陳 犇，丁 磊，丁 躍，楊 帆，楊嘯宇，胡志浪

（1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210024；2.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；3.江蘇省淮沭新河管理處，江蘇 淮安 223005）

沿海擋潮閘是中國(guó)沿海省份重要的水利工程，在沿海地區(qū)防潮抗臺(tái)、御鹵蓄淡、排澇泄洪等方面發(fā)揮了重要作用。擋潮閘建成后，河口潮流條件發(fā)生改變，潮波變形，落潮流速降低，水流挾沙能力和含沙量的不對(duì)稱，隨漲潮流上溯的懸沙在閘下落淤，導(dǎo)致閘下河道發(fā)生持續(xù)性淤積［1］。淤泥質(zhì)海岸的沿海擋潮閘閘下泥沙淤積問題尤為突出［2］。其中超過80%的中大型擋潮閘建在蘇北海岸、渤海灣及珠江口等淤泥質(zhì)河口。在江蘇入海河口建有約60座擋潮閘，均存在不同程度的淤積問題，近1/3擋潮閘下淤積嚴(yán)重。

近年來，許多學(xué)者對(duì)沿海擋潮閘淤積問題進(jìn)行了研究，朱建英等［3］通過港道監(jiān)測(cè)及排水量資料分析里下河地區(qū)各港道沖淤規(guī)律，分析成果為改進(jìn)四大港閘調(diào)水沖淤運(yùn)行、盡可能減輕淤積提供技術(shù)依據(jù)；許德智等［4］研究表明拖耙清淤具有效率高、費(fèi)用低的特點(diǎn)；黃廣勇等［5］分析了鹽城四港港道入海徑流量與閘下港閘沖、淤關(guān)系，得出汛期以沖為主、非汛期以淤為主的特點(diǎn)。采用傳統(tǒng)的機(jī)械清淤或納潮清淤的傳統(tǒng)方法解決擋潮閘閘下淤積問題，傳統(tǒng)機(jī)械清淤當(dāng)河床底部異物多時(shí)，易堵塞耙齒間空隙，使耙齒無法深入土層。而納潮清淤受上游水動(dòng)力條件、土體淤積強(qiáng)度和現(xiàn)場(chǎng)條件因素影響，枯季清淤效果較差。因此，在河口區(qū)域自然水動(dòng)力基礎(chǔ)上，學(xué)者開始針對(duì)羅肇森提出的氣動(dòng)沖沙法進(jìn)行物理及數(shù)值模型試驗(yàn)來探討減淤的實(shí)際效果；唐豪［6］基于物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)氣體引起的緩流水域的流場(chǎng)和湍流動(dòng)能變化以及泥沙運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)泥沙輸移效率與水流流速和進(jìn)口氣速呈正相關(guān)的關(guān)系；李海泉［7］對(duì)連申線鹽灌船閘下游武障河模型試驗(yàn)，采用氣動(dòng)沖沙的方式對(duì)引航道出口區(qū)段進(jìn)行減淤，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)沖刷后斷面能沖刷至-4.0～-5.0 m；徐進(jìn)超等［8］利用Fluent 軟件對(duì)沉沙池的沖淤情況進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)了在相同條件下采用水射流方式的沖刷影響范圍較大，但采用氣動(dòng)沖沙的方法清淤效率更高。2020 年南京水利科學(xué)研究院在黃河小浪底水庫(kù)畛水河口攔門沙采用固定式氣動(dòng)減淤裝備進(jìn)行了減淤技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)示范，試驗(yàn)期間通過輸送氣體使床面附近水體形成強(qiáng)紊動(dòng)，試驗(yàn)點(diǎn)附近含沙量增加明顯，河床高程有所降低，證明了氣動(dòng)沖沙減淤防淤技術(shù)不僅可以增加水體含沙量，還可以改變局部河勢(shì)，提高河道輸沙能力［9］。

針對(duì)新沂河?？跇屑~擋潮閘閘下淤積問題，擬采用自主研發(fā)的氣動(dòng)沖沙減淤防淤技術(shù)在新沂河海口樞紐擋潮閘進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并進(jìn)行效果評(píng)估，為新沂河?？跇屑~未來減淤防淤方案的設(shè)置提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)其他地區(qū)解決沿海擋潮閘淤積問題具有十分重要的參考價(jià)值。

1 氣動(dòng)沖沙減淤防淤技術(shù)介紹

1.1 氣動(dòng)沖沙減淤防淤理論

20 世紀(jì)末，羅肇森等［10］提出了“氣動(dòng)沖沙法”，將壓縮后的空氣輸入河床表面并釋放，輔助底沙啟動(dòng)，防止懸沙落淤，提高水流挾沙能力（圖1）。氣動(dòng)沖沙減淤防淤技術(shù)是河底中加入空氣而形成的氣、流、沙的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)，是介于氣體、流體和固體三者的邊緣學(xué)科。

