長江口深水航道整治一期工程北槽沖淤調整分析

1第一階段的修復工程取得了明顯成效1.1南港總體結構在長江口往?？诘奶K北東鄉港和上海南港之間，長江口的水面寬度為90公里。從徐六井到河口，分為三個街區。四個人在大海。崇明島將長江口分為南北兩個分支，長興島和橫沙島將南支分為南支和北支，南支分為南支和北支。大型船舶主要通過北槽7.0m人工航道進出長江口。整治工程前,以橫沙東灘竄溝為界,其東側的北槽中段8.0m槽寬達2.5km,長18km,10m槽寬1.3m,長6.5km,北槽中段深槽呈東南—西北向,7.5m以深深泓止于橫沙東灘竄溝下口附近,其上的北槽上段水深不足7m河段長12km,灘頂水深6.0m左右,為北槽水深最淺的攔門沙灘段。整治工程前,靠疏浚維持7.0m水深、250m底寬的人工航道,年維護量約為1200萬m3,因國際航運船舶向大型化發展,7.0m水深航道嚴重制約了上海港及長江下游航運的發展。1.2工程方案和實施進度的改進(1)該項目的項目和最終目標長江口深水航道治理總體方案由分流口工程、南北導堤工程、丁壩工程和疏浚工程組成。主要作用場景分流口工程:潛堤3.2km,南線堤1.6km。主要作用是固定江亞南沙,使其不受沖刷而后退,從而穩定南、北槽分流口河段的河勢,確保北槽上口圓圓沙航道的暢通。南、北導堤工程:北導堤49.2km,南導堤48.077km,堤頂高程2m。主要作用是阻擋北槽兩側灘地泥沙在大風浪作用下進入槽內;封堵竄溝,歸順漲落潮主流路,起到擋沙導流作用。丁壩工程:丁壩19座(北導堤丁壩10座,合計長度17.883km;南導堤丁壩9座,合計長度13.819km)。主要作用是束水歸槽、增加槽內流速以增深航道。通過導堤和丁壩的共同作用形成優良河勢,增深航槽自然水深,以改善航槽疏浚維護條件,確保整治目標水深的實現。管道設計開辟設計水深12.5m、底寬350m(導堤口外底寬為400m)的雙向航道。管道分階段實施目標一期工程航道水深8.5m;二期工程航道水深10.0m;三期工程航道水深12.5m。(2)護底堤身3.一期工程于1998年1月27日開工,于2000年7月20日通過交通部組織的交工驗收。一期最終實施完成規模如下:北導堤:堤身N27+890~N30+000為超前護底。南導堤:堤身S30+000~S31+000為超前護底。南線堤:1.6km。潛堤:3.2km。丁壩:N1~N3、S1~S3完成設計長度的65%,增建N4、N5、S4、S54條丁壩,施工長度分別為N4—1600m(原設計長度的2/3)、N5—1025m(原設計長度的1/2)、S4—1000m(原設計長度的2/3)、S5—1600m(從原設計位置下移1000m)。1.3北溝修復效果(1)槽內微彎深汽深一期工程后北槽上段全河槽沖刷,深槽下延,航槽南側附近沖刷深度較北側大;中下段深泓從原東南—西北走向改呈東西向,折進北槽上段,全槽形成了一條上下段平順相接的微彎深泓線,除灘頂段6km(S3丁壩~S4丁壩之間)水深不足8.0m外,絕大部分河段自然深泓均在8.0~10.0m之間,8.0m槽寬度最窄處0.7km,最寬處2.0km,全槽沿程平均寬度約1.5km。整治工程后所形成的自然深泓位置除局部河段外(灘頂段及S5下游各6km左右)與航道軸線基本一致。