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摘 要：根据佛耳岩作业区二期工程港池开挖方案，采用二维水流数学模型对开挖后的航道水流条件变化进行预测分析，研究了港池开挖施工对航道布置、航标布设和船舶通航的影响，并考虑本河段航道条件及通航环境的复杂性，提出港池开挖的优化施工方案，可为类似工程设计和通航管理提供参考。
关键词：港池开挖;航道通航条件;数值模拟
中图分类号：U612 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2021）06-0084-04
拟建佛耳岩作业区二期工程位于长江上游鱼洞水道中堆河段，码头工程正对中堆江心洲尾部，现状条件下低水位期工程局部河段河道弯曲狭窄，航道条件较差。根据设计方案，为满足船舶吃水深度要求，码头前沿需进行港池开挖，鉴于港池开挖工程量较大，改变了天然河床，使河道水流条件发生变化，对航道条件及船舶通航可能带来不利影响，因此，需开展港池开挖工程对航道通航条件的影响研究。
1河道及工程概况
工程上游为大中坝分汊河段，河床宽浅，水流分汊、洲滩发育[1]。大中坝尾部主河槽偏左，其下进入中堆宽浅分汊河段，该段左岸边滩发育，河心有中堆碛坝，其右岸突咀挑流明显，枯水航槽弯窄，水面仅200 m宽，水流湍急，扫弯水强劲，为枯水险滩。随着来流量增大，中堆被淹没，水面增宽，流速减小，滩情逐渐得到改善。中堆以下河道右转进入下弯道，主槽紧贴右岸，弯顶附近处左右两岸石盘对峙，尤其是左岸兰家石盘凸入江心，河宽缩窄近一半，与右岸娃娃滩石盘对峙，枯水河宽约300～500 m，水深10 m以上，兰家石盘以下河道较规顺。工程河段河势如图1所示。
佛耳岩作业区二期工程位于右岸佛耳岩处，紧邻下游一期工程，建设3000和5000吨级件杂货泊位各1个，结构采用斜坡码头型式，由2艘钢质趸船和4条架空缆车斜坡道组成，上游设置为3000吨级泊位，趸船平面尺度为75×21 m，下游设置为5000吨级泊位，趸船平面尺度为85×23 m。
港池开挖区域分为趸船停泊区和进港船舶停泊区两部分。由于码头前沿水域位于转盘石石盘处，拟采用水下清礁施工方式，清礁基线顺应河势，与码头前沿线平行布置，均采用直线线型，依照上述两区域共布置两条开挖基线。工程设计低水位为169.6 m，按照停靠5000吨级船舶吃水深度要求以及富裕深度确定船舶停泊水域开挖底高程为164.6 m;第二基线内为趸船停泊区域，据趸船吃水确定趸船停泊区域开挖底高程为167.5 m。港池开挖将清礁基线向河心侧礁石全部清至设计底高程，施工超深0.4 m，超宽1 m，设计边坡1：0.5，清礁工程量为77307 m3。工程港池开挖平面布置见图2。
2 工程对航道布置和航标布设的影响
根据施工单位提供的施工组织设计，工程施工期处于中低水位期。拟港池开挖区域紧邻主航道水域，开挖布置区下段部分外边界占据了部分主航道水域，最大占据航宽约8 m。同时，港池开挖施工时，需考虑1艘挖泥船与1艘运渣泥驳并排在施工区域最外侧作业时展布宽度约为50×26 m，钻爆船施工的展布宽度也有约45×10 m，并考虑航道侧定位沉链的入水宽度影响，因此，拟港池开挖施工需占用部分航道水域，对现行航道布置有一定影响。此外，港池开挖区位于右岸转盘石红浮作用范围内，开挖区靠河心一侧占据了该红浮的设标水域，工程施工将对该航标的设置、维护及功能发挥造成一定影响。
3 工程对航道水流条件的影响