1.2 水流輸沙模式

水流能量在其運(yùn)動(dòng)的過程中，一部分用于克服河床阻力，一部分通過脈動(dòng)能量懸浮泥沙，另一部分用以輸送底沙。竇國(guó)仁［11-12］根據(jù)能量消耗原理，推導(dǎo)得單位水體水流挾沙力S*和底沙單寬輸沙量qsb的關(guān)系式如下：

式中：γs和γ分別為泥沙顆粒和水的容重；v為平均流速；vc為用平均流速表示的泥沙起動(dòng)臨界流速；H為水深；g為重力加速度；w為泥沙顆粒沉速；n為曼寧系數(shù)；C0為無尺度的謝才系數(shù)；K為水流消耗于輸送臨底推移和半懸移底沙的系數(shù)；K1為底沙顆粒在水流作用下的移動(dòng)速度，泥沙顆粒移動(dòng)的速度應(yīng)比水流的速度小，故一般情況下K1＜1。根據(jù)長(zhǎng)江、黃河的實(shí)測(cè)資料和試驗(yàn)室的資料分析、論證，竇國(guó)仁得到公式中的系數(shù)，羅勇等［13］基于竇國(guó)仁公式研究水流能量與水流挾沙、輸沙能量之間的關(guān)系。通過對(duì)黃河調(diào)水調(diào)沙的泥沙實(shí)測(cè)資料和試驗(yàn)室的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，水流總能量?jī)H有12.5%用于輸送臨底泥沙，水流挾沙消耗水流能量的2.3%，而氣體的通入可以有效提升水體的湍動(dòng)，增大泥沙的上升速度和水流的挾沙能力。

1.3 水槽試驗(yàn)相關(guān)理論

通過水槽試驗(yàn)明確清水排氣時(shí)不同工況下氣體以及對(duì)水體表面流速的影響，并建立排氣量與水體表面流速的關(guān)系。將氣壓和孔徑轉(zhuǎn)化為排氣量：

式中：Q氣為排氣量；P氣為氣體壓強(qiáng)；P大氣壓為大氣壓強(qiáng)，取為0.1 MPa；h為噴嘴距離水面的高度；S為排氣口面積；ρ氣為氣體密度，與壓強(qiáng)有關(guān)，0.1 MPa 時(shí)取為1.242 kg/m3；ρ水為水的密度；g為重力加速度。

表面流速與排氣下游的距離近似呈-1 次方的關(guān)系，考慮到流速隨氣壓的增大而增大，且氣壓與排氣量成正比，認(rèn)為表面流速和排氣量成正比，故暫定表面流速與排氣量和測(cè)點(diǎn)和噴嘴的距離的關(guān)系大致為

式中：v為下游表面流速；x為氣排噴嘴下游側(cè)距離；a為常數(shù)，與排氣角度有關(guān)；v0為無排氣時(shí)水體表面流速，可由水槽平均流速表示：

式中：Q水為流量；B為水槽寬度；H為水深；β為系數(shù)。

故式（5）可改寫為

考慮到量綱平衡，將噴嘴距離水體表面的高度h帶入式（6），得：

式中，a為未知，其余各參數(shù)為已知量，分90°垂直向下和45°斜向下游兩種，將上述各參數(shù)分別代入后，經(jīng)多次迭代得到較為貼合的a值，其中90°垂直向下取a=9 800，45°斜向下游取a=13 900。

2 氣動(dòng)沖沙現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法與方案設(shè)置

2.1 研究區(qū)域現(xiàn)狀

新沂河位于江蘇北部（圖2）。上自嶂山閘始，途徑新沂、宿豫、沭陽、灌南、灌云等縣，最后在灌云縣燕尾鎮(zhèn)西南匯入灌河，全長(zhǎng)約147 km，是沂沭泗水系的主要排洪入海通道［14］。1997年，新沂河?？跇屑~控制工程采取了挖泓建閘的形式，形成了三灘兩泓的格局。2006年進(jìn)行擴(kuò)建，擴(kuò)建后的新沂河?？诳刂乒こ逃? 座深泓閘組成，泓道兩側(cè)建有4 條翼墻。設(shè)計(jì)時(shí)在翼墻上設(shè)有引排水孔，在漲落潮時(shí)保證翼墻內(nèi)外水壓力一致。漲潮期間，高含沙水體通過翼墻上的引排水孔進(jìn)入翼墻內(nèi)，由于落潮速度遠(yuǎn)慢于漲潮，翼墻內(nèi)水體幾乎靜止，導(dǎo)致大量泥沙落淤（圖3）。翼墻內(nèi)淤積是擋潮閘閘下淤積的重要部分，若淤積高度堵塞引排水孔，將會(huì)導(dǎo)致翼墻內(nèi)外在漲落潮期間產(chǎn)生較大水壓力，極大地增加了翼墻的傾覆風(fēng)險(xiǎn)。目前，采用機(jī)械挖掘機(jī)每2 年進(jìn)行1 次清淤，單次成本為20 萬元，清淤難度大且成本高。

