正交試驗(yàn)法在感潮河口水閘閘下沖淤試驗(yàn)中的應(yīng)用

韓曉維,包中進(jìn),徐 崗

(浙江水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 問題的提出

河口建閘,改變了河口區(qū)域的水動力條件,引起了閘下的淤積。閘下淤積對水閘的正常運(yùn)行造成影響,不僅使水閘的過流能力大大降低,而且還對通航產(chǎn)生了影響。近年來隨著沿海擋潮閘上游水資源開發(fā)利用程度的提高,下泄流量減小,下游灘面不斷圍墾,閘口船只停靠密度加大,需不斷對閘下進(jìn)行港道疏浚,以保證船舶順利通航。

隨著對閘下淤積的原因、機(jī)理、特性研究的不斷深入,減淤措施也在不斷發(fā)展[1-4].。主要有以下幾種清淤方法:水力沖淤、納潮沖淤、機(jī)械清淤、爆破清淤、人工挖淤。這幾種方法通常配合使用,以達(dá)到最好的清淤效果,其中水力沖淤是最常用的沖淤方式,可通過水工動床模型試驗(yàn)來確定水力沖淤的效果。

2 水力沖淤的影響因素

河口水閘需對閘下淤積進(jìn)行沖刷,以保證水閘的正常運(yùn)行。影響水閘沖淤效果的因素有很多,如閘上水位、下游潮位、下泄流量、閘下淤積高度、潮溝情況等。在常規(guī)的水工模型試驗(yàn)中,對水閘沖淤進(jìn)行研究時,需考慮各個因素對沖淤產(chǎn)生的影響。由于時間、財力、物力的限制,難以完成全組合的試驗(yàn)組次。一般試驗(yàn)中,技術(shù)人員會采用變化其中一個因素,固定其余因素的方法進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)組次雖然減少很多,但并不能全面反應(yīng)各個因素對沖淤的影響,存在一定的缺陷。為了解決這一問題,可采用正交試驗(yàn)法對閘下沖淤各因素進(jìn)行系統(tǒng)研究。

3 水力沖淤的正交試驗(yàn)法

3.1 正交試驗(yàn)法的特點(diǎn)

正交試驗(yàn)法是利用正交表來安排和分析多因素試驗(yàn)的一種設(shè)計方法。它是由英國統(tǒng)計學(xué)家費(fèi)希爾基于正交拉丁方理論和群論于20世紀(jì)20年代提出來的。該方法用部分試驗(yàn)來代替全部試驗(yàn),通過對部分試驗(yàn)結(jié)果的分析,了解全部試驗(yàn)的情況。因?yàn)楫?dāng)因素較多時,雖然理論上仍可以進(jìn)行全面試驗(yàn)后再做相應(yīng)的分析,但是在實(shí)際中往往會遇到試驗(yàn)次數(shù)太多而無法實(shí)現(xiàn)的問題。而且,由于試驗(yàn)成本或時間的限制,往往不能做到全部試驗(yàn),正交試驗(yàn)法成功地解決了這一問題。其特點(diǎn):①按表格安排試驗(yàn),使用方便。正交試驗(yàn)法是用正交表來安排試驗(yàn)的。在正交表中列出幾種因素的幾種水平,在具體試驗(yàn)時,只需按正交表中的安排進(jìn)行試驗(yàn),簡明易懂;②布點(diǎn)均衡,試驗(yàn)次數(shù)少。這是正交試驗(yàn)法最典型的特征,也是正交試驗(yàn)法最突出的優(yōu)點(diǎn)。由于正交試驗(yàn)法是用部分試驗(yàn)代替完全試驗(yàn),因此,在正交表中安排的試驗(yàn)必須具有很好的代表性。圖1為3因素3水平下正交試驗(yàn)組次的分布圖。如果把完全試驗(yàn)看作是多維空間,那么正交表中的試驗(yàn)點(diǎn)必然均衡分布于這個多維空間中。

