（水利工程专业论文）长江中游监利河段河床演变分析及整治措施研究.pdf

摘要 监利河段是长江中游历史上航道重点维护浅滩河段，三峡工程蓄水运用后又 是最早受到影响的沙质浅滩河段之一，为了给该河段的航道整治工程立项实施提 供有力的技术支持，对该河段的演变规律、影响因素及碍航特性进行分析，预测 三峡建库后的演变趋势，提出航道整治对策与措施具有重要的意义。 本论文结合交通部西部交通建设科技项目“长江中游严重碍航河段一监利河 段航道治理关键技术研究”而开展的。在收集国内外相关研究成果和对长江中下 游弯曲分汊河段的平面形态、水文泥沙特性和河床演变特征等进行广泛调研的基 础上，通过对监利河段河床历史演变和近期演变的系统分析，以及三峡工程蓄水 运用后对监利河段的影响，深入探讨了监利河段的浅滩成因及其影响因素和采取 治理措施的思路和依据，揭示了监利河段的演变过程遵循周期性的规律，即右汉 新生断面扩大深泓线左移流路弯曲增长右汊衰亡新的右汊 再生；探讨了影响主支汉转换的主要因素有河床边界条件、来水来沙条件、上游 河势的影响和人类活动的影响；指出了监利河段航道存在的主要问题是“上浅下 险 ；得出在三峡工程运用后，主汊将在相当长的时间内稳定在右汊，监利河段总 体上保持目前的河道形势，局部还将继续向不利方向发展。最后，提出了对监利 河段的整治应抓住目前有利时机，采取工程措施，稳定现有滩槽形势和主流流路， 使之达到规划确定的航道尺度。 本文研究成果已经初步应用到实际工程的设计当中，取得了良好的经济和社 会效益。 关键词：河床演变；浅滩；航道整治；分汊河段 j i a n l ir e a c hw a st h ef o c u s m i d d l er e a c h e so ft h ey a n g t z e a b s t r a c t o ft h em a i n t e n a n c ew a t e r w a yo fs h o a lr i v e ri nt h e r i v e ri nt h eh i s t o r y w i t ht h et h r e eg o r g e sp r o j e c t w a t e r i n ga n dt h e nw a s o n eo ft h ef i r s ta f f e c t e db yt h es a n d yr e a c h f o rt h ew a t e r w a yo f t h er i v e rt r a i n i n gw o r k sp r o j e c tt op r o v i d es t r o n gt e c h n i c a ls u p p o r t ，a n a l y z e dt h e e v o l u t i o no ft h ef i v e r , i n f l u e n c i n gf a c t o r sa n di m p e d en a v i g a t i o n a n dp r e d i c t e dt h e e v o l u t i o no fl i b r a r yt r e n d sa f t e rt h et h r e eg o r g e s ，p r o p o s e dt h et i m i n ga n dr e m e d i a t i o n s t e p s ，a n dr e g u l a t i o nc o u n t e r m e a s u r e sa n d m e a s u r e sal a r g en u m b e ro fe x p l o r a t i o n t h i sp a p e rw a sc a r r i e do u tf r o mt h ew e s t e r nc o m m u n i c a t i o nc o n s t r u c t i o np r o j e c t o ft h er e s e a r c ho nt h ek e yt e c h n o l o g i c a lr e s e a r c ho nc h a n n e lr e c t i f i c a t i o no nt h e s t r e t c hw h i c hs h i p p i n gc o n d i t i o ni s s e r i o u s l yb a da t t h em i d d l er e a c h e so ft h e y a n g t z e j i a n l is t r e t c h r e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a tt h ej i a n l ir e a c ho ft h ee v o l u t i o nt o f o l l o wac y c l i c a l ：t h er i g h tb r a n c hf r e s h m e n - c r o