圖3 翼墻內(nèi)淤積現(xiàn)狀

2.2 氣動(dòng)沖沙設(shè)備

根據(jù)氣動(dòng)沖沙技術(shù)原理，準(zhǔn)備的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)備有空壓機(jī)、噴氣管網(wǎng)、起重機(jī)和取樣器（圖4）?？諌簷C(jī)輸出峰值壓強(qiáng)為0.65 MPa。鋪設(shè)底部的噴氣管網(wǎng)的長(zhǎng)和寬分別為2 m和1 m，排氣嘴孔徑為1、2、5、10 mm。噴氣管網(wǎng)噴嘴方向與管網(wǎng)的夾角分別為45°和90°兩種。噴嘴數(shù)量為20個(gè)，每個(gè)噴嘴可以調(diào)節(jié)開關(guān)狀態(tài)。試驗(yàn)過程中在噴氣管網(wǎng)上增加了取樣器，在排氣過程中獲取水體樣本。

圖4 試驗(yàn)設(shè)備

2.3 試驗(yàn)方案設(shè)置

試驗(yàn)工況參數(shù)設(shè)置如表1 所示，工況1～3 研究對(duì)比不同排氣方式的減淤效果，工況4～5 研究對(duì)比不同噴嘴角度的減淤效果，工況6～9 研究對(duì)比不同噴嘴孔徑的防淤效果。

表1 試驗(yàn)工況

3 結(jié)果分析

3.1 減淤效果試驗(yàn)

3.1.1 不同排氣方式的減淤效果

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過程中，3種不同氣壓下排氣第5 min渾水團(tuán)面積如圖5所示。方案1共進(jìn)行30 min氣動(dòng)沖沙減淤試驗(yàn)，0.2 MPa持續(xù)排氣、0.2～0.4 MPa脈沖排氣和0.2～0.65 MPa 脈沖排氣工況下，最大沖沙深度分別達(dá)到0.15 m、0.23 m和0.37 m，平均沖沙坑體積分別為0.024 m3、0.055 m3和0.143 m3，沖沙坑總體積分別約為0.2 m3、0.44 m3和1.14 m3。隨著排氣氣壓增大，沖沙坑體積越大，減淤效果越好。

圖5 不同排氣方式的減淤效果（5 min）

3.1.2 不同噴嘴角度的減淤效果

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過程中，兩種不同噴嘴角度下排氣第20 min渾水團(tuán)面積如圖6所示。方案2共進(jìn)行20 min氣動(dòng)沖沙減淤試驗(yàn)，噴嘴角度90°和45°持續(xù)排氣工況下，最大沖沙深度分別達(dá)到0.31 m和0.25 m，沖沙坑總體積分別約為0.95 m3和1.2 m3。噴嘴角度90°工況下沖沙深度較深，而噴嘴角度45°工況下沖沙坑總體積較大，且在落潮后發(fā)現(xiàn)，45°工況下的沖沙坑面積約為90°工況下的3倍。綜合分析，噴嘴角度90°適用于清淤范圍小且沖淤深度要求較高的情況，而噴嘴角度45°適用于清淤范圍較大且淤積強(qiáng)度中等的情況。

圖6 不同噴嘴角度的減淤效果（20 min）

3.2 防淤效果試驗(yàn)

研究不同噴嘴孔徑對(duì)于閘下防淤效果（圖7），共進(jìn)行20 min 氣動(dòng)沖沙防淤試驗(yàn)。將渾水團(tuán)面積作為防淤效果評(píng)估的重要指標(biāo)之一，統(tǒng)計(jì)不同孔徑下渾水團(tuán)面積隨時(shí)間變化過程（圖8）。防淤試驗(yàn)的前12 min，渾水團(tuán)面積與噴嘴孔徑成正比，但隨著時(shí)間推移，各噴嘴孔徑下的渾水團(tuán)面積差越來越小。綜合考慮防淤效果和經(jīng)濟(jì)成本，2 mm噴嘴孔徑更適用于日常防淤工作。

圖7 不同孔徑的泥沙防淤效果（5 min）

圖8 渾水團(tuán)面積隨時(shí)間變化情況

4 結(jié)論與展望

針對(duì)新沂河?？跇屑~擋潮閘閘下淤積問題，采用了氣動(dòng)沖沙減淤防淤技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，具體結(jié)論如下：（1）考慮排氣氣壓和噴嘴角度對(duì)閘下減淤效果的影響。結(jié)果表明：排氣氣壓與沖沙坑體積成正相關(guān)關(guān)系；噴嘴角度90°適用于清淤范圍小且沖淤深度要求較高的情況；噴嘴角度45°適用于清淤范圍較大且淤積強(qiáng)度中等的情況。（2）考慮噴嘴孔徑對(duì)閘下防淤效果的影響，綜合考慮防淤效果和經(jīng)濟(jì)成本，2 mm噴嘴孔徑更適用于日常防淤工作。

氣動(dòng)沖沙減淤防淤技術(shù)通過自動(dòng)化控制系統(tǒng)使得防淤減淤設(shè)備定期排氣，同時(shí)能隨潮流變化實(shí)現(xiàn)主動(dòng)清淤，實(shí)現(xiàn)潮閘閘下智慧化減淤防淤，該技術(shù)運(yùn)用于沿海擋潮閘閘下減淤防淤的前景十分廣闊。