由于正交試驗(yàn)法的這些優(yōu)點(diǎn),其在水工試驗(yàn)設(shè)計中已有一定的應(yīng)用[5-6].。

圖1 3因素3水平正交試驗(yàn)法示意圖

3.2 水力沖淤的主要影響因素

影響感潮河口水閘水力沖淤效果的主要因素有:閘上水位、下游潮位、下泄流量、閘下淤積高度、潮溝情況等。對這5個因素結(jié)合實(shí)際工程選取不同的水平,并填入正交表中。

3.3 水力沖淤的試驗(yàn)指標(biāo)及其分析方法

沖淤試驗(yàn)中沖淤效果以單指標(biāo)水沙比η來表征,是下泄總水量與沖淤總量的比值,表示每沖走單位淤泥所需的水量,水沙比越小表示沖淤效果越好,反之則表示沖淤效果越差。水沙比的計算需要測量沖刷地形、計算沖淤量、記錄沖淤時間、計算所需水量。沖淤時間以沖坑不明顯向下游發(fā)展為標(biāo)準(zhǔn)。

試驗(yàn)指標(biāo)采用極差分析法,極差分析法具有以下特點(diǎn):①在試驗(yàn)范圍內(nèi),各列對試驗(yàn)指標(biāo)的影響從大到小排列。某列的極差最大,表示該列的數(shù)值在試驗(yàn)范圍內(nèi)變化時,使試驗(yàn)指標(biāo)數(shù)值的變化最大;②試驗(yàn)指標(biāo)隨各因素的變化趨勢;③使試驗(yàn)指標(biāo)最好的適宜的因素水平搭配條件;④對所得結(jié)論和進(jìn)一步研究方向的討論。

4 應(yīng)用實(shí)例

結(jié)合溫州甌飛一期圍墾工程水閘閘下沖淤模型試驗(yàn),介紹正交試驗(yàn)法在沖淤試驗(yàn)中的應(yīng)用。該工程具有規(guī)模大、排澇閘眾多、閘下水文條件復(fù)雜等特點(diǎn)。工程分為水產(chǎn)養(yǎng)殖期、中期農(nóng)業(yè)期、遠(yuǎn)期城建期 (分貫通和不貫通期)等設(shè)計工況,主要有南1#、北1#、南2#、北2#、東1#和東2#6座水閘。水閘的水力條件非常復(fù)雜。

4.1 模型設(shè)計

選取南2#閘作為該圍墾工程中的典型水閘進(jìn)行模型試驗(yàn)。動床模型按照重力相似準(zhǔn)則設(shè)計,比尺為1∶50。根據(jù)海床質(zhì)起動流速選擇模型沙,采用張瑞瑾公式進(jìn)行計算:

式中:h為水深,m;d為泥沙粒徑,m;ρs為泥沙密度,kg/m3;ρ為水的密度,kg/m3。

經(jīng)計算,模型沙可采用特定粒徑的天然沙,然后將模型沙按要求鋪設(shè)于水閘下游。

4.2 正交試驗(yàn)工況的選取

該工程需考慮5個因素 (閘上水位、下游潮位、下泄流量、閘下淤積高程、潮溝情況)對水沙比的影響,結(jié)合工程實(shí)際,流量取4個水平,其余每個因素均取2個水平,按照常規(guī)試驗(yàn)需要64組次,為了加快試驗(yàn)進(jìn)度,采用正交試驗(yàn)法只需8組,采用混合型正交表L8(41×24)(見表1),仍然保持著正交試驗(yàn) “均衡分散”、“整齊可比” 的基本特點(diǎn))。

