韓曉維，周文文，史 斌

（1.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院）浙江省河口海岸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310020；2.平陽(yáng)縣水利局，浙江 溫州 325400）

0 引 言

感潮河口新建擋潮閘站普遍面臨閘下淤積問(wèn)題［1，2］，河口的淤積演變是水流、泥沙與河床相互作用的結(jié)果，目前一般認(rèn)為潮波變形是造成閘下淤積的基本動(dòng)力因素，前人已對(duì)此開(kāi)展了大量的研究［3，4］。為改善閘下淤積問(wèn)題，目前主要采用的是水力沖淤、機(jī)械清淤、納潮沖淤及工程沖淤等減淤措施，其中水力沖淤是最為常用經(jīng)濟(jì)的沖淤方式［5-7］。

目前對(duì)閘下沖淤的研究主要集中在閘下河道整體的沖淤演變，包括資料分析［8，9］、一維數(shù)模［10］、二維數(shù)模［11-13］、水槽物理模型［14］及整體河工物理模型［15-17］等。由于當(dāng)前制約擋潮閘運(yùn)行的一個(gè)重要因素就是閘下河床淤積導(dǎo)致閘門無(wú)法正常開(kāi)啟，因此在研究大范圍河道演變的同時(shí)，也需注重閘下局部河道的沖淤效果是否能夠滿足擋潮閘正常工作的條件。韓曉維等［18］曾結(jié)合正交試驗(yàn)法通過(guò)物理模型對(duì)感潮水閘閘下沖淤各因素開(kāi)展分析，并提出各影響因素的主次關(guān)系。張文傳等［19］在水工模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)多種閘門調(diào)度運(yùn)行方案并結(jié)合定床和動(dòng)床調(diào)度試驗(yàn)，提出閘門隔孔開(kāi)啟，可有效改善雙臺(tái)子河閘閘下淤沙問(wèn)題。此類研究對(duì)象主要為常規(guī)布置水閘。

經(jīng)過(guò)多年的探索和實(shí)踐，浙江省近年來(lái)出現(xiàn)了設(shè)置雙層閘門的擋潮閘，一般配套在大型泵站的下游，具有一定的水量調(diào)節(jié)能力，當(dāng)下層閘門由于閘下淤積不能正常開(kāi)啟時(shí)通過(guò)開(kāi)啟上層閘門來(lái)沖淤。本文以該新型雙層擋潮閘門為實(shí)例，結(jié)合1∶25正態(tài)物理模型對(duì)閘下沖淤開(kāi)展研究。

1 工程布置

本研究基于某大型泵站出口擋潮閘工程開(kāi)展，該工程位于浙江東南感潮河段，泵站設(shè)計(jì)流量100 m3/s，設(shè)5 臺(tái)機(jī)組，屬大（2）型泵站，泵站下游設(shè)擋潮節(jié)制閘。該擋潮閘底板高程0.90 m，閘室段順?biāo)飨蚩傞L(zhǎng)9.7 m，垂直水流向總寬23.4 m，從上游至下游分別設(shè)上層工作閘門，下層工作閘門及檢修閘門。閘室主體分為3 孔，單孔凈寬為7 m，上下雙層過(guò)流通道。其中下層流道孔口尺寸為7.0 m×2.5 m（寬×高），底高程為0.9 m；上層流道孔口尺寸為7.0 m×2.5 m（寬×高），底高程為4.3 m，工程平剖面布置見(jiàn)圖1和圖2。當(dāng)外江側(cè)淤積嚴(yán)重或者潮水頂托，下層閘門無(wú)法正常運(yùn)行，此時(shí)上層閘門可以不受影響，正常運(yùn)行，提高了工程的安全性和可靠性。擋潮閘外江側(cè)特征潮位見(jiàn)表1，重點(diǎn)對(duì)特征潮位進(jìn)行沖淤分析。

圖1 平面布置圖（單位：m）Fig.1 Layout plan of outlet sump and sluice

圖2 剖面布置圖（單位：m）Fig.2 Profile layout of outlet sump and sluice

表1 外江側(cè)特征潮位表Tab.1 Outer river characteristic tide level

2 模型設(shè)計(jì)

2.1 模型比尺

根據(jù)研究對(duì)象特點(diǎn)及內(nèi)容，采用正態(tài)水工物理模型進(jìn)行研究。模型主要按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，由于泵站單泵排澇能力為20 m3/s，考慮到模型流量、水深、流速、及相關(guān)模型相似率等水力參數(shù)，模型比尺Lr為1∶25。其他相應(yīng)物理量比尺見(jiàn)表2。