(2)gm段深水從北槽河槽的自然水深看(圖1、圖2),處于S1、S2、S3丁壩范圍內航槽自然水深凈增加2~3m。S3附近的北槽灘頂一定范圍內5km區段水深增大1~2m。W3轉彎段附近4~5km范圍原局部深槽淤淺,但槽中水深還大于上、下段,枯季達到9.0m,洪季為8.2m,北槽下段直至口外的非整治工程段,航槽及兩側水深較一期工程前也增深約0.5m左右。(3)灘槽泥沙交換工程長江口深水航道一期工程建成后,分流口魚咀工程穩定了南北槽分流口的河勢,阻止了江亞南沙沙頭的下移趨勢,瑞豐沙沙尾未向下延伸,相反明顯上溯,圓圓沙航道灘頂水深得以明顯增深。一期南北導堤及其延伸段穩定了北槽中、上段的南北邊界,封堵了竄溝,減弱了灘槽泥沙交換,起到了擋沙、導流、改善流場作用,從而起到了改善河勢及減淤的作用。特別是北導堤起到了調整北槽中段主流路的作用,從東南—西北向調整成東西走向,原漲、落潮主流路明顯分岐的根本問題得到基本解決,故原停持于橫沙東灘竄溝下口的深泓得以向北槽上段伸進,與上段在丁壩作用下形成的深泓平順相接。丁壩調整了流場,增加了航道流速,使北槽上段大幅度增深。在導堤和丁壩的共同作用下,航槽自然水深明顯增深,從而大大改善了航道維護條件,維護8.5m航道的維護量與原維護7.0m的維護量大體接近(洪季臺風影響除外)。在1998、1999年大洪水及2000年多次強臺風侵襲期間,導堤所掩護的航道上段,基本上未受到洪水和臺風的影響,從2001~2002年上半年航道運行的實際效果看,通航效果良好,整治效果明顯,完全達到了預期的整治目標。2北槽一期改造工程前后劃分與砂量比變化2.1南槽和北槽流量變化的原因(1)建筑物的重新設計北槽斷面分流比一期工程實施前,北槽上斷面分流比保持在61%左右(含經從江亞北槽進入南槽下段的水量),北槽上斷面分流比保持在53%左右。封堵江亞北槽后(1999年8月,龍口基本合攏),北槽下斷面落潮分流比基本不變,仍保持在61%左右。而北槽下斷面落潮分流比增加,1999年8月,北槽下斷面分流比增加到61%左右,說明封堵江亞北槽起到了增加北槽下段流量的作用。斷面分流比實施一期6條丁壩工程的影響(1999年8月-2001年4月):上斷面分流比從61.4%減小到48.6%,下斷面分流比從61%左右減小到53.4%,。從分流比減小的過程來看,先期降得快,丁壩工程完成后逐步放緩。實施完善段4條丁壩的影響(2001年4月~2002年6月):上斷面分流比基本持平,仍維持在49%左右,下斷面分流比約減小1.6%。(2)一些理解各類落潮流的內容封堵江亞北槽是封堵了從槽上段進入南槽下段的落潮流。未實施丁壩工程前,先封堵了江亞北槽,北槽下斷面分流比增加8%,說明封堵江亞北槽確實能起到歸集落潮流入北槽的作用。分流比降到了42.4%實施丁壩工程后,上下兩分流斷面的分流比明顯減小,說明丁壩的阻水作用較大。一期丁壩工程完工后,下斷面的分流比減小了8%,抵消了封堵江亞北槽的影響,分流比降到了53.4%,與工程前的53.7%基本持平。整治工程實施后,分流比的減小除了丁壩的局部阻力所致外,還應考慮河床調整底沙下移造成局部集中堆積所增加的河槽的沿程阻力。