s s - s e c t i o ne x p a n s i o n - d e e pw a n gl i n e l e f tl a n e - t h er o a dc u r v e df l o wg r o w t h f i g h tb r a n c h i n gd e c l i n e - t h en e wr i g h t b r a n c h i n g r e g e n e r a t i o n ；i m p a c tt h em a i nb r a n c ho ft h em a i n f a c t o r sb r a n c h i n gc o n v e r s i o nh a sb e d b o u n d a r yc o n d i t i o no fi n c o m i n gw a t e ra n ds e d i m e n tc o n d i t i o n s ，t h eu p p e rr e a c h e so f f i v e ri n f l u e n c ea n di m p a c to fh u m a na c t i v i t i e s ；t h em a i np r o b l e m so fs u p e r v i s o rr i v e r w a t e r w a yo fj i a n l ir e a c ha r e ”u n d e rt h es h a l l o wa n dd a n g e r o u s ”；a f t e rt h et h r e e g o r g e sr e s e r v o i r ，t h em a i nb r a n c hw i l lb ei nf o ral o n gt i m es t a b i l i t yi nt h er i g h tb r a n c h ， j i a n l ir e a c ho ft h ew h o l er i v e rt om a i n t a i nt h ec u r r e n ts i t u a t i o n ，t h el o c a lw i l lc o n t i n u e t oa d v e r s e l yd i r e c t i o n t h e r e f o r e ，t os e i z et h ec u r r e n tf a v o r a b l eo p p o r t u n i t yt ot a k e e n g i n e e r i n gm e a s u r e st o s t a b i l i z et h ee x i s t i n gs i t u a t i o na n dt h em a i n s t r e a mb e a c h t r o u g hf l o wp a t h ，i t i se x t r e m e l yn e c e s s a r y d e p e n d i n go nt h ec i r c u m s t a n c e s ， r e m e d i a t i o no fj i a n l ir e a c hs h o u l db et r a i n i n gf o rs t e p b y s t e p ，ap r o j e c tf i r s t ，a n dt h e n f o l l o w u pp r o j e c ti m p l e m e n t a t i o na c c o r d i n g t ot h ec i r c u m s t a n c e si no r d e rt o f u n d a m e n t a l l ys o l v et h ep r o b l e mo ft h er e a c ho ft h es e r i o u sp r o b l e m so fi m p e d e n a v i g a t i o nt om e e tt h ef l i g h tp a t hp l a n n i n gt od e t e r m i n es c a l e t h er e s e a r c hr e s u l t sh a v eb e e np r e l i m i n a r ya p p l i e dt ot h ep r a c t i c a lp r o j e c ta n d h a v ea c h i e v e dg o o de c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s k e yw o r d s ：r i v e r b e de v o l u t i o n ；s h a l l o ws h o a l ；c h a n n e lr e g u l a t i o n ；b r a n c h i n gr e a c h 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 一签础碑 ，l ，、l，、 日期呷年，月日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信 息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其 他媒体发表论文的权利。 