黑龙江三屯浅滩挖槽稳定性分析

陈立薇

(黑龙江省航务勘察设计院，哈尔滨150001)

1 浅滩及工程概况

三屯浅滩位于黑龙江中游松花江入汇口下，黑中254～248 km处。通过对比1972、1982及2000年的水深平面图可以看出，多年来河床平面形态比较稳定，深槽、浅滩及边滩没有太大的变化，上游来水在专岛岛头处分成两汊，致使河段放宽、水流分散、流速降低、水流夹沙力减弱，泥沙在汊道分汊区段淤积形成浅滩。成为黑龙江中游较为严重的碍航浅滩。为确保航道通畅，中俄两国在第四十二次例会中确定在该浅滩处设计长3 955 m、宽80 m的疏浚挖槽，力求通过疏浚挖槽疏通航道上的浅区，使上下深槽贯通，引导水流冲刷浅区，并利用抛泥区调整水流，促使水流归槽，提高航道的稳定性。挖槽平面位置见图1。

黑龙江中游河床质大部分为中、粗砂，按照规范标准确定挖槽边坡坡比为1∶3，按照航道维护尺度确定挖槽标准底宽为70 m，挖深2.5 m。疏浚挖槽标准断面见图2。

该工程于2000年7月18日开工，历经68 d完工，10月28日，黑龙江航道局测量队对三屯浅滩挖槽进行验收测量，从测图中发现，该挖槽下段出现长约280 m，宽40 m，厚度达1.0 m以上的泥沙淤积体，在其下还有长约200 m的零星浅点。

2 挖槽稳定性分析

1)浅滩的淤积是在一定的水文条件下产生的，随着水文年内洪枯水流季节性变化及多年周期性变化，浅滩淤积情况也随之变化。

浅滩形成以后，上游的来水量和来沙量的大小和过程，对浅滩的冲淤演变有着直接的影响。一般来说，浅滩有洪季淤积、枯季冲刷的规律，而且洪水季节水流含沙量也大，即大水大沙、小水小沙。黑龙江自2000年以来持续枯水，有利于浅滩部位的冲刷，从实际情况和计算结果来看，2000年至2003年初，三屯浅滩虽有回淤，年季间变化不大，2003年7月，黑龙江水位持续上涨，泥沙含量剧增，加上高水漫过边滩，挖槽切割的边滩不稳定，大量的泥沙被冲刷淤积到挖槽内，造成了21.6万m3的回淤量。所以，随着水文年内洪枯水流季节性的变化，浅滩淤积也随之变化。

2)由于黑龙江为中俄界河，界河涉及到领土、领水等问题，中俄航行例会规定:主航道与国界线基本保持一致。此规定导致了部分挖槽以及挖槽的部分区段位于非发展汊道或正处于衰退阶段的汊道，所以挖槽布置在江心岛的北侧，使设计挖槽变成了切滩，这在挖槽设计当中是不合理的。通过多年测图比较分析发现，此边滩一直在发展淤长，在施工期间所切滩的尾部还在淤积，势必造成大量泥沙重新被冲刷进挖槽，产生较大的淤积。另外心滩的组成颗粒为中、粗沙，切滩挖槽的边界条件不稳定，水流冲刷极易坍塌，这也造成了挖槽的大量淤积。

3)在复杂的河段上，单纯地通过疏浚挖槽来达到来达到设计航道深度，航槽很难稳定，必须通过整治建筑物的控制才能达到稳定。由于黑龙江为中俄界河，其特殊的地理位置决定了它不可能修建整治建筑物来控制河势的发展，因此，在洪、中、枯水期及其变化的过程中，将导致整个航槽或航槽的部分区段产生淤积。三屯浅滩就是这样的例子，该通航汊道为国界线，也是正在衰退的汊道，中方和俄方各有一汊道，水深及航宽都非常良好，从演变趋势来看，两汊道都处于发展阶段，因此，不通过修建整治建筑物来控制河势的发展，调整各汊道的分流比及分沙比，挖槽的淤积问题很难解决。

3 设计挖槽的稳定性计算

根据航道整治工程的规定，为使挖槽不淤或少淤，一般应满足以下条件:即挖槽开挖后的流速Vn应大于开挖前的流速V0，即Vn＞V0;开挖后的的流速Vn应大于或等于挖槽上游段的流速Vr，即Vn≥Vr，此外挖槽内的流速还应沿程相等或有所增加。满足上述条件的挖槽才是稳定的。

假定水流为均匀流，设开挖前挖槽范围内的平均流速为V0，开挖后挖槽范围内的平均流速为Vn，开挖后挖槽范围内的平均流速增大倍数为Km，由均匀流阻力公式(谢才公式)推导出下列公式:

图1 挖槽平面位置示意图

图2 疏浚挖槽标准断面图

式中:Q为设计流量，m3/s;B为设计流量时河宽，m;A为过水断面面积，m2;An为开挖断面面积，m2;h0为挖槽开挖前的平均水深，m;Δhn为平均开挖深度，m。

由推导出的公式验算三屯浅滩挖槽的稳定性(设计挖深为3.5 m，计算流量为5 300 m3/s时):

表1 三屯浅滩挖槽的断面面积计算表

表2 三屯浅滩挖槽开挖前流速计算表

表3 三屯浅滩挖槽开挖后流速计算表

由计算结果表明，挖后槽内流速Vn均大于挖前流速V0，增幅在10%～28%，满足了挖槽稳定的第一个条件。对于挖槽稳定的第二个条件却很难达到，挖后槽内流速虽有一定增幅，但均小于上深槽的流速，流速相差在0.08～0.26 m/s，因此浚后挖槽必定产生一定量的回淤。

由计算可以看出，挖槽输沙能力的强弱，主要取决于槽内流速比Km，只要挖槽内的流速Vn稍有增加，便可大大提高水流输沙能力。而槽内流速Vn却与很多因素有关，如挖槽平面布设的形状、长度、轴线与水流方向的交角以及挖槽断面的形状等等，由于三屯浅滩的挖槽过长、过直，施工期又长，导致挖槽产生淤积也不可避免。

鉴于以上分析，三屯浅滩疏浚后，必然要产生一定量的回淤，所以对该段浅滩要进行必要的观测，根据回淤情况，适时地安排疏浚维护工作，以保证航道的畅通。

［1］黑龙江省航道局.黑龙江中游航行图集［G］.哈尔滨:黑龙江省航道局，2000.

［2］天津航道局.JTJ319－99疏浚工程技术规范［S］.北京:人民交通出版社，1999.

［3］胡旭跃.航道整治［M］.北京:人民交通出版社，2008.