一期丁壩實施及完成后,丁壩段在短短1年時間里總共沖刷起了6500萬m3泥沙往下輸移,大部分集中堆積在北槽中段,使北槽沿程阻力增大,下斷面分流比減小,在實施二期整治工程時對這個問題需予以重視,盡量使河床調整的過程和結果能夠向最有利于航槽水深增加的方向發展。繼續施工丁壩工程局部阻力小繼續實施完善段4條丁壩后,上斷面分流比不再有明顯變化,下斷面繼續減小1.6%,其影響較一期丁壩明顯為小,說明繼續往下實施丁壩工程局部阻力還有一定增加,但對分流比的影響已明顯減小。橫沙通道擴大的影響分流口上下兩斷面之間有橫沙通道來水匯入,從定性上分析,對上斷面而言將起一定程度的阻水作用,減小經上口下泄的水量,對下斷面而言將增加來水量。2000年3月通道擴大,上述影響進一步增加。1999年11月上斷面分流比57.3%,到2000年3月減小為52.1%,而同期下斷面只減小1%,反映出了上述影響,說明橫沙通道的擴大,對增加通道下游的北槽分流比是有利的。從近期上斷面分流比大體已穩定在49%左右,下斷面大體在50%~52%之間,也證實了上述認識。面為4.9,下斷面為84.82002年6月最近的一次分流比實測值,上斷面為48.9,下斷面為51.8。從2001年4月到現在1年多來,上、下兩斷面的分流比值均在此二值上下波動,說明大體上已趨于穩定。2.2沖淤調整和疏浚期含沙量增根據工程實施前已有的歷史資料統計,北槽發展、穩定后至整治工程實施前,北槽懸沙分沙比小于分流比(歷史上1971、1984、1991年也曾有懸沙分沙比大于分流比現象,主要是由于含沙量變化引起的)。一期工程實施以來,北槽懸沙分沙比與分流比的比值總體仍小于1,期間出現幾次北槽落潮的懸沙分沙比略大于分流比的現象。北槽懸沙分沙比的增大與懸沙含沙量的增大有關,在大規模河床沖淤調整和疏浚活動期間,含沙量明顯增大。長江口河床底質為d50=0.165mm的粉細砂,攔門沙河段懸沙d50=0.01m,河床表層主要為3.0~6.0m厚的灰黃色粉沙,在水動力作用下具有高可動性的床沙。長江口水動力作用又具有較大的強度,北槽潮流流速峰值達2~3m/s。在高可動性床沙的區域實施導堤、丁壩等整治建筑物工程勢必引起強烈的河床沖淤調整。據統計,1999年8月至2000年11月一期丁壩段沖刷下移的泥沙達6500萬m3左右,按該區域河床質取樣分析表明,底質顆粒組成小于等于0.01mm占20%以上,極易懸揚。同時期,由于北槽50余km航槽在進行大規模疏浚、拋泥(仍在北槽)活動,計一期基建疏浚量及至2000年11月的維護疏浚量累計達5000萬m3左右,其中近90%的北槽#1、#5拋泥區拋泥,大量懸浮的細顆粒泥沙隨北槽漲落潮流往返搬運,也勢必引起北槽懸沙含沙量的增加。另外,上游南港河段瑞豐沙腰部沖開,底部高含沙量水體進入北槽也是原因之一。分沙/分流比值的變化實際上反映了含沙量的變化,從整治工程開始以來分沙/分流比值的變化過程看,沒有趨勢性的增大或減小,北槽的分沙/分流比值的階段性變化主要是人為因素造成的,是暫時的,北槽含沙量小于南槽的基本分沙格局沒有發生變化。2.3通過重建項目，局部沉積物運動(1)丁壩段沖刷形成底沙的現狀自1999年7月一期丁壩工程實施以來,丁壩段產生較大沖刷,沖深2~3m,造成大量底沙下移。據統計,1999年8月至2001年2月,丁壩段沖刷產生的泥沙量達6500萬m3左右。