水利工程论文
长江南京以下 12. 5 m 深水航道整治工程是“十二五”全国内河水运投资规模最大、技术最复杂的重大工程，也是继长江口深水航道治理工程之后的又一重大水运工程，在全国水运 “十二五”发展中具有举足轻重的示范作用，其中通州沙和白茆沙整治工程为其一期工程。为稳定河势，兼顾地方经济的发展，张家港市正分期实施通州沙西水道综合整治工程，该工程紧邻深水航道整治一期工程通州沙河段，工程主要包括边滩围垦、通州沙头部潜堤工程和西水道开挖工程，拟分三期实施，其中一期工程已实施，二期工程正准备实施。为研究通州沙西水道整治工程对 12. 5 m深水航道整治一期工程的影响，需进行动床模型试验研究，为工程设计以及整治工程的顺利实施提供技术支撑。
1 概况
1.1 河段
通州沙河段属澄通河段，上起十三圩，下至徐六泾，全长约 39 km ( 图 1) ，进出口河宽相对较窄，分别约 5. 7 km、4. 9 km，中间放宽，最大河宽约 10 km，为暗沙型多分汊河道，有通州沙、狼山沙、新开沙和铁黄沙等沙体。进口段长江被通州沙分为东、西水道，东水道是以落潮流为主的长江主流通道，目前分流比为 90% 左右，出口段被自左而右的新开沙、狼山沙和铁黄沙分为新开沙夹槽、狼山沙东、西水道和福山水道，目前，主汊狼山沙东水道分流比为 65%左右。徐六泾河段上承澄通河段，下接长江南支白茆沙分汊河段，自浒浦至白茆河口，全长 15 km。
苏通大桥下游附近最窄处缩窄到 4. 5 km 左右，其后有所展宽，至白茆河口—海太汽渡处江面宽为 6. 7 km。【图1略】
白茆河口以下为展宽分汊型河道，长江在此被崇明岛分南北两支，北支为支汊，南支为主汊。
南支河段的白茆河口至吴淞口，全长约 60 km，与南、北港相连。长江主流自徐六泾人工缩窄段进入白茆沙南水道，分流比 65% ～70%。
1.2 水文泥沙
1.2.1 潮汐及潮流
长江口为中等强度潮汐河口，属非正规半日潮。据徐六泾站 1985—2006 年潮位资料统计，最大潮差 4. 01 m，最小潮差 0 m，平均高、低潮位2. 07 m、0. 03 m ( 85 国家高程基准，下同) 。在径流与河床边界条件阻滞下，潮波变形明显，涨落潮历时不对称，涨潮历时约 4 h，落潮历时约8 h。长江口潮流界随径流强弱和潮差大小等因素的变化而变动，枯季潮流界可上溯到镇江附近，洪季潮流界下移至通州沙河段进口附近。通州沙河段处于长江河口段，潮流作用相对较强，潮流运动总体呈现往复流特性，落潮流为塑造河床的主要动力，流速最大可达 2. 5 ms 以上。
1.2.2 泥沙
工程河段泥沙主要是流域来沙，根据上游大通站 1951—2011 年资料统计分析，历年含沙量最大为 3. 24 kgm3，最小为 0. 016 kgm3，多年平均为 0. 428 kgm3，长江水体含沙量与流量有关，洪、枯季多年平均含沙量分别约为 0. 530 kgm3和0. 182 kgm3。汛期水量、沙量比较集中，其中沙量占 87. 7%，表明沙量集中程度大于水量。三峡水库蓄水前的 1986—2002 年，大通年均输沙量为 3. 43 亿 t，蓄水后至 2010 年年均输沙量约 1. 52 亿 t，输沙量明显下降。徐六泾站蓄水前后含沙量减少约 50%。河床底沙为粉细沙，中值粒径 0. 10 ～ 0. 25 mm，深槽较粗，滩面较细; 悬沙中值粒径约为 0. 01 mm。
1.3 深水航道整治一期工程
长江南京以下深水航道整治工程分为两期，其中通州沙和白茆沙整治工程为一期工程，包括通州沙整治工程、白茆沙整治工程、航道疏浚工程及新建闸护岸工程等 ( 表 1，图 2)。工程已于 2012 年 8 月开工，预计 2015 年竣工。【表1】
1.4 通州沙西水道整治工程