一签名瑰砖 指剥撇：奶纱 嗍研年歹月谚日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系 列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规 定享受相关权益。 学位论文作者 日吁 指剥币虢奶才 嗽巧年厂月硌日 第一章绪论 第一章绪论弟一早三百。了匕 1 1 问题的提出及选题的意义 长江作为我国第一大河流，是全国内河航运最重要的水运主通道，水运条件 十分优越。长江干线航运是连接我国东、中、西部地区的重要纽带，是实施西部 大开发战略的重要依托，也是长江沿江经济持续、快速发展的重要支撑。原交通 部张春贤部长在2 0 0 5 年全国交通工作会议上明确提出，要按照“深下游、畅中游、 延上游”的总体思路加快长江黄金水道建设n 1 。2 0 0 5 年1 1 月2 8 日七省两市和交 通部在北京举行了“合力建设黄金水道，促进长江经济发展”座谈会，明确提出 了长江水运发展的总体目标：到2 0 2 0 年，长江水运要实现现代化，适应沿江经济 社会发展需要，为沿江经济社会全面协调可持续发展提供高效、畅通和有竞争力 的水运服务。长江水运优势充分体现，黄金水道作用充分发挥。 长江中游航道作为长江干线航道的重要组成部分，起着承上启下的作用，具 有显著的战略地位和开发利用价值。长江中游航道条件的好坏，直接关系到水运 主通道的整体畅通以及东西部物资交流和经济交往。由于多年来投资不足，长江 中游航道尚未经过大规模系统整治，在很大程度上仍然处于天然状态，通航能力 差，受自然条件影响大，“枯水断航”、“洪水禁航”的现象时有发生，给长江航运 带来了很多不确定性的因素。枯水期部分水道需通过调标、改泓、清障、疏浚等 维护措施才能保证航道畅通，如遇不利水文年，甚至出现滞航、碍航现象。 三峡工程已于2 0 0 3 年6 月蓄水运用，大量泥沙被拦截在库内，清水下泄，坝 下游河道河床将发生长距离、长时段自上而下的冲刷，水位下降，可能引起局部 河段的河势产生不同程度的调整，原有部分浅滩的航道条件可能会进一步恶化， 碍航问题将进一步加剧，若不加以治理或实施必要的控导工程，直接影响长江航 运的安全畅通，进而影响到沿江经济带的快速发展，以及中央制定的“中部崛起 战略的顺利实施。 为了实现长江干线航道发展规划目标，发挥三峡工程的航运效益，确保长江 航道整体畅通，为实现“中部崛起提供航道保障，必须对长江中游航道开展系 统治理。但是，由于三峡工程对坝下游河道的影响问题涉及因素较复杂，在对中 游航道进行系统整治之前，需要解决航道治理所涉及的关键技术。如不同类型浅 滩的演变规律、三峡建库后的演变趋势以及有针对性的治理措施等。长江中游浅 滩按其河道特征可分为分汊段浅滩、长直过渡段浅滩、弯道段浅滩，各类浅滩又 具有不同的演变特征和碍航特性。长江航道局已对长江中游受三峡工程影响较早 的上荆江典型分汊段浅滩沙市河段、长直过渡段浅滩周天河段的演变规 律及三峡建库后的演变趋势进行了深入分析，并就航道整治对策与措施进行了大 2第一章绪论 量探索，研究成果为长江中游沙市河段和周天河段航道整治提供了技术支撑，加 快了长江中游航道治理前期工作的步伐。 根据交通部确定的长江航道建设“深下游、畅中游、延上游”的总体思路， 长江中游近期以解决重点浅滩的碍航和不畅问题为重点，监利河段是长江中游的 严重碍航卡口河段，也是长江中游系统整治的重要一环，由此，开展长江中游监 利河段的航道治理关键技术研究，弄清监利河段的演变机理、规律和碍航特征， 提出合理可行的治理措施对于加快监利河段航道整治工程实旌步伐、打通中游航 道的“瓶颈”、确保航道整体畅通具有十分重要的意义。 随着三峡工程对长江中游河道的影响自上而下发展，位于下荆江的监利河段 出现了“冲滩淤槽”的不利局面，给航道维护工作带来了前所未有的困难。分析 表明，三峡工程1 3 5 m 蓄水运用以来，乌龟夹进口浅区局部冲淤较大，枯季滩槽高 差减小，航道条件进一步恶化；有些时候在乌龟央中部还会出现过渡段浅区，该 河段已成为影响长江中游航道畅通的主要卡口瞳1 。今后随着三峡工程开始1 5 6 m 、 1 7 5 m 蓄水运用，来水来沙条件进一步改变，监利河段的局部河势调整将加剧，碍 航问题将更加突出。若不及时加以整治，势必直接影响长江中游航运的安全畅通。 但由于三峡工程对坝下游河道的影响问题涉及因素较复杂，对监利河段演变趋势、 碍航原因及相应治理措施的认识还不成熟，现有成果不能满足航道治理工程需要。 因此，在对中游水道进行系统整治之前，开展长江典型弯道段浅滩监利河段的 航道治理关键技术研究，揭示监利河段浅滩的演变规律与碍航特征，并结合三峡 工程蓄水以来航道的新变化，预测其发展趋势和对航道的影响，提出有针对性的 航道治理对策，为航道治理提供科学依据和技术支持。 