本次采用二维数学模型方法[2]分析工程实施前后相關水力要素的变化趋势。结合工程河段不同水位期水流及通航条件的变化情况，研究选择了如表1所示的四组水文工况。
3.1 工程对河道水位的影响
开挖工程实施后，河道水位变化主要表现在开挖区域上游附近断面平均水位均有不同程度下降，距工程区域愈近，水位降幅愈大，降幅基本在1～7 cm;而开挖区域中下部及下游河段断面平均水位有不同程度增加，工程区域中下部水位增幅较明显，增幅基本在1～6 cm;枯水流量时水位变幅最大。此外，统计表明港池开挖引起的河道水位及水面比降变化区域基本在工程区域上游1000 m至下游500 m之间。可见，港池开挖实施后，工程引起的河道水位变幅较小，且影响范围有限。
3.2 工程对河道流速的影响
（1）港池开挖区左侧河道流速变化。从工程前后河道流速变化等值线图（图3）可以看出，港池开挖区域头部及上游河道内流速略有增加，但增幅不大，均小于0.1 m/s;港池开挖左侧主河槽内流速均有不同程度降低，河道流速增减变化基本以中堆尾部至开挖区头部连线为分界线，流速降幅随流量的增加而递减，最大流速降幅发生在最低通航流量2300 m3/s时，流速降幅为-0.5～-0.1 m/s，最小流速降幅为-0.2～-0.1 m/s（流量20000 m3/s）;港池开挖区域下游主河道内流速降幅较小，均小于0.1 m/s。由此可见，开挖区左侧河道内流速变化趋势为：以中堆尾部至开挖区头部为界限，上游河道流速略有增加，开挖区及下游河道流速呈下降趋势，且随着流量的增加流速变幅逐渐减小。
（2）港池开挖区流速变化。中枯水流量时，由于受开挖局部区域过流能力增加影响，开挖区流速呈现增加趋势，流速增幅约为0.1～1.2 m/s，最大流速增幅达1.3～1.4 m/s;随着流量的增加，开挖区中部以上水域流速增幅减缓，平均增幅在0.1～0.2 m/s，且局部流速呈现下降态势，而开挖区尾部水域流速变化仍表现为增加，流速增幅在0.1～0.7 m/s，最大流速增幅达0.9 m/s。因此，港池开挖区域流速变化以增加趋势为主，且随流量增加流速增幅逐渐下降。
总的来看，港池开挖区流速整体呈增加趋势，其左侧河道内流速整体呈减小趋势，中枯水位期表现明显，随着来流量增大流速变幅逐渐减小。 3.3 工程对中堆分流比的影响
表2统计了枯水流量下工程实施后中堆碛坝分流比变化结果。可以看出，枯水流量时右汊为主汊，流量2300 m3/s时，左汊不分流，工程前后分流比无变化;流量4330 m3/s时，中堆左右汊均过水，港池开挖后右汊分流比略有增加，分流比变幅为0.2%。中洪水期，中堆已淹没过水。总的来看，工程实施后对枯水期中堆分流比的影响较小，分流比变幅不大。
4 工程对船舶通航的影响
根据施工进度计划，施工期在水银口水位9 m以下，此时船舶上行航路位于主航道偏左岸一侧，下行航路沿航道中心[3]，港池施工水域位于主航道右岸一侧。由工程河段通航条件可知，低水位期工程局部河段航道弯曲狭窄，转盘石以上在低水时有斜流等不良流态，下行船舶驶经此段时，需以转盘石红浮转点吊向，因此，本河段通航环境较为复杂。
然而，拟港池开挖区域恰好位于转盘石处，且开挖布置区伸入河心较开，下行船舶距施工水域较近，因此，港池开挖施工对下行船舶通航有一定影响，尤其是在进行转盘石红浮以上区域施工时，由于中堆扫弯水流较急，顶冲转盘石，港池开挖作业船舶逼近下水航路并遮挡驾驶视线，且水上施工作业易对驾引人员心理造成压力，若下行船舶来不及避让，容易发生碰撞事故。此外，工程船抛锚定位、水下清礁、进出主航道运渣作业等过程也会对过往船舶通航造成一定影响。
5 优化调整意见
