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0 引言
南水北调中线工程作为我国一项战略性工程,担负着向北方供水的任务。为最大限度地发挥南水北调中线工程的作用,实现中线工程和引汉济渭工程的近期、远期调水目标,服务京津冀协同发展战略、长江经济带发展战略,保障雄安新区用水需求,改善汉江中下游供水条件,国家决定实施引江补汉工程。
引江补汉工程实施后,丹江口水库调度方案将进行相应调整,枯水期下泄流量将减小。由于引江补汉工程补水口位于丹江口大坝下游安乐河出口约5 km处(见图1),且补水量与调水量基本一致,因此对补水口以下河道径流量影响较小,这种流量分配的改变造成坝下游至引江补汉出口处约5 km河段的流量显著减少,因而称为减水段;同时由于大坝下泄流量减少量通过引江补汉工程在安乐河口完全补充,称为补水,坝下5 km以下河道汇流后流量保持不变,因此大坝下泄流量减少而通过引江补汉工程补给,在文中称为减水-补水工况;引江补汉工程对丹江口下游近坝段的航道影响主要体现在减水段,在枯水期通航水位将有所下降,对通航产生不利的影响。为恢复调水前枯水期通航水位,需要开展航道综合治理。本文拟通过定床模型试验研究多组减水-补水方案实施前后的对比以及不同航道综合治理工程方案的效果,并进一步论证优化综合治理工程方案,开展本项研究具有重要的工程实践意义。
关于丹江口近坝段河床冲淤演变的成果较为丰富,认识基本一致。其中丹江口建库后近坝段约82 km卵石河段经过冲刷后变成卵石河床,沙质很少[1];丹江口至襄阳为山区河流至冲积平原河流的过渡段,虽然该河段仍有一定幅度冲刷下切[2],但近坝段存在较大规模的人为采挖[3];总体而言,近坝段河岸较稳定,主、支汊位置历年变化不大,主泓位置也较稳定[4⇓-6]。引江补汉工程实施后工程附近通航条件将发生一定的改变,例如龙潭溪取水口作为引江补汉工程的组成部分,是从长江三峡库区引水入汉江的进水口工程,基于有限元法的平面二维水流数学模型,对工程前后所在河段的通航水流条件实施模拟,拟建取水口对所在河段航道通航条件影响较小[7];引江补汉出口在坝下5 km左右的安乐河口入汉江,采用数学模型研究了调水规模为170~212 m3/s对工程河段的影响,显示坝下5 km左右河段通航水位下降,且调补水规模越大、越靠近丹江口坝址,水位降幅越大,其中丹江口升船机下游引航道口门处水位降幅最大[8];采用平面二维水流数学模型对工程河段综合整治工程实施前后的航道通航水流条件进行模拟对比分析,结果表明实施综合整治工程可有效改善通航水流条件[9]。
综上所述,引江补汉工程实施后对坝下游5 km减水段通航水流条件将造成一定不利影响,已有利用二维数学模型研究推荐综合整治工程实施后的航道效果。但关于航道整治工程方案优化及其对枯水期通航水位恢复过程仍未详细论述;且由于引江补汉工程实施后丹江口坝下游减水区与汇流区的水流流态复杂,均具有明显的三维水流特征,因此有必要开展引江补汉丹江口下游近坝段河工模型试验研究。通过河工模型试验,深入研究引江补汉工程实施后对坝下河段航道条件影响的特征,同时论证航道整治实施后的效果,并对方案进行优化,研究成果不仅可为航道整治工程设计和航道条件影响评价等提供技术支撑,而且可为近坝段砂卵石河床的河道治理或类似工程提供参考与借鉴。
1 试验河段近期河道演变
1.1 河床组成变化
丹江口水库建库后,由于“清水”长期冲刷,丹江口下游坝址至汉江大桥河段河床床沙粗化明显,河床质均由卵石覆盖。根据2019年地质钻探表明,研究河段河床卵石及粗砾的覆盖层较厚,一般在1~4 m之间,粒径22.5~64.0 mm,已形成稳定的抗冲层,卵石覆盖层以下为细砾,中值粒径在3.25~8.50 mm之间。总而言之,受长期“清水”冲刷的影响,研究河段粗化明显。
1.2 航槽变化