近几十年来，监利水道无论是走乌龟夹，还是走左汊，在乌龟洲头部附近河 道中均存在浅滩。由于河道较宽，汛期浅滩淤积十分严重，部分年份可淤至航道 基面以上，退水期，主流随水位的退落而摆动，不能集中冲槽，因此，形成多个 槽口，每个槽口均不稳定且水深不足。枯季航道维护需根据槽口的变化而不断地 调标改泓，并进行爆破清障，部分年份需进行疏浚，由于浅滩处河道宽浅、水流 平缓，边疏浚边回淤，效果较差，并造成部分时问断航。 三峡工程蓄水运用以来，乌龟夹进口浅区局部冲淤产生了一定的影响，使枯 季河道滩槽更不明显，航道条件进一步恶化。2 0 0 3 - - - - 2 0 0 4 届退水术期乌龟夹进口 已有一些心滩出露，枯水期，心滩逐渐冲失，造成有水无槽的局面，致使航道形 势恶化。2 0 0 4 - - - 2 0 0 5 届枯季，乌龟夹口3 k m 左右范围河床平缓，没有明显深槽， 航道形势十分严峻，航道部门采取了超常规维护措施，每天均需进行禁航疏浚， 海事部门派监督艇在现场控制航行秩序。当时航槽形成倒挂金钩形势，下水船舶 航行十分困难，每天都有三、四条船搁浅，往往一艘船舶在航道内搁浅，造成多 第一章绪论3 艘船舶拥挤于航道内，连续发生搁浅与碰撞事故。2 0 0 5 年1 月中旬后，航道条件 略有好转，至2 0 0 5 年2 月中旬后，航道才恢复正常维护。 由于目前监利河段河势条件及河床演变规律极其复杂，综合整治工程实施的 条件尚不具备，因此，在今后一段时间内，监利水道枯季航道仍需立足于航道维 护，但长期存在的枯季严重碍航不但给航道维护部门造成巨大压力，并且已对长 江航运及沿江经济造成一定影响，船舶运输部门迫切要求航道部门寻求新的枯季 航道维护手段，确保航道畅通。该水道保畅通问题已引起各级领导的高度重视和 广泛关注。因此，保证监利水道枯季航道畅通将是贯彻落实“畅中游”的重要举 措。 因此，对长江中游监利河段河床演变规律、影响因素及碍航特性进行分析， 预测三峡建库后的演变趋势，并提出航道整治的对策与措施具有十分重要的现实 意义。 1 2 国内外研究现状 从“七五 期至今，国内有关科研单位对长江中游宜昌江口沙卵石组成河 段在三峡蓄水运用后的演变趋势与航道治理措施进行了大量探索，取得了有理论 和实际应用价值的成果。2 0 0 1 年和2 0 0 2 年开展的西部交通建设科研项目“长江 中上游重点清淤工程关键技术研究”和“长江中游典型浅滩演变规律与整治措施 研究”分别以长江中游上荆江沙市河段、瓦口子马家咀河段和周公堤天星洲 河段为代表，对较早受三峡影响的长江中游沙质河床段演变及治理措施展开系统 研究，在上荆江沙质浅滩的航道治理关键技术上取得了重要突破，为上荆江浅滩 河段的全面治理奠定了基础，但对下荆江蜿蜒性河段的浅滩治理研究较少。2 0 0 4 年长江航道规划设计研究院在进行长江中游宜昌一城陵矾河段浅滩演变及航道治 理对策研究时，曾对监利河段三峡蓄水以来的航道变化进行了初步分析，并对演 变趋势进行了预测，提出了初步治理对策d 3 。 目前，国内外对于河道演变与航道治理研究多采用概化模型试验、实体模型 试验、数学模型计算和对实测资料进行分析，数模多用于研究一、二维问题，概 化模型和实体模型则多用于研究复杂的二、三维问题；这几种研究手段可以单独 使用，对于重要的工程，则可能需要多种手段相互配合，各取所长，相互验证， 以保证研究成果的可靠性和有效性。从发展趋势来看，数模因其周期短、投资少 的优势发展较快，主要表现在计算方法的创新和改进上；概化模型和实体模型相 对于数模在理论上成熟一些，作为实体模型理论基础的相似理论已趋定型，国外 在一些中小型河流的研究中对于模型试验的设计及运行方法已经积累了丰富的经 验，试验成果的可靠性也有了显著提高，其发展趋势主要表现为进一步完善动床 4 第一章绪论 试验的方法，扩大实体模型的应用领域、改进实体模型的试验操作和控制技术。 1 2 1 河工模型试验 河工模型试验是较早用于河流模拟研究的方法1 1 。十九世纪初比尺模型开始 出现，当时试验和测量手段比较落后，控制由人工调节，模型的模拟精度比较低。 二十世纪中期，河工模型试验有了较大的发展，量测手段有了显著改善，模型试 验的方法也在不断完善。由正态定床模型试验，发展到变态，再到后来的动床模 型试验。随着现代科学技术和泥沙研究的发展，特别是计算机的出现和迅猛发展， 近1 0 年来，河工模型研究从设计方法到试验技术都取得了显著进展。河工模型试 验手段发生了巨大的变化，实现了计算机控制下的数字采集与控制，如重庆交通 大学自行研制的瞬时流速( 谱) 采集系统等河工模型智能化采集控制系统，这些 系统的研制和应用不仅节省人力、物力，而且提高了试验成果的质量。在模型几 何变率、比降二次变态、模型沙的选择、宽级配非均匀沙模拟等方面也提出了新 的理论和模拟方法。李昌华、窦国仁等提出了模型最小水深比尺判据，以保证模 型水流处于阻力平方区。李保如、张红武等对黄河等模型提出以河流综合稳定性 指标作为河流相似准则，比较好地复演了原型的演变特点。