鉴于工程河段航道及通航环境的复杂性，且港池开挖施工对航道布置和船舶通航有一定影响，为确保船舶通航和施工作业安全，需对港池开挖施工方案进行优化调整。
建议港池开挖施工期安排在非汛期，并根据河道水位变化情况分两阶段进行。非汛期水银口水位5 m以上时，中堆过流，河面展宽，水流流速降低，同时水位抬升后航道左侧边界有拓展余地，在对现有航道布置进行适当调整，满足航道维护要求并确保通航安全的前提下，可采用施工船舶进行水下钻爆和清渣作业;水银口水位5 m以下时，本河段航道条件及通航环境较差，不能采用施工船舶进行水下钻爆和清渣作业，只能对近岸区域采用陆上钻爆和清渣作业，同时，不可对河段现状航道布置进行调整，港池开挖施工不得占据现有航道;汛期时，工程河段流量大，水势急，故仍应避免在汛期实施水下港池开挖作业。
6 结论
（1）佛耳岩作业区二期工程港池开挖施工需占用部分航道水域，占据转盘石红浮设标水域，对现行航道布置和航标布设有一定影响。工程实施对河道水位和分流比影响较小，但对局部流速有一定影响。
（2）港池开挖工程位于转盘石处，开挖布置区伸入河心较开，下行船舶距施工水域较近，对下行船舶通航有一定影响。
（3）鉴于工程河段航道条件及通航环境较为复杂，为确保船舶通航和施工作业安全，需对港池开挖方案进行优化调整：将施工期安排在非汛期，并根据河道水位变化分两阶段实施，水银口水位5 m以上可进行水上施工作业，水银口水位5 m以下只能对近岸区域实施陆上清礁作业，且在施工过程中应采取必要的通航安全保障措施，以减小港池开挖对航道及通航安全的影响。
参考文献：
[1] 金中武，吴华莉，黄建成.长江佛耳岩河段河床演变特点分析[J].人民长江，2013（11）：19-24.
[2] 陈勇康，胡江，宋丹丹，等.长江铜锣峡河段炸礁整治数学模型计算及验证[J].水运工程，2015（6）：131-136.
[3] 长江上游李渡至界石盤船舶分道航行规则（2019）[EB/OL].长江海事局，2019.
关键词：港池开挖;航道通航条件;数值模拟
中图分类号：U612 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2021）06-0084-04
拟建佛耳岩作业区二期工程位于长江上游鱼洞水道中堆河段，码头工程正对中堆江心洲尾部，现状条件下低水位期工程局部河段河道弯曲狭窄，航道条件较差。根据设计方案，为满足船舶吃水深度要求，码头前沿需进行港池开挖，鉴于港池开挖工程量较大，改变了天然河床，使河道水流条件发生变化，对航道条件及船舶通航可能带来不利影响，因此，需开展港池开挖工程对航道通航条件的影响研究。
1河道及工程概况
工程上游为大中坝分汊河段，河床宽浅，水流分汊、洲滩发育[1]。大中坝尾部主河槽偏左，其下进入中堆宽浅分汊河段，该段左岸边滩发育，河心有中堆碛坝，其右岸突咀挑流明显，枯水航槽弯窄，水面仅200 m宽，水流湍急，扫弯水强劲，为枯水险滩。随着来流量增大，中堆被淹没，水面增宽，流速减小，滩情逐渐得到改善。中堆以下河道右转进入下弯道，主槽紧贴右岸，弯顶附近处左右两岸石盘对峙，尤其是左岸兰家石盘凸入江心，河宽缩窄近一半，与右岸娃娃滩石盘对峙，枯水河宽约300～500 m，水深10 m以上，兰家石盘以下河道较规顺。工程河段河势如图1所示。
佛耳岩作业区二期工程位于右岸佛耳岩处，紧邻下游一期工程，建设3000和5000吨级件杂货泊位各1个，结构采用斜坡码头型式，由2艘钢质趸船和4条架空缆车斜坡道组成，上游设置为3000吨级泊位，趸船平面尺度为75×21 m，下游设置为5000吨级泊位，趸船平面尺度为85×23 m。