根据研究时段的航槽变化分析可知,引航道口处2.4 m航深线左右摆动较大,在引航道口附近河段主要受回流落淤的影响对通航产生一定不利的影响,而其他河段通航条件较为稳定。
1.3 河床冲淤及典型断冲淤变化
根据本河段2005年3月、2011年11月、2016年12月和2020年3月共4个测次的地形资料,统计分析了高程89 m以下河床冲淤量变化,统计结果见表1。
表1 2005—2020年丹江口水库近坝段冲淤量变化Table 1 Changes in the amount of scouring and silting in the near-dam section of Danjiangkou Reservoir from 2005 to 2020 |
| 河段范围 | 时段 | 冲淤量/(万m3) | 平均冲深/m |
|---|---|---|---|
| 坝址— 步行桥 | 2005-03—2011-11 | -15.3 | -0.05 |
| 2011-11—2016-12 | -5.2 | -0.02 | |
| 2016-12—2020-03 | -16.0 | -0.06 | |
| 步行桥— 汉江大桥 | 2005-03—2011-11 | -11.2 | -0.05 |
| 2011-11—2016-12 | 10.5 | 0.05 | |
| 2016-12—2020-03 | -16.2 | -0.07 | |
| 整个河段 | 2005-03—2011-11 | -26.5 | -0.05 |
| 2011-11—2016-12 | 5.3 | 0.01 | |
| 2016-12—2020-03 | -32.2 | -0.06 |
表1显示,分析河段以微冲为主,其中2005-03—2011-11、2011-11—2016-12及2016-12—2020-03期间分析河段冲淤量分别为-26.5万、5.3万、-32.2万m3,河段平均冲淤深度分别为-0.05、0.01、-0.06 m。需要指出的是,本次统计未排除人工采砂的影响。
图3显示,2005—2020年期间4个典型断面冲淤变化不大,仅少数局部点最大变化幅度一般在1 m左右,其他绝大多数点变化幅度在0.3 m以内,说明工程河段典型断面冲淤变化幅度较小。
综上,1968年丹江口水库建库后,由于遭受“清水”长期强冲刷,工程河段河床床沙粗化明显,粒径22.5~64.0 mm,近期工程河段2.4 m航深线左右摆幅、河床冲淤与典型断面变化幅度等均较小,因此经过近60 a的“清水”冲刷,工程河段基本达到冲刷平衡,近期河床地形变化主要受人类活动等影响,因此本次研究主要采用定床模型开展枯水期通航水位恢复试验工作。
2 河工模型设计
2.1 模型设计
模型试验模拟范围上起丹江口水库坝址下游,下至沈家湾,河道长度约8.6 km,河道最宽段约2.3 km(羊皮滩附近);模型的范围涵盖丹江口坝下减水段、隧洞出水安乐河河口段(长约1 km)。模型平面比尺αL=200,垂直比尺αH=100,模型变率η=2.0。模型平面布置见图4。
根据实测资料分析,不同流量下河床糙率系数在0.025~0.032之间变化,其平均糙率为0.029,满足阻力相似要求的模型糙率0.029/1.52=0.019。由于一般模型水泥沙浆粉面糙率在0.013左右,故需要适当加糙,本次试验主要通过点块型加糙,以此来达到模型糙率要求。定床模型的各项比尺详见表2。
表2 定床模型比尺Table 2 Scales of the fixed-bed model |
| 相似条件 | 比尺名称 | 比尺 |
|---|---|---|
| 几何相似 | 平面比尺 | 1∶200 |
| 垂直比尺 | 1∶100 | |
| 水流运动相似 | 流量比尺 | 1∶200 000 |
| 糙率比尺 | 1∶1.52 | |
| 流速比尺 | 1∶10 |
2.2 模型验证