谢鉴衡等提出表达河 道水流二度性的模型变态指标。模型试验的规模也在不断扩大，出现了诸如葛洲 坝、长江口整治工程、三峡这样的大比例尺模型。因此，到目前为止，重要浅滩 河段的冲淤研究和整治工程措施研究，都要应用河工模型试验。尽管河工模型试 验取得了成绩、发挥了作用，但是，山于挟沙水流运动规律十分复杂，各种相似 条件之间存在的矛盾较清水水流大，动床河工模型不容易做到像清水水流那样能 满足各种相似条件，模拟的时段越长则难度越大。因现有泥沙运动基本理论的不 完善，若以较高标准来衡量，相当一部分己经完成和正在进行的泥沙动床模型在 设计及试验过程中存在这样或那样的问题。如： 模型尺寸的限制：模型尺寸的上限受实验室的现实可能性的限制，下限受 各种相似条件的约束，另一个限制是最小模型比尺( 由表面张力、粘滞性和糙率的 影响所规定) 。一般而言，当原型水流为紊流时，要求模型的雷诺数必须保持足够 大，以确保模型的紊流条件； 对于推移质模型，泥沙起动相似条件难于把握，模型沙起动与实际是否相 似无法确切判断，河床阻力和进口加沙难于准确确定； 时间变态问题。水流运动时间与河床变形时间比尺相差的时间变态难于解 决； 几何变态问题。严格的正态模型的模型沙也应遵守几何相似原理，对悬移 质泥沙动床模型，若不采用变态模型则模型沙很难选择，而模型沙运动失真，难 第一章绪论 5 以保证研究成果的可靠性。 模型的变态意味着偏离几何相似，所以模型比尺只是近似地应用于变态模型。 这种变态尽管可用增加模型糙率来抵偿，从而可对断面平均水位和流量正确地加 以模拟，但是对水流条件细节的模拟不再正确，即这种对严格模型相似的偏离可 能导致原型水流情况和模型水流情况的显著差别。由于河工模型必须遵守模型律 所给的条件，因此只能模拟有限的流动过程。此外，动床河工模型试验周期长、 费用高、缺乏灵活性，这也是限制河工模型大范围应用的原因之一。 1 2 。2 数学模型 数学模型是将已知的水动力学基本定律用数学方程进行描述，在一定的定解 条件下求解这些数学方程，从而达到模拟一些水动力学的理论问题及实际问题。 描述水流运动的控制方程组，多具有非线性和非恒定性，定解条件复杂多变，用 解释法求解几乎不可能。因而长期以来，水利工程问题的解决主要借助于物理模 型实验。但在大型水利、水运工程的规划设计时，不能仅考虑邻近区域的水利条 件及其影响，还必须考虑该工程对整个流域或邻近流域的影响，物理模型对此一 般难以解决。同时物理模型存在周期长、费用高等缺点，促使许多学者和工程技 术人员寻求数值求解水流运动方程的方法和理论。1 9 2 8 年c o u r a n t ，f r i e d r i c h s 和 l e w y 提出了有限差分理论，但因计算量太大而未能推广应用。直到电子计算机的 问世，为求解水流运动方程提供了强有力的计算工具，数学模型受到重视并得到 迅速发展。1 9 5 2 年至1 9 5 4l s a a c s o n 和t w e s c h 建立了俄亥俄河和密西西比河部分河 段的数学模型，并进行了实际洪水过程的模拟。到2 0 世纪6 0 年代中期，为解决各 种各样的设计和规划问题，建立了大量用途单一的数学模型。到2 0 世纪7 0 年代后， 许多功能更加完善的数学模型先后出现，特别是紊流模式的不断完善，三维数学 模型也进入实用阶段。今天，数值计算己广泛应用于水利、航运、海洋、环境、 流体机械和流体工程等各个科学研究领域。 由于数学模型在求解过程中存在参数或系数确定的问题，如糙率、阻力系数、 挟沙力公式及系数、推移质输沙率公式及系数等，这些经验公式如果应用不当就 脱离实际。在利用数学模型进行河床变形预测时，从理论上讲可以在这些资料的 范围内对未来进行准确的预报，但并不一定能够外延。另外，现阶段的数学模型 计算结果的表达不直观，用户无法对模型计算迸行跟踪操作，模型计算结果与其 它信息集成、交流困难，也影响了数学模型的迸一步发展。 1 2 3 实测资料分析法 实测资料分析法曲1 是一种最老，也是最常用的基本方法，它定性合理、可靠， 6 第一章绪论 是河工模型试验和数学模型结果检验的最有效方法之一。实测资料分析的目的在 于掌握浅滩演变的规律，区别影响浅滩演变的主要因素和次要因素，通过专家对 河流过去演变的认识，预测浅滩今后变化的趋势。现阶段主要是对天然河道实测 资料进行研究分析，具体做法有以下几个方面： 水深分析 水深是反映浅滩冲淤变化的基本资料。一般利用浅滩的水位与水深关系作为 反映浅滩冲淤变化的基本特性。 河床形态分析 不论是长时期河床形态分析还是短时期河床形态分析，主要是利用实测地形 资料，绘制平面叠合图，分析河床平面形态如岸线变迁、沙滩、浅滩、边滩的移 动以及主流的摆动。绘制横断面形态，了解横向移动、水深变化及其冲淤变化情 况。绘制纵向冲淤变化图，了解浅滩平均冲淤情况。绘制河床冲淤变化分析图， 了解冲淤变化的平面分布。 水沙因素分析 河床的冲淤变化与来水来沙量的变化关系密切。来水来沙资料主要取自于浅 滩河段附近的水文站。为了便于分析，将取得的资料整理成图表、曲线等以显示 其变化过程的特征，再与河道、浅滩冲淤变化相对比分析它们之间的相互关系。 随着计算机的普及，实测资料分析法中各种图表的绘制变得简单易行，统计 计算也很方便。