通州沙西水道整治工程主要包括边滩围垦、通州沙头部潜堤工程和西水道开挖工程，拟分三期实施，其中一期工程已实施，二期工程正在实施中 ( 表 2、图 3) 。为试验西水道工程对航道影响的极端情况，对挖槽深度为 －14. 7 m 也进行了试验。西水道沿程开挖深度见图 4。【表2.图3-4】
2 试验方案及试验条件
模型试验在已有的长江河口段模型中进行，模型上起江阴水道天生港，下至长江南支吴淞口，北支青龙港下约 8 km。模型水平比尺为 655，垂直比尺100，长约270 m，建于2006 年，经过多次验证，本次研究前，根据最新实测的地形及水文资料对模型进行了更新和验证。本研究方案及水文条件见表 3。【表3】
3 工程影响试验研究
3.1 对主槽的冲淤影响
方案 A1、A2 实施后，洪季东水道分流比增加3% ～ 5%，龙爪岩以上 12. 5 m 槽总体变化不大，左侧 12. 5 m 线基本不变，右侧除任港至姚港之间12. 5 m 槽宽度在800 m 左右，其它12. 5 m 槽宽度都在 1 km 以上。龙爪岩以下至营船港段深槽左侧淤积且年淤厚 0. 2 m ( 方案 A1) 和 0. 2 ～0. 3 m ( 方案 A2) ，12. 5 m 槽宽度总体略有缩窄，幅度一般在 50 m 内。新开港以下包括南农闸以下航道浅区的 12. 5 m 槽基本不变 ( 图 5a) ) 。可见，方案 A1、A2 实施对通州沙水道航道影响较小。
与方案 A 相比，方案 B、C1 实施后的变化主要在龙爪岩以下。工程后洪季东水道分流比减小1% ～ 1. 5% ，变化略大于方案 A; 龙爪岩以下至新开港间主槽淤积 0. 2 ～0. 4 m，淤厚及范围略大于方案 A，12. 5 m 槽宽度总体有缩窄的趋势。由于该段航道水深一般 20 m 以上，暂时不会对深水航道造成明显不利影响 ( 图 5b) ) ，新开港以下包括南农闸附近航道浅区 12. 5 m 槽宽度缩窄不明显，可见方案 B、C1 实施后，对新开港以上12. 5 m槽略有影响，新开港以下12. 5 m 槽影响不明显。方案 C3 实施后，西水道疏浚至 －14. 7 m，对深水航道影响相对较大，东水道分流比减小 2% ～4. 5% ，龙爪岩以下航道内流速有所减小，主槽姚港至南农闸间淤积 0. 2 ～0. 6 m，其中南农闸附近淤积0. 2 m 左右 ( 图 5c) ) ，12. 5 m 槽有所缩窄，变化一般在 50 m 左右。南农闸以下，有淤积的趋势，但幅度一般在0. 2 m 内。可见，该方案实施后，对航槽的影响自上而下逐渐减小，主要在龙爪岩至南农闸间，对南农闸以下的航道浅区影响较小。【图5略】
2 个平常水沙年条件下，工程实施后对深水航道影响较 1 个丰水年条件下的影响略大。
3.2 对滩地的影响
通州沙河段为暗沙型多分汊河道，江中有通州沙、狼山沙、新开沙以及铁黄沙等沙体，而通州沙沙体上有五干河对开斜向窜沟和左缘姚港对开窜沟发育，通州沙及狼山沙沙体间有萎缩的狼山沙中水道，工程河段水流复杂。
西水道整治工程实施后，通州沙沙体有冲有淤，总体以淤积为主，这对沙体的稳定有利。但由于通州沙潜堤左侧堤的导流作用，潜堤下游姚港对开南北向窜沟的冲淤变化幅度较大。
方案 A1 实施后 ( 西水道不挖槽) ，由于东水道分流比增加 3% ～ 5%，通州沙头部潜堤左侧堤的沿堤流增强，东水道水流也有增强的趋势，姚港对开窜沟出现冲刷，方案 A2 实施后 ( 西水道疏浚至 －8 m) ，东水道分流比变化不大，沿堤流较方案 A1 有所减弱，窜沟有冲有淤; 方案 B、C1实施后 ( 西水道疏浚至 －10. 5 m、 －12 m) ，东水道分流比有所减小，沿堤流减弱，该窜沟有冲有淤，以淤积为主; 方案 C3 实施后 ( 西水道疏浚至－ 14. 7 m) ，该窜沟总体表现为淤积。西水道五干河对开的窜沟，由于西水道整治潜堤工程对窜沟具有一定的封堵作用，各工程方案实施后，该窜沟均有不同的淤积。窜沟淤积，对通州沙沙体的稳定有利。
