长江河道采砂的影响及其控制利用的试验分析

刘 异

（安徽省无为大堤长江河道管理局，安徽 芜湖 238300）

引言

长江芜湖铜陵马鞍山段的持续发展，迫切需要对该河段河床演变规律进行深入性研究，并以此为基础，探索如何落实对河势变化的正确引导，结合河道采砂与河道整治，保证河势持续稳定。

1 试验设计与安排

1.1 试验水池以及模型砂

在铁水箱以及叠加支撑的微尺度模型池内展开，本次试验中设定模型时的净尺寸为1 970 mm×970 mm×250 mm。在整个模型池的组建过程中，所投放的材料为厚度保持在10 mm 左右的灰色塑料板，对灰色塑料板实施焊接处理，并在此基础上加设强化箍，以此完成模型池的设置。在模型池内5 cm 左右厚度的底板上，加设模型，在本次中设定底坡的坡度为1%；铁制水箱内的水主要由模型池内流入，结合短管（2 条）的投放，分别与两个循环水泵进行连接处理，以此组建起水循环系统，其中，针对单排泵均加设调节阀门，并应用三角堰量测量流量。

要求投放的两台泵进行同时运行，此时所得到的试验流量最大值为每秒1.134×10-3m3。在整个模型的上游区域，加设整流器，此确保所有进入模型池内的水流均始终保持在平稳顺畅的状态下；同时，在下游位置，于尾门前落实除砂槽的加设，以此达到对水流运动所携带泥沙进行有效拦截的效果。此时，即便有少量的颗粒泥沙，随着水流进入水箱，在模型池的出口位置也能够受到滤沙器的作用，被再次拦截。在边案位置投放由泡沫塑料所制成的结构，以此实现对浮力的有效克服；在配备重物的基础上，应用多个F型大夹具进行连接处理，保证整个结构可以与模型池边长时间保持在紧密连接的状态下，确保模型始终保持在稳定状态。将弹性优良的泡沫在缝隙内实施填充处理，从而保证所有进入模型池的水体仅仅能够依托模型河道流动、通过[1]。

在长江芜湖铜陵段（河道基本情况见图1、图2）河床内多包含分细砂沉积物，不同颗粒之间具备一定的粘结力，因此，在本次模拟试验中，进行模型砂的制作期间，主要投放的材料为颗粒粒径相对较大的合成材料模型砂，相应材料的密度设定为每立方厘米1.4 g；主体设定为聚甲醛树脂颗粒，相应颗粒的平均筛径控制在3 mm 的状态下，如图3 中曲线A 所示。同时，为了实现对岸滩表面层对水流作用的阻抗的定性模拟，在表面中落实了对电木粉的适量掺入，相应电木粉颗粒的粒径控制在0.2 mm 左右，以此达到进一步增加颗粒之间所具备粘结力大小的效果。在整个试验中，取样分析之表层颗粒的平均粒径控制在1.1 mm 左右，如图3 中的曲线B 以及曲线隙所示。由于在汛期条件下，长江水流的含沙量也始终保持在相对较小的状态下，所以在本次试验中，应用微尺度模型，针对长江芜湖铜陵段河床演变试验所消耗的时间相对较短，基于这样的情况，在本次模拟实验中并没有在上游进行加沙处理。

图1 长江芜湖段基本情况

图2 长江铜陵段基本情况

图3 模型试验用合成材料颗粒分布

1.2 模型试验参数以及组次设定

在本次试验中，设定原型平面尺度与相应模型平面尺度之间的比值为平面比值；设定原型垂向尺度与相应模型垂向尺度之间的比值为垂向比尺。在实际的模型制作期间，主要落实了对试验流态条件，应尽可能与原型更为接近这一要求的考量，以此确保河床演变观测的现实需求得到全面性满足，基于这样的要求，在本次试验中，主要应用了具备更大变态率的变态模型[2]。长江芜湖铜陵段地形的平面参数主要结合国家海洋信息中心所印制发布的区域平面图进行确定；地水下地形，特别是深红线相应信息主要参考芜湖市、铜陵市水利局测绘大队所进行实测期间制作的地形图。在本次试验中，使用模型比例尺为18333；使用的模型垂像比尺为500 制作；使用的模型几何变态率为36.67。

结合历史经验以及前期实践探究结果能够了解到的是，对于特大洪水而言，其会对长江河床的演变起到决定性作用，在本次试验中，主要选用大通站历史实测洪水流量的最大值，即每秒92 600 m3进行分析，结合常用的河工模型理论支流量比尺设定为204 972 525,基于这样的情况，可以了解到模型的流量为每秒4.158×10-4m3。对于长江而言，其洪水汛期持续时间相对较长，在本次试验中主要考虑了典型汛期普遍持续一个月左右，模拟试验期间，由于所应用的材料为模型变态以及轻质合成材料砂，其结果是达到推移至变形所需的实验时间呈现出显著性，缩短的结果确定为20'～30'。