这一方法能够对河流演变的过去历史、现状进行全面分析，总结 出规律预测将来的发展趋势。但是，这种方法依赖于研究者的水平和经验，受人 的认识水平和主观因素左右。从定性分析看基本上能够做到合理、可靠，从定量 角度看，对演变预测的定量结果把握则困难。因此，如何利用实测资料，在综合 水流、泥沙、地形资料的分析基础上实现预测结果定量化，实现对历史序列的预 测，是浅滩演变实测资料分析的发展方向。 总体来讲，目前实践中较成熟的河流研究方法为数学模型和物理模型，它们 各有其优缺点。物理模型相对较成熟，具有现象直观、概念简单等优点，在模型 设计及运行方面也积累了极为丰富的经验，试验成果较为可靠。但物理模型往往 要占用巨大的试验场地、耗费大量设备、材料和人力，费用较高；物理模型建造 难以满足模型在外界条件变化时多方案比较的要求，就是设法改建模型进行多方 案的比较，其周期也相当长。另外，为了满足场地要求，物理模型一般要做成变 态模型，而变态模型在比尺的确定、模型沙的选择等方面仍存在很多问题且至今 尚未解决。数学模型近几十年来获得了长足的发展，首先随着计算机存储量的增 加和计算速度的加快，数学模型计算过程中的河段和时间可以划分得比较细，从 而大幅度的提高了计算精度：其次它可以根据实测资料对模型进行反复调试，通 第一章绪论7 过正确的选择计算模式和参数来保证计算结果的合理性；再者数学模型可以采用 较复杂但计算精度较高的计算模式，扩大其适用范围；同时用数学模型能够在短 期内计算多种方案，通过对修建整治建筑物后的河床变形情况作出预测，以便于 选择合理的工程方案。数学模型具有投资少、周期短、灵活性大且不受场地、仪 器设备限制等优点，在水利泥沙工程研究中越来越被广泛地应用。航道整治的研 究在基于河流模拟之上充分利用和发展了这两大类方法。 在航道整治工程研究中运用较早的是物理模型，大量的航道整治工程都是通 过模型试验的方式对工程效果进行预估，从而选择整治方案的。物理模型需要较 完整的地形、泥沙等资料。而在河网区地形、水文资料观测相当困难，物理模型 试验的运用难度很大。 二维数学模型在工程实际中的应用效果较好，尤其在应用于航道整治工程中 可以通过加密计算网格反映出整治建筑物的位置，具有一定的灵活性。模型利用 一组完整的地形资料作为仞始地形条件进行计算，计算结果既可以利用完整资料 进行整体验证也可以充分利用分散的资料进行局部验证，因此数学模型能够做到 灵活充分地利用实测资料。目前己有很多的航道工程应用了数学模型，并收到了 较好的效果。许光祥等( 1 9 9 5 ) 3 根据航道整治工程中所面临的复杂的、重复的、 冗长的水力计算问题，采用数学模拟的方法，编制了水力计算程序，并加以计算 机绘图。高凯春等( 1 9 9 8 ) n 0 1 在己建河床水流泥沙数学模型的基础上，针对土脑子 河段的河道特性，修改并建立了能够反映该河段水沙运动特性的平面二维水流泥 沙数学模型；用土脑子河段1 9 9 5 年河床冲淤及水位、流速等方面的实测资料对所， 建模型进行了验证，结果表明计算值与实测值吻合良好；并在此基础上，进行了 三峡建库后，土脑子河段1 3 5 m 蓄水期及1 5 6 m 蓄水期整治前后的二维水沙运动及河 床冲淤计算。陆永军等( 2 0 0 1 ) n 嵋在运用北江下游清远至石角河段的水沙实测资料 对二维泥沙数学模型进行验证的基础上，比较了学堂洲左、右槽方案的整治效果， 并推荐右槽方案。王义安等( 2 0 0 2 ) n 2 1 运用松花江依兰佳木斯河段水沙实测资料 对二维泥沙数学模型验证的基础上，进行了多分汉浅滩河段一五股流航道整治方 案的比较，得出整疏结合的整治措施能达到预期整治要求的结论。武汉大学水沙 教育部重点实验室应用平面二维数学模型对武汉河段长江隧道工程进行了模拟计 算研究。数学模型在航道治理工程中的应用表明二维数学模型能够反映一定的工 程效果，且己经具有了较成熟的技术。 1 3 弯曲分汉河段演变规律 弯曲分汊型汊道相对比较稳定，汊道的发展消长具有明显的周期性n3 l 。两股 汊道的发展消长在很大程度上决定于汊道进口的分流分沙情况。江心洲河型形成 8 第一章绪论 之后，河流仍旧有着不断的变化。具体表现为它的各支汊道彼此间、汊道与衔接段 之间的相互制约和相互联系，有着不断死亡和重新发展的过程。当然这种变化仅 是次一级的现象，只要总的水文泥沙和边界条件不变，它们的变化是不会越出江 心洲河型的范畴的口4 _ 8 l 。对于这种分汊河道间相互制约的过程，又可归纳成以下 两种基本类型：( 1 ) 江心洲河型的形式保持不变，亦即无汉道的淤塞现象出现，江 心洲也不发生并岸。其中又可再分出两个副型：主汊和支汊可以相互转化。 主汊和支汊的地位保持相对不变。( 2 ) 江心洲河型形成发展一死亡一发展的过程。 即在发展过程中，可能一汉淤死，或并洲，或靠岸，以后再切滩或再堆积而重新 形成。汉河间的相互斗争实质上是水量和沙量的不断再分配的问题。第一种类型 的分流量和分沙量比较稳定，所以较不易变化。第二种类型则相反，变化幅度较 大，所以导致汊河的不稳定。在分汉河道历史演变进程中，主汊与支汊兴衰交替， 互为消长，是长江中下游分汊河道演变的重要特点。