表2 模型相似率Tab.2 Law of similitude

2.2 模擬范圍及制作

物理模型采用自循環(huán)設(shè)計(jì)，模擬范圍包括泵站出水池、擋潮閘及部分外江河道，模型平面布置見(jiàn)圖3。

圖3 模型平面布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of model layout

外江河道淤積以淤泥為主，D50約為0.01 mm。動(dòng)床模擬時(shí)可按泥沙起動(dòng)公式計(jì)算原型沙的起動(dòng)流速，參照張瑞瑾公式計(jì)算淤泥的起動(dòng)流速，見(jiàn)下式。

式中：Ue為起動(dòng)流速，m/s；ρs為泥沙比重，取2 720 kg/m3；ρ為水的容重，取1 000 kg/m3；d為泥沙粒徑，m；h為水深，m。

原型淤泥在水深1～3 m 情況下的起動(dòng)流速約為0.8～1.0 m/s，模型中采用中值粒徑0.15 mm 的天然沙模擬淤積，相應(yīng)水深下模型沙起動(dòng)流速約為0.19～0.23 m/s，折算至原型起動(dòng)流速約為1.0～1.1 m/s，閘下淤積初始條件見(jiàn)圖4。

圖4 閘下沖淤鋪設(shè)照片（淤積2 m）Fig.4 Sedimentation under the gate

2.3 試驗(yàn)組次分析與選取

本工程擋潮閘采用上下兩層閘門的結(jié)構(gòu)布置，在假設(shè)下層閘門因淤積而無(wú)法運(yùn)行時(shí)，開(kāi)啟上層工作閘門進(jìn)行沖淤，根據(jù)水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)特性，沖刷流量擬選用單臺(tái)機(jī)組流量20 m3/s，受上下層閘門隔板高程的影響，上層閘門出流時(shí)為自由出流，開(kāi)啟一個(gè)閘孔及二個(gè)閘孔對(duì)應(yīng)出水池內(nèi)水位分別為5.77 和5.23 m。考慮高中低潮位不同淤積情況下及一閘孔開(kāi)啟和兩閘孔開(kāi)啟時(shí)的沖淤效果，沖淤組次見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)組次表Tab.3 Test condition table

3 沖淤判斷指標(biāo)

本次研究中沖淤效率以水沙比η來(lái)表征：

式中：Vw代表一定時(shí)間內(nèi)沖淤所用的總水量，m3；Vs表示相應(yīng)時(shí)間內(nèi)被帶走的泥沙體積總量，m3。

因此水沙比η表示每沖走單位泥沙所需的水量，水沙比越小表示沖淤效率越高，反之沖淤效率越差。一般來(lái)說(shuō)，水沙比隨著時(shí)間的變化而變化，但到一定時(shí)間后，沖淤效率較低，閘下泥沙形態(tài)變化不大，因此還需要用沖淤效果作為補(bǔ)充指標(biāo)，對(duì)沖淤進(jìn)行研究。本研究中，沖淤效果以是否將閘下0.9 m 高程護(hù)坦沖開(kāi)為特征。將開(kāi)始沖淤至閘下泥沙無(wú)明顯起動(dòng)的時(shí)間段記為沖淤基本穩(wěn)定時(shí)間T。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 沖淤流態(tài)

雙層擋潮閘沖淤時(shí)，閘下潮位均低于上層底高程4.30 m，閘下潮位對(duì)閘上水位沒(méi)有影響，實(shí)測(cè)當(dāng)開(kāi)啟一孔及兩孔沖淤時(shí)，閘上出水池內(nèi)水位分別為5.77 和5.23 m，均大于閘下歷年最高平均水位4.13 m。不同閘下淤積高度及潮位時(shí)的沖淤流態(tài)存在一定的差異。

（1）淤積高度1 m及潮位均較低時(shí)，水流經(jīng)過(guò)上孔閘門后呈跌落至閘下淤積區(qū)域，水流跌落至底板時(shí)的流速可達(dá)8 m/s，遠(yuǎn)大于淤泥的起動(dòng)流速，閘下淤泥迅速被帶走。隨著時(shí)間的發(fā)展，跌落水流經(jīng)底板調(diào)整后水平向下游，繼續(xù)帶走淤泥，流態(tài)示意見(jiàn)圖5（a），試驗(yàn)照片見(jiàn)圖6。

圖5 典型沖淤流態(tài)（單位：m）Fig.5 Typical scouring and silting flow pattern

圖6 閘下沖淤流態(tài)（工況1）Fig.6 Scouring and silting flow pattern under sluice（Condition 1）

（2）淤積高度2 m閘下處于露灘狀態(tài)時(shí)，水流經(jīng)過(guò)上孔閘門后呈跌落至閘下淤積區(qū)域，并在閘下形成水墊，水墊不受下游潮位影響，僅和沖淤流量及淤積形態(tài)有關(guān)。由于水流流速仍然遠(yuǎn)大于泥沙的起動(dòng)流速，因此在跌落區(qū)上下游淤泥仍迅速被帶走，水流隨即潛底并向下游，繼續(xù)帶走淤泥，流態(tài)示意見(jiàn)圖5（b），試驗(yàn)照片見(jiàn)圖7。