分别采用2019年9月17日、2020年7月10日、2020年3月21日黄家港水位站流量7 230、1 610、740 m3/s下的实测水文资料,对工程河段沿程实测水位、流速及分流比等进行相关验证。各验证断面模型水位与原型实测水位基本一致,其中在引航道口处模型与原型水位最大误差差值为0.03 m;垂线平均流速沿河宽分布与原型基本一致,但个别点与原型值有所偏离,垂线平均流速绝对差值最大为0.19 m/s,位于非主流区,流速误差一般<5%;原型观测中当黄家港流量为7 230 m3/s时(2019年9月21日),羊皮滩左右汊分流比分别为88.9%、11.1%,验证试验中羊皮滩左右汊分流比相应为89.2%和10.9%;原型观测中当黄家港流量为1 610 m3/s时(2020年7月10日),羊皮滩左右汊分流比分别为97.9%、2.1%,验证试验中羊皮滩左右汊分流比相应为98%和2%,羊皮滩左右汊分流比与原型分流比基本一致,定床河工模型水位、流速、分流比的模拟值与实测值较为一致,符合有关规范[11]的要求,较好地反映了工程河段的水流运动规律。将此模型用于研究现状条件下、减水-补水组合工况下及航道治理方案实施后的工程河段水位、流速及分流比的变化是合理的。
3 试验研究及成果分析
3.1 减水-补水方案实施前后对比试验
表3 定床模型试验水流条件Table 3 Water flow conditions of the fixed-bed model test |
| 组次 | 工况 | 干流河道流量/ (m3·s-1) | 安乐河补水流量/ (m3·s-1) | 尾门水位/m |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 方案前 | 490 | 0 | 86.47 |
| 2 | 490 | 0 | 85.90 | |
| 3 | 减水-补 水方案后 | 278 | 212 | 86.47 |
| 4 | 278 | 212 | 85.90 |
根据上述试验组次分析各试验组次的水位变化,其中组次1为方案前-尾门水位86.47 m,组次2为方案前-尾门水位85.90 m,组次3为减水-补水方案-尾门水位86.47 m,组次4为减水+补水方案-尾门水位85.90 m。试验结果见图5。
减水-补水212 m3/s方案尾门水位为86.47 m条件下,引航道口—黄家港段水位下降,黄家港以下水位保持不变;引航道口水位下降幅度最大为0.08 m,其下游0.20、1.04、2.31、3.84 km处水位分别下降0.08、0.06、0.03、0.01 m。减水-补水212 m3/s方案尾门水位为85.90 m条件下,引航道口—黄家港段水位下降,黄家港以下水位保持不变;引航道口水位下降幅度最大为0.19 m,其下游0.20、1.04、2.31、3.84 km处水位分别下降0.19、0.15、0.10、0.04 m。在相同减水-补水流量条件下,尾门水位越低,对减水段水位下降的影响越大。
3.2 综合治理方案简介
为消除引江补汉工程对汉江丹江口坝下游减水段水位下降的影响,恢复调水前的水位,并充分考虑地方规划、生态及景观需求,根据《引江补汉工程可行性研究报告》提出了综合治理方案,主要分以下3个部分:
(1)航道综合治理方案。①依托步行桥河心岛沿水流方向修建隔流岛,步行桥上游侧长840 m,下游侧长615 m;步行桥下横向宽度90 m,向两端逐步过渡到20 m;高程控制在87.0 m。②步行桥附近航槽内、引航道口门进行疏浚,疏浚底高程分别为83.8、84.0 m。
(2)出水衔接工程。开挖羊皮滩右汊河槽并在羊皮滩右汊开挖明渠,右汊下出口设置溢流坝。关于羊皮滩上、下口出流,采用上口出流80%+羊皮滩下口20%的方案。
(3)羊皮滩修复工程。①利用疏挖弃土在羊皮滩右缘、头部左缘及尾部进行滩形恢复和湿地营造,高程控制在87.0 m;②羊皮滩右缘岸线守护。