表1 混合型正交L8(41×24)試驗(yàn)組次表

表中具體因素的水平分級為:①流量 A:考慮1孔開啟4種流量情況:50(A1),100(A2),150(A3),200m3/s(A4);②上游水位B:由于試驗(yàn)主要研究在正常水文條件下閘下灘地的沖淤問題?？紤]到實(shí)際沖淤時,上游多為正常蓄水,故取工程遠(yuǎn)期貫通正常蓄水位1.8m(B1)、遠(yuǎn)期不貫通正常蓄水位2.5 m(B2);③下游潮位 C:下游潮位分別取閘址平均潮位0.29m(C1)及平均低潮位-1.87 m(C2);④淤積高程D:根據(jù)閘下可能的淤積高程情況分別取-1.5 m〔淤積 2.0 m(D1)〕、-2.5 m〔淤積 1.0 m(D2)〕2組;⑤潮溝情況E:為了比較灘面沖淤效果,對灘面有無潮溝進(jìn)行沖淤比較。其中潮溝深度1.0m,寬度分別為0(E1),15m(E2)。

4.3 正交試驗(yàn)成果

閘下沖淤正交試驗(yàn)組次見表2,得到正交試驗(yàn)中各個組次的水沙比。通過極差分析得到各個因素對水沙比的影響大小,極差越大則影響越強(qiáng)(見表3)。

表2 閘下沖淤正交試驗(yàn)組次表

表3 閘下沖淤正交試驗(yàn)成果計算表

4.3.1 影響水沙比的主要因素

極差R從大到小排列依次是C＞A＞B＞E＞D,說明影響水沙比的主要因素依次是下游潮位、流量、上游水位和潮溝寬度,相對影響最小的是淤積高程。水沙比最小的沖淤工況為 A3-B2-C2-E1-D1,即流量150m3/s、上游水位2.5m、下游潮位-1.87m、淤積高程-1.5m、潮溝寬度0m的工況。

4.3.2 各因素對水沙比的影響

下游潮位變化是水沙比的主要影響因素,潮位越低越有利于沖沙。對比因素C的和,二者水沙比相差144(約221%),說明在另外4個因素的取值區(qū)間范圍內(nèi),下游潮位對沖淤的影響最明顯。所以應(yīng)該充分利用低潮位進(jìn)行閘下沖沙,以減少淤積。高潮位時應(yīng)盡量避免沖沙,此時效果很差。流量過小或過大都沒有好的沖淤效果,需選取合適的流量才能發(fā)揮最有效的水力沖淤。在此次試驗(yàn)的取值范圍內(nèi),流量為150m3/s時沖淤效果最佳。上游水位越高沖淤效果越好。不同淤積高程的極差值為72,淤積高程為-1.5m(D1)的水沙比比淤積高程-2.5m(D2)的水沙比小,說明當(dāng)閘下淤積較高,沙量充沛時,沖沙效果相對較好。有無潮溝對沖沙效果影響不大,從試驗(yàn)中可以看出,當(dāng)淤積高程不高的時候,潮溝會減小沖淤效率,同樣是因?yàn)殚l下的沙量不多,導(dǎo)致沖沙效率不高。此次試驗(yàn)成果與類似工程規(guī)律一致。

需要注意的是,從試驗(yàn)情況來看,閘下有效的沖沙時間不長,沖溝穩(wěn)定時間一般在30～45min,若繼續(xù)沖刷,沖溝的變化不大。

5 結(jié) 語

河口水閘大多數(shù)存在泥沙淤積的問題。選擇合理的時機(jī)對閘下淤積進(jìn)行水力沖淤既可以有效減少閘下淤積,又可以節(jié)約有限的水資源。

正交試驗(yàn)法具有全面性、整體性的特點(diǎn),可以使有限的試驗(yàn)組次反映完整的試驗(yàn)情況,具有很強(qiáng)的科學(xué)性。影響閘下沖淤效果的因素很多,因此可以通過正交試驗(yàn)法對閘下沖淤進(jìn)行水工模型試驗(yàn)。

通過甌飛灘南2#閘實(shí)例,應(yīng)用正交試驗(yàn)法,全面了解了閘下沖淤時遇到的各個因素與沖淤效果的關(guān)系,得到各因素之間的主次關(guān)系,為河口水閘的運(yùn)行調(diào)度、沖淤等提供參考依據(jù)。

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