圖7 閘下沖淤流態(tài)（工況3）Fig.7 Scouring and silting flow pattern under sluice（Condition3）

（3）淤積高度2 m遭遇閘下高潮位，則流態(tài)將出現(xiàn)明顯的變化，雖然出閘水流仍呈跌流，但受閘下潮位及淤積高程的影響，水舌跌落后馬上呈水平推出，對(duì)閘下淤積沖刷較弱，流態(tài)示意見(jiàn)圖5（c），試驗(yàn)照片見(jiàn)圖8。

圖8 閘下沖淤流態(tài)（工況8）Fig.8 Scouring and silting flow pattern under sluice（Condition8）

4.2 沖淤成果分析

各工況研究成果見(jiàn)表4，典型沖淤形態(tài)見(jiàn)圖9。

表4 沖淤試驗(yàn)成果表Tab.4 Scouring and silting test results

圖9 閘下典型沖淤形態(tài)（t=15 min）Fig.9 Typical scouring and silting pattern under the gate（t=15 min）

（1）沖淤穩(wěn)定時(shí)間：不同工況的閘下有效的沖淤時(shí)間均較短，沖溝穩(wěn)定時(shí)間一般在15 min 以內(nèi)，若繼續(xù)沖淤，沖溝的變化不大，水沙比增大明顯，沖淤效率降低。

（2）不同閘下潮位比較：閘下水位越低越有利于沖淤，如工況5和工況7，閘下分別為多年平均潮位0.31 m和歷年最高平均潮位4.13 m，水沙比由92增大至179，沖淤效率大幅度降低。這主要是因?yàn)樵谙掠纬蔽惠^低時(shí)，灘面上水深較淺，流速較大，因而水流沖淤效果比潮位高時(shí)要好，且當(dāng)閘下潮位高時(shí)，出閘水流在水面形成水躍，水流不能潛底，也是沖淤效率不高的原因。因此為了提高沖淤效率，沖淤應(yīng)盡可能在下游較低潮位時(shí)進(jìn)行。

（3）閘門運(yùn)行方式影響：開(kāi)啟一孔閘門運(yùn)行，沖淤水流較為集中，在10 min 內(nèi)可將閘下護(hù)坦沖開(kāi)；開(kāi)啟二孔閘門運(yùn)行，出閘單寬流量降低50%，在初期可有效沖淤，且效率較高，但不能將護(hù)坦全部沖開(kāi)，沖淤效果不能完全滿足，對(duì)比如工況1、2 及工況3、4。

（4）不同淤積高程比較：當(dāng)閘下淤積較高時(shí)，沖沙效率相對(duì)較高。如工況1 在淤積1 m 的條件下水沙比為132.4，工況5 淤積高度2 m 時(shí)的水沙比則降低至92.3，說(shuō)明同樣水量的沖刷效率有所提高。

5 結(jié)論及展望

雙層擋潮閘作為一種新型防淤形式的閘門已在部分工程得以應(yīng)用，但其沖淤特性尚未開(kāi)展系統(tǒng)的研究。本文結(jié)合某雙層擋潮閘實(shí)例，通過(guò)1∶25物理模型對(duì)其沖淤特性進(jìn)行研究。當(dāng)擋潮閘下的口門淤積1～2 m 范圍內(nèi)，可通過(guò)運(yùn)行一臺(tái)泵站機(jī)組（20 m3/s）開(kāi)啟上層閘門進(jìn)行水力沖淤解決，不同工況的閘下有效的沖淤時(shí)間均較短，沖溝穩(wěn)定時(shí)間一般在15 min 以內(nèi)。閘下水位越低越有利于沖淤，開(kāi)啟一孔閘門運(yùn)行，沖淤水流較為集中，在沖刷10 min 內(nèi)可將閘下護(hù)坦沖開(kāi)；開(kāi)啟二孔閘門運(yùn)行，出閘單寬流量降低50%，在初期可有效沖淤，且效率較高，但不能將護(hù)坦全部沖開(kāi)，沖淤效果不能完全滿足。當(dāng)閘下淤積較高時(shí)，沖沙效率相對(duì)較高。

研究表明雙層擋潮閘可有效解決閘下局部淤積問(wèn)題，保障工程順利發(fā)揮效益，在今后的研究與實(shí)踐中有必要對(duì)雙層擋潮閘隔板高程、體型及閘下泥沙特性與水力特征之間的匹配作進(jìn)一步研究。