(4)护岸工程。①在羊皮滩右汊右岸现有岸线与右汊输水通道之间塑造低滩,高程控制在87.0 m,并与现有道路及周边设施平顺衔接;②汉江左岸步行桥上下游1.5 km、均州大桥上下游1.2 km护岸加固工程。综合治理方案平面布置见图6。
3.3 综合治理方案的效果
根据综合治理方案1(简称方案1),在定床河工模型上塑造相关治理工程,试验条件选择减水-补水212 m3/s方案(即水库下泄278 m3/s,安乐河口补水212 m3/s)尾门水位分别为85.90 m和86.47 m,对试验数据进行整理分析。
图7显示,在尾门水位为86.47 m条件下,与方案实施前相比,减水-补水212 m3/s+方案1实施后引航道口和王家营水位最大降幅为0.02 m,引航道口下游1.04、2.31、3.84 km处水位降幅分别为0.02、0.01、0.01 m。在尾门水位为85.90 m条件下,与方案实施前相比,减水-补水212 m3/s+方案1实施后,引航道口和王家营水位最大降幅为0.02 m,引航道口下游1.04、2.31、3.84 km处水位降幅分别为0.02、0.01、0.01 m。
减水-补水212 m3/s+方案1实施后,减水段的水位仍未恢复至方案前的水平。其主要原因是:从安乐河补给的流量沿着右汊明渠进入羊皮滩左汊的水流较为散乱,并未进入到左侧主航道内,致使部分河段水位仍低于方案实施前的水平。
3.4 方案优化建议
为了让从安乐河出来的流量沿着右汊明渠进入主航道内,提出在沧浪洲出水口下沿布置不同形式的护底带,并通过数学模型多组方案比选,推荐在沧浪洲出水口下沿布置2道护底带,左侧护底宽50 m,厚度0.5 m,见图8。
通过定床模型对2道护底带4个高程予以论证,目的是使得水流出明渠出水口后部分水流能进入到左侧主航道内,其中模型试验条件选择减水-补水212 m3/s尾门水位分别为85.90、86.47 m(表4)。
表4 不同2道护底带高程条件下的试验条件Table 4 Test conditions for two bottom protection belts under different elevations |
| 组次 | 工况 | 干流河道流量/ (m3·s-1) | 安乐河补水流 量/(m3·s-1) | 尾门水 位/m | 护底带高 程/m |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 调 水 后 | 278 | 212 | 85.90 | 85.0、85.2、 85.5、85.7 |
| 2 | 278 | 212 | 86.47 | 85.0、85.2、 85.5、85.7 |
3.5 优化综合治理方案的效果
图9为不同2道护底带高程条件下试验河段水位变化。在减水-补水212 m3/s尾门水位85.9 m条件下,2道护底带高程为85 m时,减水段水位仍未恢复至方案前的水平,但2道护底带高程为85.2、85.5、85.7 m时,减水段水位甚至略超过方案前的水平;在减水-补水212 m3/s尾门水位86.47 m条件下,2道护底带高程为85.0、85.2 m时,减水段水位仍未完全恢复至方案前的水平,但2道护底带高程为85.5、85.7 m时,减水段水位仍甚至略超过方案前的水平。
综上,2道护底带高程为85.0、85.2 m时,减水段水位仍未完全恢复至方案前的水平;2道护底带高程为85.5、85.7 m时水段水位能够恢复甚至略超过方案前的水平。
通过试验观测,当尾门水位为85.9 m时,2道护底带高程为85.7 m,水都大桥下游航槽内横向流速明显偏大,通过现场测量得到工程附近河段流场,航槽内典型断面S1部分检测点横向流速>0.3 m/s,其主要原因为补水进入主航道的流量偏大,导致横向流速明显增大;但2道护底带高程为85.5 m时,监测断面横向流速均<0.3 m/s;尾门水位为86.47 m,2道护底带高程分别为85.5、85.7 m时,监测断面横向流速均<0.3 m/s。经过比选后,在沧浪洲出水口下沿布置的2道护底带高程以85.5 m为宜。