港池开挖区域分为趸船停泊区和进港船舶停泊区两部分。由于码头前沿水域位于转盘石石盘处，拟采用水下清礁施工方式，清礁基线顺应河势，与码头前沿线平行布置，均采用直线线型，依照上述两区域共布置两条开挖基线。工程设计低水位为169.6 m，按照停靠5000吨级船舶吃水深度要求以及富裕深度确定船舶停泊水域开挖底高程为164.6 m;第二基线内为趸船停泊区域，据趸船吃水确定趸船停泊区域开挖底高程为167.5 m。港池开挖将清礁基线向河心侧礁石全部清至设计底高程，施工超深0.4 m，超宽1 m，设计边坡1：0.5，清礁工程量为77307 m3。工程港池开挖平面布置见图2。
2 工程对航道布置和航标布设的影响
根据施工单位提供的施工组织设计，工程施工期处于中低水位期。拟港池开挖区域紧邻主航道水域，开挖布置区下段部分外边界占据了部分主航道水域，最大占据航宽约8 m。同时，港池开挖施工时，需考虑1艘挖泥船与1艘运渣泥驳并排在施工区域最外侧作业时展布宽度约为50×26 m，钻爆船施工的展布宽度也有约45×10 m，并考虑航道侧定位沉链的入水宽度影响，因此，拟港池开挖施工需占用部分航道水域，对现行航道布置有一定影响。此外，港池开挖区位于右岸转盘石红浮作用范围内，开挖区靠河心一侧占据了该红浮的设标水域，工程施工将对该航标的设置、维护及功能发挥造成一定影响。
3 工程对航道水流条件的影响
本次采用二维数学模型方法[2]分析工程实施前后相關水力要素的变化趋势。结合工程河段不同水位期水流及通航条件的变化情况，研究选择了如表1所示的四组水文工况。
3.1 工程对河道水位的影响
开挖工程实施后，河道水位变化主要表现在开挖区域上游附近断面平均水位均有不同程度下降，距工程区域愈近，水位降幅愈大，降幅基本在1～7 cm;而开挖区域中下部及下游河段断面平均水位有不同程度增加，工程区域中下部水位增幅较明显，增幅基本在1～6 cm;枯水流量时水位变幅最大。此外，统计表明港池开挖引起的河道水位及水面比降变化区域基本在工程区域上游1000 m至下游500 m之间。可见，港池开挖实施后，工程引起的河道水位变幅较小，且影响范围有限。
3.2 工程对河道流速的影响
（1）港池开挖区左侧河道流速变化。从工程前后河道流速变化等值线图（图3）可以看出，港池开挖区域头部及上游河道内流速略有增加，但增幅不大，均小于0.1 m/s;港池开挖左侧主河槽内流速均有不同程度降低，河道流速增减变化基本以中堆尾部至开挖区头部连线为分界线，流速降幅随流量的增加而递减，最大流速降幅发生在最低通航流量2300 m3/s时，流速降幅为-0.5～-0.1 m/s，最小流速降幅为-0.2～-0.1 m/s（流量20000 m3/s）;港池开挖区域下游主河道内流速降幅较小，均小于0.1 m/s。由此可见，开挖区左侧河道内流速变化趋势为：以中堆尾部至开挖区头部为界限，上游河道流速略有增加，开挖区及下游河道流速呈下降趋势，且随着流量的增加流速变幅逐渐减小。
（2）港池开挖区流速变化。中枯水流量时，由于受开挖局部区域过流能力增加影响，开挖区流速呈现增加趋势，流速增幅约为0.1～1.2 m/s，最大流速增幅达1.3～1.4 m/s;随着流量的增加，开挖区中部以上水域流速增幅减缓，平均增幅在0.1～0.2 m/s，且局部流速呈现下降态势，而开挖区尾部水域流速变化仍表现为增加，流速增幅在0.1～0.7 m/s，最大流速增幅达0.9 m/s。因此，港池开挖区域流速变化以增加趋势为主，且随流量增加流速增幅逐渐下降。
