音灘河段物理模型試驗,在135m和156m蓄水期,灘勢有所減緩,在175m蓄水期,當流量在25000m3/s以上時,灘段流速、比降不能滿足萬噸級船隊上灘的要求,年通航期僅50%左右。該灘的整治措施主要是炸除兩岸的突出石梁,增大泄洪斷面,以達到降低流速比降的目的。經過物理模型試驗多方案比選,需炸除觀音灘和朱家咀石梁,觀音灘炸礁底高為131.83m,朱家咀炸礁底高為132.34m。通過整治,觀音灘萬噸級船隊最大通航流量將提高至30000m3/s,年通航期可達80%以上。試驗中,還對繼續提高通航流量進行了探討,結果表明,投資將大大增加,而收益并不大,是不經濟的整治方案。鑒于炸礁底高均在135m以下,為避免水上炸礁變為水下炸礁,增大投資和施工難度,需提前在135m蓄水前進行整治施工。3.3.2物理模型試驗研究和尚灘長1km。在灘段內,左岸郭家咀和群豬灘石盤與右岸和尚灘石盤交錯對峙,束窄河床,形成急流灘。在郭家咀處,由于其后地勢低洼,當水流漫過石盤后伴有強烈的滑梁水。大壩蓄水后灘勢變化與觀音灘相似,在135m和156m蓄水期,灘勢有所減緩,但在175m蓄水期,當流量大于25000m3/s時,灘段內流速、比降均大于萬噸級船隊的通航標準。為尋求合理的整治方案,西南水運工程科研所對該灘進行了物理模型試驗。通過方案比選,確定的整治方案為炸除郭家咀和和尚灘石盤。整治標準與觀音灘相適應,即確保30000m3/s及以下流量滿足萬噸級船隊的通航要求。和尚灘和觀音灘最高通航流量定為30000m3/s,當實際流量大于此標準時,船隊須減載航行。4護岸、護坡效果分析三峽工程施工期變動回水區航道整治任務必須在2003年以前全部完成。到目前為止,已竣工的灘險有蠶背梁、灶門子、花灘、和尚灘和馬風堆5處,其中蠶背梁、灶門子、馬風堆已經過一個水文年的檢驗,并進行了整治效果觀測。蠶背梁整治后,副槽瓦子浩內水流平順,槽內基本無泥沙淤積,