挖槽南側所產生的泥沙循南緣徑直向下輸移,北側的泥沙在東南向底流的作用下跨過W3轉彎段上下航槽,先堆積在北槽中段,后逐步下泄。(2)泥沙氣象沉積導堤北側灘地在沿堤流作用下發生的沖刷。據統計,1999年2月至1999年12月底北導堤北側沿堤沖刷產生的泥沙達1010萬m3。其中,1999年7月后一期北導堤在橫沙東灘竄溝以西的灘面上停滯了較長時間,漲落潮繞堤流造成堤頭附近灘地強烈沖刷,1999年7~12月產生泥沙達530萬m3。這部分泥沙出橫沙東灘竄溝后,主要沿東南向輸移,成為北槽中段淤積帶的重要物質來源。2000年2月橫沙東灘竄溝基本封堵后,北導堤北側沿堤沖刷產生的泥沙被攔截在北導堤以北。(3)沖刷產生的沙量據統計,1998年9月至2000年8月,這個區域沖刷產生的沙量共計2550萬m3。這部分泥沙主要漲潮流沖刷產生,泥沙在往復潮流運移中,同樣部分泥沙也將在W3轉彎段附近跨越航槽,循東南向下排。3第一階段河床應急維護工程中各階段河床應急維護效果的分析3.1北港河和南港河的發展概況和原因(1)瑞豐沙魚島魚砂沖淤期2002年8月18.5m工程前后相比較,南港河勢出現了較大變化(深槽傍靠南岸的大河勢格局沒有發生變化),可歸納為:①南側主槽淤淺又復從上往下沖刷恢復,但尚未全部恢復,特別是南港下段南側主槽的水深未能完全恢復,10m等深線偏離岸邊。②自吳淞口到瑞豐沙中部出現一條東北向的強沖刷帶,與此同時在其南側的南港上中段相應出現一條同樣為東北向的淤積帶。③東北向的沖刷帶在瑞豐沙下沙體處被迫折向東南向發展,與南槽進口段北側的沖刷區相連。④瑞豐沙南沿發生側向淘刷,繼之中部沖開5m以深的橫向通道,最深處6.5m,與北側長興島漲潮槽溝通。側向淘刷下來的泥沙,在橫向通道口南側堆積,形成江心沙體。⑤被切開的瑞豐沙下沙體未出現如歷史上出現過的整體下移情況,相反,沙尾明顯上溯,7.5m等深線遠離圓圓沙航道。⑥瑞豐沙尾上溯,圓圓沙航道水深明顯增深,原洪季7.5m沙層侵入航道北側,現只9m等深線貼近槽邊。2002年枯季9.5m等深線止于槽邊,航道灘頂水深從原7.9m增加到現在的9.5m,灘頂上下10.0m深槽中斷的距離從原1.6km縮短到0.4km,2002年8月10.0m深槽貫通。⑦北槽進口段自長興島東南角到橫沙島南側出現大范圍的淤積帶,橫沙通道南口亦有淤積,但強度明顯為小,長興島島尾淤長出伸向江心的沙嘴。⑧橫沙通道自2000年3月后明顯沖深擴大,過水容積從2.64×107m3增加到3.60×107m3,增幅達36%。⑨南槽進口段北側自分流口潛堤頭部開始逐步沖刷出一條東南向的10m深槽,長度達6km左右,而南側沖淤基本平衡,未出現南港南側深水岸線貼南岸向南槽伸進的預測情況。(2)重大變化時產生的原因時上述南港及南、北槽進口段河勢的明顯變化是在上下邊界條件均發生重大變化的背景下產生的。上邊界條件的重大變化是1998年、1999年連續2次大洪水所引起的南支下段的河勢大變化,下邊界條件則是北槽的整治工程引起的。坡向、落潮期南港上、中段的變化主要是上邊界條件發生重大變化所引起的。2次連續大洪水使南港上口進流主通道易位,由新寶山水道改變成瀏河沙北通道。新寶山水道傍靠南岸,與南港南岸主槽順直相連,落潮主流必然緊貼南港沿南岸下泄。