由于滩地水沙交换复杂，水沙交换模拟较难，本研究主要从定性上分析工程后滩地冲淤变化趋势及发展趋势。
3.3 航道沿程地形变化
研究表明，随西水道挖槽底高程降低，西水道分流逐渐增加———不挖槽是影响最小，挖至－ 14. 7 m 时影响最大。由图 6 工程实施后航道沿程地形变化可见，最大影响可达南农闸附近。方案 A、B 实施后，工程后航道淤浅的区域，水深一般在18 m以上，暂时不会对 12. 5 m 深水产生明显影响。方案 C1 和 C3 实施后，南农闸附近航槽淤浅 0. 2 m 左右，南农闸以下 12. 5 m 深水航道浅区有淤积的趋势，对深水航道的维护可能会有不利影响。【图6】
3.4 模型试验与实测结果对比分析
通州沙西水道整治一期工程于 2012 年底基本完成，其中西水道五干河以上未进行疏浚，其工况相当于本研究中方案 A1。
1) 水动力结果。
模型试验水文条件与工程实施后实测径流、潮汐条件存在一定程度的差异，潮位和流速变化难以直接进行精确的对比分析，利用汊道之间的潮量分配相对较易体现工程前后的效果。选用2011 年 10 月和 2012 年 7 月两次实测资料进行对比分析，分别对应于西水道一期工程开始施工和完成大部分工程量 2 个时期。两次实测，通州沙东水道落潮分流比分别为 90% 和 92. 7%，表明工程实施后东水道实测分流比增加约 2. 7%。而试验研究表明，方案 A1 实施后东水道分流比增加3% ～ 5% ，与实测资料基本一致。
2) 冲淤变化。
2011 年 11 月—2012 年 10 月原型实测冲淤变化表明，龙爪岩—营船港间深槽淤积一般在 0. 5 m左右，局部区域淤积超过 1 m; 深槽左侧营船港—新开港间冲刷，冲深一般在 0. 5 ～ 1. 0 m; 新开港—南农闸间主槽有冲有淤; 南农闸—徐六泾河段间主槽淤积，10 m 槽容积减小，航槽局部区域水深小于 12. 5 m; 通州沙姚港对开南北向窜沟总体呈冲刷态势，整体来说，通州沙滩面处于相对平衡状态。
试验表明，方案 A1 实施后，龙爪岩至营船港间深槽淤积 0. 2 ～0. 5 m，而原型主槽淤积 0. 5 m，基本一致; 通州沙姚港对开南北向窜沟冲刷，与原型实测的冲淤变化相比，冲淤部位基本一致，幅度略有差别; 通州沙滩面有冲有淤，以淤积为主，与原型的变化一致。有差别的地方在于营船港以下深槽，方案 A1 实施后引起的该区域冲淤变化不明显。分析其原因，一是由于动床模型的局限性，仅研究工程引起的冲淤变化，营船港以下离过程区较远，试验中，工程难以影响到; 二是工程河段的冲淤变化较为复杂，自然条件下，不实施工程，同样会出现较大的冲淤变化。
总的来说，在工程附近区域，模型预测的水动力变化和河床冲淤变化，其趋势和幅度与工程实施后基本吻合。
4 综合分析
通州沙西水道整治各工程中，随着西水道疏浚深度增加，对深水航道的影响逐渐增加。西水道不疏浚或仅疏浚至 －10. 5 m 以浅时，对深水航道影响相对较小，南农闸以上 18 m 以深区域出现淤积，暂时对航道影响较小; 而西水道疏浚至－ 12 m、 － 14. 7 m 时影响相对较大: 东水道分流比减小，南农闸以上 18 m 以深区域淤积增加; 龙爪岩—南农闸段 12. 5 m 槽宽缩窄，且南农闸以下航道浅区有淤积的趋势，对深水航道水深维护不利。各工程方案综合影响见表 4。【表4】
5 结语
1) 鉴于西水道疏浚至 － 12 m、14. 7 m 时对深水航道有一定的影响，建议通州沙西水道整治工程中，西水道的疏浚底高不宜低于 －10. 5 m。
2) 在通州沙沙体左侧、龙爪岩对开，深水航道整治一期工程与西水道整治工程间尚有近 10 km的区域未实施工程，而西水道开挖较浅的方案会造成通州沙姚港对开窜沟的冲刷，建议尽快实施通州沙头部护滩潜堤下延工程。
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