1.3 近景摄影测量三维图像解析

在本次试验中，主要沿芜湖铜陵段航道完成21个控制测点的布设，以此确保在实际试验操作期间能够从不同部位、不同角度入手完成现实影像获取拍摄，确保实际获取到的控制点图像充足、有效。同时，在各个点的表面均加设了圆靶形十字丝控制标记，相应标记的直径设定为20 mm。在实际试验前期，落实对各点高程以及水平距离的仔细测量，以此确保能够有效构建起三维坐标控制网。为确保对整个模型摄验时落实拍摄操作的方便、快捷展开，主要进行了专门摄影台的搭设控制，相应摄影台的高度为3 m 左右。实践中，主要从左侧与右侧这两个方向入手，依托照相机的分别投放，在此过程中，投放的照相机设备焦距设定为50 mm，感光敏感程度控制在400 左右，随后，需要应用分辨率维持在1 200 dpi～2 000 dpi 左右的扫描仪，针对拍摄到的图像进行数字化转换，并在此基础上落实后续处理分析[3]。

2 试验结果分析

2.1 顺直河道的采砂坑

使用圆柱体在远离两岸的静水河床上进行造坑处理，边坡倒塌后可以形成倒圆台，其深度控制在25 mm，上圆口径控制在75 mm 左右，在过水后采砂坑即成椭圆状。试验期间，水深控制在40 mm～50 mm 左右，倒圆台深度与实验水深之间的比值控制在0.5～0.56 的范围内；由于溯源冲刷，顶端向上游蔓延，尾端向下游树窄拉长。为实现对采砂坑形态随时间发展过程的观测，要确保水流速度，能够始终保持在助推床面颗粒刚刚可以支持推移质运动形成的状态。通常来说，在未受到两岸边岸坡边界明显影响的条件下，采砂坑范围，在沿流下移的过程中会有所加宽，但是逐步由采砂坑边缘向其中部呈现出逐渐变浅的发展状态；若有上游来砂量相对较多，则会逐渐被淤平淹没[4]。换言之，在床面上采砂坑范围相对较小的状态，下床面所产生的变形也维持在较小状态。

2.2 弯曲河道的采砂区

实际试验结果表明，在河道弯曲入口位置，若断面环流相对较弱，在相应位置设置采砂区，除了会对凸岸淤积沙洲的大小以及稳定性产生影响之外，其余情况均与顺直河道中的情况基本相同。而在断面环流相对较强的状态下，所设置的采砂区明显表现出向凹岸深泓线移动的状态，同时凸案边滩在向上游移动期间也会遭受到横向切割。在断面环流更强的状态下，相应采砂区处于该断面左岸或中部期间，其下游床面会表现出偏向凹岸边瘫的长尾迹。需要注意的是，采砂区处于该断面（断面环流更强）左岸以及处于该断面中部之间所产生的影响有着一定的差别，当采砂区处于该段面（断面环流更强）的左岸时，会偏向左岸严重淘刷坡角，所以，在当前禁止将采砂区设置在环流较强断面的左岸位置；而当采砂区设置在该断面的中部位置时，下游尾迹使得凸岸淤积的沙洲明显减小[5]。

试验中，获取到的弯曲河道局部河床变化情况见表1。

表1 弯曲河道局部河床变化情况

2.3 分汊河道的采砂区

长江芜湖段左汊道长度约为13 km，上段进口河床较宽且相对较浅，江中浅滩淤涨、左右摆动频繁；在左汊道下段位置，主要显现出的演变形式为进口河床有所拓宽，且江中浅滩淤涨、左右摆动频繁。右汊道呈现出藕节状，其-10 m 深槽与上下游保持贯通，位置与走向变动情况并不明显；2007 年，-20 m 的深槽尾部与下游深槽之间实现全线贯通；2010 年及以后，动大桥到东梁山段的-20 m 的深槽实现全线贯通。在低水期，右汊道为主要水流集中区域；在中高水期，左汊道的分流表现出增加状态。在高水期，左汊道分流约为30%～40%；在低水期，左汊道分流约为10%。分沙比与分流比的变化趋势基本保持一致，在同期条件下，左汊道的分沙比表现出略微高于分流比的状态。

左汊道积淤展宽能够达到改善南部进口航道条件的效果，具体数据见表2，在北部过水面积有所下降的条件下，南部进口宽度表现出增大的发展趋势。

表2 北部过水面积与南部进口航道条件之间的关系

3 结论

综上所述，本次分析试验结果表明，为避免采砂作业对河床变形产生过大的影响，要避免展开大规模的与主流方向相垂直的采砂工作；在弯曲河道中，禁止将采砂区设置在环流较强断面的左岸位置，应当将弯顶下游位置设定为最优采砂位置；分汊河道下游区域的泥沙会持续不断的被补给，因此只要适当控制采砂强度，就不会对沙洲的安全性造成影响，因此可以在相应位置展开持续采砂操作。