瀏河沙北通道成為主汊后,由于其走向呈東南向,故落潮主流進南港后必然會有一部分水流北偏。新主通道沖深發展又產生大量底沙進入南港,主要淤積在南側主槽,又助長了北偏水流的強度,南港中上段東北向的強烈沖刷帶由此形成。北偏落潮流又必然強烈側向淘刷瑞豐沙中部,在其南側堆積,又形成心灘。瑞豐沙中部側向淘刷,灘體寬度縮窄,橫比降增大,過灘流速增加,導致沙體被切開。與長興島漲潮槽溝通的橫向通道的泄流能力是有限的,故北偏的部分水流又在瑞豐沙下沙體南側與心灘之間被折向東南,沖出一條東南向的8~9m的支汊。這條支汊又與下游南槽進口段北側新形成的10m深槽相連,說明南港上、中段北移的這部分落潮流最后又復折向南槽下泄,這是上下邊界條件發生變化共同作用的結果。分流比增大,南槽進口段沖刷不穩定,這也是次要事件南港下段及南、北槽進口段的變化主要是下邊界條件發生重大變化引起的。北槽整治工程所引起的本河段水、沙運動條件的變化,在水流條件方面可歸為2點:落潮分流比發生變化。北槽進口段上斷面落潮分流比減少了12%,南槽進口段上斷面增加了12%,這是北槽實施丁壩工程所引起的。漲潮主流路的變化。原北槽上段漲潮主流偏北,實施北導堤及丁壩工程后,迫使上游進入北槽進口段的漲潮流主流路南移。本河段的一系列重大改變均起因于上述二方面的水流條件的重大變化。北槽上口分流比的減小及南槽上口分流比的相應增加,必然會引起北槽進口段的淤積及南槽進口段的沖刷。但值得注意的是,南槽進口段的沖刷不在南側而在北側,北槽進口段的淤積不是全河槽淤淺而是集中在橫沙島、長興島兩島連線一側,而上口圓圓沙航道水深不淤反沖。定床物模實驗表明,北槽實施丁壩工程后,在分流口工程潛堤頭部出現一股由北向南的越堤水流,南槽歷年實測地形圖說明南槽進口段北側的長6km左右的10m深槽正是由這股越堤流淘刷北側河床逐步形成的,說明南槽進口段所增加的12%落潮流主要是越潛堤進入南槽進口段的。南槽進口段增加的分流量經由北側進入,加之南港上段部分水流北移又復南折,這一雙重原因造成南港下段南岸深槽上溯、南岸10m等深線離岸北移,這一方面造成南港下段貼岸深槽淤淺,同時又使圓圓沙航道上下10m深槽間斷的距離縮短。北槽北側丁壩及北導堤的建設使上溯的漲潮流南移,由此造成近長興島、橫沙島側淤積、長興島尾淤長沙嘴,且北槽進口段南側也淤淺,這是北槽進口段航槽水深并未因落潮分流比減小12%而淤淺的原因所在。上溯的漲潮主流路南偏使作用于瑞豐沙下沙體及沙尾的漲潮流增強。瑞豐沙尾有洪季下移、枯季上溯的年周期演變規律,即洪季落潮流增強沖刷下移,枯季漲潮流增強,沙尾上溯,年內達到基本平衡。北槽實施整治工程后瑞豐沙尾持續被沖上溯,出現了趨勢性變化,無疑是漲潮流增強所致。從沙尾處等深線呈凸字形的沖刷形態上,亦證明系漲潮流所致。由于這一演變是下邊界條件改變所引起的,而這種改變又是永久性的,故沙尾的上溯及圓圓沙航道水深的增加也將會適應這一改變。3.2橫沙東灘竄溝主通道改造北港與北槽之間通過橫沙通道及橫沙東灘竄溝(包括灘面)維持水量平衡,隨著東灘竄溝扭曲萎縮,橫沙通道水量有所增加,通道有所發展,興建北導堤后原經橫沙東灘竄溝主通道進行交換的水量,必然有部分改經橫沙通道進行交換,維持北港與北槽之間的水量平衡。