在此基础上,进一步优化2道护底带高程,给出以下3组比选方案。方案Ⅰ:护底带左侧2/3部分维持原高程85.5 m,右侧(沧浪洲出口一侧)1/3部分加高至86.0 m。方案Ⅱ:护底带左侧2/3部分维持原高程85.5 m,右侧(沧浪洲出口一侧)1/3部分加高至86.5 m。方案Ⅲ:护底带左侧1/2部分维持原高程85.5 m,右侧(沧浪洲出口一侧)1/2部分加高至86.0 m。其中模型试验条件选择工程调水212 m3/s尾门水位85.90 m,通过河工模型试验进行进一步论证,试验结果如图10所示。
图10显示,在减水-补水212 m3/s尾门水位为85.90、86.47 m条件下,方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ实施后减水段引航道口至下游2.31 km河段的水位均高于方案前的水平,方案Ⅱ与方案Ⅲ实施后减水段的水位基本一致,但均略高于方案Ⅰ。通过试验观测知:①方案Ⅰ实施后近局部断面横向流速<0.3 m/s,方案Ⅱ与方案Ⅲ实施后隔离岛附近局部断面横向流速仍较大,通过测量得到工程附近河段横向流速。②方案Ⅱ实施后,在尾门水位85.9 m工况下,在主航槽内S1断面监测点中①、②号点的横向流速>0.3 m/s(见图11),不满足有关规范[11]的要求;同样方案Ⅲ实施后呈现类似变化的规律,方案Ⅱ与方案Ⅲ实施后仍不满足通航的要求。因此选择方案Ⅰ为推荐方案,方案Ⅰ实施后,在减水-补水212 m3/s尾门水位为85.90、86.47 m条件下,引航道口处水位分别抬高0.06、0.04 m,最大抬高为0.06 m。
4 结论
引江补汉工程实施后丹江口水库枯水期下泄流量将减小,补水口位于丹江口大坝下游安乐河口处,将造成坝下约5 km河段的通航水位下降,为了恢复枯水期通航水位,需开展综合治理。首先根据实测资料对工程河段进行了河道演变分析,进而利用河工模型试验论证了综合治理方案的效果,并对方案进行优化及论证,得到如下结论:
(1)丹江口水库建库后,坝下游坝址至汉江大桥河段经过多年“清水”冲刷,河床粗化,河床冲淤变化幅度较小,除在引航道口附近河段主要受回流落淤的影响对通航产生一定不利的影响外,其他河段通航条件较为稳定。
(2)建立了丹江口水库坝址至沈家湾段的定床模型,模型范围涵盖丹江口坝下减水段、隧洞出水安乐河河口段。模型平面比尺为1∶200,垂直比尺1∶100,模型变率2.0。对沿程水位、断面流速分布及分流比分别进行了模型验证,结果表明上述参数均在规范允许的误差范围内。
(3)减水-补水212 m3/s方案尾门水位分别为86.47、85.90 m条件下,引航道口—黄家港段水位下降,黄家港以下水位保持不变,其中在引航道口处水位下降幅度均最大,下降值分别为0.08、0.19 m。
(4)综合治理方案1实施后,引航道口—黄家港段的水位仍未恢复至方案前的水平,主因是从安乐河出来的流量沿着右汊明渠进入羊皮滩左汊后,水流较为散乱,并未能进入到左侧主航道内,部分河段水位仍低于方案前的水平,引航道口水位下降值均为0.02 m。
(5)建议对综合治理方案进行优化,在沧浪洲出水口下沿布置2道护底带,通过试验论证了护底带的4个高程值,建议护底带顶高程为85.5 m;对护底带高程作了进一步论证优化,优化后方案可使引航道口—黄家港段的水位超过引江补汉工程实施前的水平,其中引航道口处水位最大抬高0.06 m。
本文在论证航道综合治理方案时采用的是平面二维数学模型,但由于局部河段存在明显的三维水流特征,模拟精度存在一定缺陷,故仍需开展河工模型试验开展相关论证,因此在河道中拟开展重要的治理工程时仍需利用数学模型与河工模型联合开展攻关研究。