这种交替演变的历时，一般 要几十年的时间，这和某些河流的汊道可能在一个洪峰过程中便完全改观的情况， 是不可同日而语的。实测资料表明，在长短汉不明显或流量分配较接近的汊道段， 主支汊常表现反复交替，而在分流比相差较大的简单汊道，主支汊比较稳定。 表1 1 统计了有记载以来的支汉的存在年限。从表中可以看出支汊年龄在百年 以上的有1 4 处，占6 4 ，2 0 年以下的仅l 处，占4 5 ，其余占2 9 5 ，支汉年龄在百 年以上的占多数，说明长江中下游分汊河道周期性演变的过程缓慢，主支汊交替 的周期长，汊道的稳定程度较高。而宁镇河段的汊河目前均属于第一种类型。其 中镇扬河段的和畅洲汊道，经历了较长的演变过程以后，从一个多汊河道演变成 今天的简单双分汊，近十几年来汉道的变化主要发生在北汊n 螂3 。在1 8 6 5 年时， 北汊水道是大鹅头型，呈南北向，河长2 7 8 公里，当时和畅洲总面积为1 0 3 平方公 里。现在的北汉是小鹅头型，呈东西向，河长1 1 4 公里，和畅洲面积为2 0 平方公 里，仅为1 8 6 5 年时的1 9 4 。最近一次的演变过程是从上世纪五十年代微弯水道开 始，到六十年代中期鹅头便己形成，自此开始衰退，至七十年代中期鹅头切滩夺 流，流量增大，进入了新的发展阶段，即左兴右衰。在近四十年的演变过程中， 和畅洲经历了两次主支汊易位：从1 9 4 9 年到1 9 6 1 年，左汉发展的很快，分流比由 3 2 上升为5 6 1 ；从1 9 6 1 年到1 9 7 4 年，左汉由主汊演变为支汉，分流比从5 6 1 降 至2 5 ，从1 9 7 5 年的2 6 7 上升至1 9 9 2 年的5 5 1 ，又一次发展成为主汊。其中，1 9 8 4 年的分流比南、北各半。又如新济洲，五十年代末至七十年代中期分流比变化不 大，1 9 7 3 年以后左汊分流比减少了近2 0 左右。张家洲河段右汊在清光绪末年( 1 9 0 8 年) 时还很浅，为一支汊，以后随张家洲洲头的崩退和右汉口门刷深而逐渐成为主 汊。五十年代末由于右汊沙洲淤长，分流逐年减少；而左汊则由于河槽刷深，流 量增大而成为主汊。左汊分流比由1 9 5 9 年的4 8 5 增大为1 9 8 8 年的5 6 5 ，而右汉 第一章绪论 9 则由5 1 5 减少为4 3 5 。东流河段六十年代以前主流沿天心洲洲尾夹江过渡到玉 带洲右汊。七十年代以来随着央江内心滩的迅速淤积，主流改经天心洲和棉花洲 左汉下行，棉花洲左汊因分流增大而发展成主汊，而玉带洲右汊则由主汉转为支 汊。至于第二种类型，在长江中下游的演变史上，也是时有出现的。如芜湖上游 的白茹沙汊道，因长江主流向北岸冲刷，南汊并岸而成为单一河道瞳4 删。马鞍山 河段以前江面宽阔达数十公罩，沙洲众多，现大小沙洲已联并为江心洲，小黄洲 两洲，由复杂分汊转为简单分汉。 表1 1 长江中下游主要分汉河段支汉的存在年龄与变迁 支汉名称成为支汉的年代支汊年龄( 年)历史演变情况 新堤汉道左汉1 9 3 4 年前 6 0 1 9 3 4 年前为主橹 陆溪u 汉遒左汉1 9 5 9 年4 5 1 9 3 4 年前为支汉，1 9 3 4 1 9 5 9 年为主槽 嘉鱼汉道左汉】9 1 2 年前 8 0 1 9 1 2 年前汉道形成 铁板洲汉道右汉1 8 6 1 年前 1 0 0 1 8 6 1 年前汊道形成 白沙洲汉道右汉1 9 3 4 年前 6 0 1 9 3 4 年前汉道形成 灭兴洲汉道左汉1 9 6 6 挂3 8 1 9 6 6 年前为主槽1 0 0 多年 牧鹅洲汉遒左汉1 8 6 0 年前 1 0 0汉道久已存在 团凤汉道左汉1 8 6 0 年前 l o o 汉道久已存在 龙坪汉道左汉 1 8 6 0 年前 1 0 0 汉道久已存在 张家湘汉道右汉 1 8 6 0 年前 1 0 0 汉道久已存在 骨牌洲汉道左汉1 8 6 0 年前 j 0 0 汉道久已存在 官j f 1 汉道左汉 1 8 5 8 年前 1 0 0 汉遭久已存在已于7 0 年代实施堵汉工程 官洲汉道新中汉1 9 7 2 年3 2 汉道中部切滩形成 安庆汉道右汉1 8 7 1 年前 1 0 0 1 8 7 1 年前为主槽 贵池汉道左、右汉1 8 6 0 年前 i o d 汉道久已存在 锕陵汉道右汉1 8 6 0 年前 1 0 0 汉道久已存在 陈家i i l i 汉道左汉1 8 6 0 年前 1 0 0汉道久已存在 马鞍山汉道右汉1 8 6 0 年前 - 0 0约6 0 0 年前曾为主槽 梅子溯汉道右汉1 8 6 0 年前 1 0 0历史上曾为主槽 八卦i h l 汉道左浸1 9 4 6 年翦 5 8 1 9 4 6 年前为主槽。时周很长 世业洲汉道左汉1 8 6 0 年前 1 0 0 1 8 6 0 年前为主槽 和畅i i f i 汉道右汉 5 0 二十世纪五，六十年代左、右汉平分秋色 1 0 第一章绪论 1 4 论文研究的主要内容 本论文结合交通部西部交通建设科技项目“长江中游严重碍航河段一监利河 段航道治理关键技术研究”，选择监利河段为研究对象，通过对监利河段河床历史 演变和近期演变的系统分析，以及三峡工程蓄水运用后对监利河段的影响，深入 探讨了监利河段的浅滩成因及其影响因素和采取治理措施的思路和依据等。