总的来看，港池开挖区流速整体呈增加趋势，其左侧河道内流速整体呈减小趋势，中枯水位期表现明显，随着来流量增大流速变幅逐渐减小。 3.3 工程对中堆分流比的影响
表2统计了枯水流量下工程实施后中堆碛坝分流比变化结果。可以看出，枯水流量时右汊为主汊，流量2300 m3/s时，左汊不分流，工程前后分流比无变化;流量4330 m3/s时，中堆左右汊均过水，港池开挖后右汊分流比略有增加，分流比变幅为0.2%。中洪水期，中堆已淹没过水。总的来看，工程实施后对枯水期中堆分流比的影响较小，分流比变幅不大。
4 工程对船舶通航的影响
根据施工进度计划，施工期在水银口水位9 m以下，此时船舶上行航路位于主航道偏左岸一侧，下行航路沿航道中心[3]，港池施工水域位于主航道右岸一侧。由工程河段通航条件可知，低水位期工程局部河段航道弯曲狭窄，转盘石以上在低水时有斜流等不良流态，下行船舶驶经此段时，需以转盘石红浮转点吊向，因此，本河段通航环境较为复杂。
然而，拟港池开挖区域恰好位于转盘石处，且开挖布置区伸入河心较开，下行船舶距施工水域较近，因此，港池开挖施工对下行船舶通航有一定影响，尤其是在进行转盘石红浮以上区域施工时，由于中堆扫弯水流较急，顶冲转盘石，港池开挖作业船舶逼近下水航路并遮挡驾驶视线，且水上施工作业易对驾引人员心理造成压力，若下行船舶来不及避让，容易发生碰撞事故。此外，工程船抛锚定位、水下清礁、进出主航道运渣作业等过程也会对过往船舶通航造成一定影响。
5 优化调整意见
鉴于工程河段航道及通航环境的复杂性，且港池开挖施工对航道布置和船舶通航有一定影响，为确保船舶通航和施工作业安全，需对港池开挖施工方案进行优化调整。
建议港池开挖施工期安排在非汛期，并根据河道水位变化情况分两阶段进行。非汛期水银口水位5 m以上时，中堆过流，河面展宽，水流流速降低，同时水位抬升后航道左侧边界有拓展余地，在对现有航道布置进行适当调整，满足航道维护要求并确保通航安全的前提下，可采用施工船舶进行水下钻爆和清渣作业;水银口水位5 m以下时，本河段航道条件及通航环境较差，不能采用施工船舶进行水下钻爆和清渣作业，只能对近岸区域采用陆上钻爆和清渣作业，同时，不可对河段现状航道布置进行调整，港池开挖施工不得占据现有航道;汛期时，工程河段流量大，水势急，故仍应避免在汛期实施水下港池开挖作业。
6 结论
（1）佛耳岩作业区二期工程港池开挖施工需占用部分航道水域，占据转盘石红浮设标水域，对现行航道布置和航标布设有一定影响。工程实施对河道水位和分流比影响较小，但对局部流速有一定影响。
（2）港池开挖工程位于转盘石处，开挖布置区伸入河心较开，下行船舶距施工水域较近，对下行船舶通航有一定影响。
（3）鉴于工程河段航道条件及通航环境较为复杂，为确保船舶通航和施工作业安全，需对港池开挖方案进行优化调整：将施工期安排在非汛期，并根据河道水位变化分两阶段实施，水银口水位5 m以上可进行水上施工作业，水银口水位5 m以下只能对近岸区域实施陆上清礁作业，且在施工过程中应采取必要的通航安全保障措施，以减小港池开挖对航道及通航安全的影响。
参考文献：
[1] 金中武，吴华莉，黄建成.长江佛耳岩河段河床演变特点分析[J].人民长江，2013（11）：19-24.
[2] 陈勇康，胡江，宋丹丹，等.长江铜锣峡河段炸礁整治数学模型计算及验证[J].水运工程，2015（6）：131-136.
[3] 长江上游李渡至界石盤船舶分道航行规则（2019）[EB/OL].长江海事局，2019.