據測量資料,1997年橫沙通道內10m等深線是不通的,一期工程實施以來不斷發展,北導堤封堵東灘竄溝后橫沙通道隨之明顯沖深擴大,2000年3月(橫沙東灘竄溝已基本封堵)5m槽內平均水深從工程前7.9m增加到9.4m,2000年5月增加到10m,2000年11月,12m等深槽基本貫通,其后河床沖淤變幅不大。3.3滲流場及其作用此段為一期丁壩作用區。丁壩工程實施后,全河槽普遍沖深,南側沖深幅度大于北側,深泓偏在南側的南丁壩附近。沖刷變化過程如下:(1)1998年9月(工程剛開工)到1999年8月此段時期丁壩壩身尚未開工,北導堤停滯于N16+400(竄溝未堵),南導堤做到S18+722,江亞北槽已基本封堵,此時南導堤已攔截了江亞北槽的大部分落潮流,歸入北槽下泄,故緊貼南導堤一側發生沖刷,10~7m等深線沖深下延,航槽南半側平均沖深0.5m左右,但航槽水深未見增深。(2)1999年8月至2000年11月一期南北導堤作用效應的發揮,特別是S1、S2、S3、N1、N2、N36條丁壩工程實施的作用,該河槽持續沖刷,5m以下河槽容積增加80%,平均水深增加1.1m,航槽增深2~3m,作用效果明顯。(3)2000年11月至2002年2月2000年11月后,一期丁壩段的沖刷趨于緩和,2000年11月至2001年5月,河床基本穩定,該區段上段航槽水深已在8.5~10m之間。2001年5月至2002年2月,隨著下游完善段4條丁壩的建成,該段的5m以下河槽容積有所減小,航槽南側(S3-S4區段)淤淺,航槽水深略有淤淺。3.4北導堤東南角至1999年11月的時段一期工程實施以來,受大量局部底沙下移的影響,北槽中段從1998年9月至2000年8月,一直處于嚴重淤積狀態,淤積體呈東南—西北走向,跨越航槽,平均淤積幅度在1.2m左右,其中淤淺較快時段為1998年9月至1999年11月,而以1999年8月至1999年11月(北導堤N16+400停留較長時段、橫沙東灘竄溝又未封堵)時段為最大。2000年2月北導堤將東灘竄溝封堵,繼之又向下延伸,上溯進北港的潮量被截,中段東南—西北向的10m深槽迅速淤積消失,但主流路調整成東西走向。2000年8月后隨過境沙量減少,河槽沖刷,深槽向北槽上段上溯,2000年11月后沖刷速度加快,航槽槽外的灘面水深已從2000年8月的7.2m增深到7.8m,到2001年2月8m深泓和北槽上段基本貫通,微彎新河勢初始伊成,到2001年5月全面形成。2001年5月至2002年2月,隨著完善段4條丁壩(N4、N5、S4、S5)的完工,S4以下航槽水深顯著增加,7.5m以下河槽平均水深增加0.3m。3.5北導堤北槽積土流失區一期工程實施后上述河床調整的產生泥沙主要沿東南向下輸移,堆積在W3下約10km處的九段沙北沿,對航槽水深產生明顯影響,故采取了將部分航槽北移的改線措施。一期北導堤特別是封堵橫沙東灘竄溝,攔截了原從北槽下段經過橫沙東灘及橫沙東灘竄溝進入北港的漲潮量,北槽中下段北側區域漲潮量明顯減小,故中下段北側深槽淤淺,深泓南移。從河槽容積和河槽平均水深的變化看,1999年3月至1999年11月,受上游工程段河槽沖刷的影響,進入本段的局部來沙量明顯增加,河槽容積、平均水深都有較大幅度的減小。1999年11月至2002年2月,北槽