本论 文研究的主要内容有以下几个方面： ( 1 ) 对长江中游监利河段的平面形态、水沙变化和河床演变特征等进行分 析，研究影响监利河段主支汊转换的主要因素及碍航特性； ( 2 ) 在分析三峡工程1 3 5 m 蓄水以来监利河段发生的新变化的基础上，根据 三峡蓄水后不同运用阶段来水来沙条件变化，通过河演分析和实体模型试验相结 合的方法，对监利河段在三峡蓄水运用后的演变趋势进行预测； ( 3 ) 确定本河段实施航道整治工程的关键部位及整治思路，并根据因势利导 的原则提出整治措施。 第= 章监利河段概况 第二章监利河段概况 21 监利河段的基本概况 监利河段位于长江中游的下荆江河段中部，上起两j ，下迄太和岭，长约 1 6 k m 河床平面形态为两头窄中间宽的弯曲分汉河型。该河段上接塔市驿水道， 下接大马洲水道，左岸为湖北省监利县，右岸为湖南省华容县，足长江中游重点 碍航河段之一( 地理位置见图2 1 、河道形势罔见到2 2 ) 。 圈21 监利河段地理位置示意圄 捌：i b m 围22 监利河段河势圈 1 2 第二章监利河段概况 监利河段上段左侧有洋沟子边滩，右侧是一较稳定深槽；河段下段被乌龟洲 分为左、右两汊，左汊称监利左汊，右汊为乌龟夹，出口为太和岭矶头。河段汊 道不稳定，自成为分汊河段以来，历史上发生过多次主支汊周期性转换。自二十 世纪九十年代初以来，监利左汊严重淤积并持续淤积衰退，枯水期基本淤塞，乌 龟夹发展成为主汊，航道也随之移至乌龟夹并使用至今。在航道移至乌龟夹初期， 航道条件虽然较差，但通过航道部门加大维护力度，保证了航道畅通。河段目前 的航道维护尺度( 水深航宽弯曲半径) 为2 9 m x 8 0 r e x7 5 0 m ；水深保证率为 9 8 。 1 9 9 8 年后，航道条件逐渐恶化，枯季河道宽浅、自然水深严重不足，成为长 江中游碍航最严重的河段n7 | 。近年来由于乌龟洲头逐年崩退，分汉口门过于放宽， 枯季乌龟夹河道宽浅、自然水深严重不足，槽口众多且疏浚后回淤严重，特别是 近几届枯水期，碍航十分严重，虽然航道维护部门采用了调标、改槽、爆破清淤 及疏浚等多种措施进行超常规维护，海事部门也派多艘船艇在现场维护航行秩序， 但仍存在航行条件差、船舶安全事故多发、部分对间断航等较严重的阻航闯题。 最严重时每天有6 个小时左右时间禁航疏浚，水上交通安全事故也时有发生。监 利河段枯季严重碍航不但给航道维护部门造成巨大压力，并且己对长江航运及沿 江经济造成一定影响，该河段保畅通问题已引起各级领导的高度重视和广泛关注， 并于2 0 0 5 年1 1 月份为配合常规航道维护实施了长江中游监利河段2 0 0 5 2 0 0 6 届枯季航道维护应急工程，虽然对缓解本河段枯水期航道维护压力起到了一定的 积极作用，但不能从根本上解决本河段严重碍航的紧张局面。且河床演变分析资 料表明，该河段还将继续向不利方向发展，航道条件还可能进一步恶化，在今后 一个较长时期内监利河段仍将是长江中游航道的主要卡口之。 监利河段南岸为低山丘陵地形，北岸为疏松沉积物，并具有二元结构特征， 上层为细颗粒层物质，主要是河漫滩相，下层为粗粒层，主要是河床相。 2 2 水文与泥沙特征 2 2 1 三峡工程蓄水前水沙情况 来水来沙情况 根据监利水文站实测资料统计，三峡工程蓄水前，历年最大流量为4 6 3 0 0 m 3 s ， 最小流量为2 6 5 0 m 3 s ；历年最大含沙量1 1 o k g m 3 ，最小含沙量0 0 7k g m 3 ；历年 最大输沙量5 4 9 亿t ，历年最小输沙量2 0 9 亿t 。具体情况见表2 1 。 本河段水沙年内分配不均匀，来水来沙主要集中在汛期( 5 1 0 月) ，最大流 量出现在主汛期7 一- 9 月，占全年的4 5 3 6 ，其中以7 月份最大，占全年的1 6 7 2 ， 最小流量出现在1 2 , - 一3 月份，以2 月份水量最小，仅占全年的2 7 5 ；沙量年内 第二章监利河段概况1 3 分配与水量分配规律相同，汛期沙量占全年的9 0 3 2 ，最大桶咧彰姓在7 月份，最 小口罗l 在2 月份。乒“本骜捅羊见表2 2 。 表2 1 监利水文站水文泥沙特征统计 流量年径流量含沙量输沙量 项目 ( m 3 s )( 亿m a ) ( k g m 3 )( 亿t ) 多年平均 1 1 3 0 03 5 6 6 1 0 6 33 6 历年最大值 4 6 3 0 0 4 4 1 31 1 o5 4 9 出现时间1 9 9 8 8 1 71 9 9 81 9 7 5 8 1 11 9 8 1 历年最小值2 6 5 02 8 0 30 0 2 22 0 9 出现时间1 9 5 2 2 51 9 5 91 9 6 1 3 1 51 9 9 4 备注：表中资料统计年份为1 9 5 1 6 1 9 6 0 6 、1 9 6 6 4 1 9 6 9 1 2 、1 9 7 5 1 1 9 7 8 1 2 、 1 9 8 0 1 2 0 0 3 6 。 表2 2三峡蓄水前监利站多年月平均水沙年内分配统计 项目径流量占全年百输沙量占全年百分 月趴( 亿m