圍墾工程中幾個(gè)水力學(xué)問題的探討

包中進(jìn),王 斌,徐 崗

(浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 問題的提出

浙江省人多地少,用地矛盾十分突出,灘涂圍墾已成為解決這一矛盾的重要途徑,規(guī)劃圍墾面積約10萬km2/a。隨著“十二五” 《浙江海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展示范區(qū)規(guī)劃》的批復(fù),作為海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展表現(xiàn)形式之一的灘涂圍墾工程越來越彰顯其重要性。

但在圍墾工程實(shí)施中也發(fā)現(xiàn),隨著工程規(guī)模、排澇規(guī)模的逐漸擴(kuò)大,排澇閘凈寬及閘室數(shù)量隨之增多,圍區(qū)及其周邊的河道等水系布局趨于復(fù)雜,閘下水流沖淤防護(hù)難度更大,水力學(xué)問題更加突出。合理確定圍區(qū)規(guī)劃水系的配套水閘規(guī)模、整體排澇布局、排澇閘閘下消能工布置,以及口門防沖保護(hù)、預(yù)防閘下淤積等,是目前常遇的技術(shù)問題。

其中甌飛灘圍墾工程就是最典型的工程。溫州市甌飛灘涂地處浙江東南沿海,屬于甌江與飛云江河口口外區(qū)域,距溫州市中心僅40 km左右。圍區(qū)南、北邊界分別為飛云江及甌江河口邊界的外延線,甌飛灘岸線平直,理論深度基面(1985國家高程基準(zhǔn)-3.35 m)以上灘地面積約1.333萬hm2(20萬畝),其中一期圍墾位于甌飛高灘區(qū)域范圍,圍墾面積約0.900萬hm2(13.5萬畝),是迄今為止浙江省乃至全國范圍內(nèi)圍墾規(guī)模較大的工程之一,工程位置示意見圖1[1]。

甌飛一期圍墾工程規(guī)劃前期圍區(qū)排澇布局比較方案共2個(gè),一是布置5座水閘,分別是南1#、北1#、南2#、北2#以及甌飛大閘,總排澇凈寬352 m;二是布置6座水閘,為南1#、北1#、南2#、北2#以及東1#和東2#閘,總排澇凈寬360 m。其中,南1#、北1#閘排澇標(biāo)準(zhǔn)按50 a一遇設(shè)計(jì),南2#、北2#閘以及東1#、東2#閘排澇標(biāo)準(zhǔn)按照圍區(qū)內(nèi)河網(wǎng)10 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。工程平面布置見圖2、3。根據(jù)設(shè)計(jì),圍墾工程實(shí)施分水產(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)3個(gè)階段(養(yǎng)殖期及農(nóng)業(yè)期東西片水系獨(dú)立,圍區(qū)(西片)控制正常水位分別為-0.5,1.8m,東西片以中央橫河為界)[2]。

圖1 工程位置示意圖

圖2 方案1排澇布置圖

圖3 方案2排澇布置圖

2 研究方法

本文采用典型水閘整體水工模型和平面二維水流數(shù)學(xué)模型相結(jié)合的方法,對(duì)圍區(qū)排澇規(guī)劃及水閘設(shè)計(jì)中存在的幾個(gè)水力學(xué)問題進(jìn)行了研究,其中水工物理模型側(cè)重于典型水閘的局部水力條件及沖淤試驗(yàn),數(shù)學(xué)模型側(cè)重于整體規(guī)劃布局的分析研究,2種研究方法相互補(bǔ)充,使研究結(jié)果更加科學(xué)完善。

2.1 整體水工模型

整體水工模型試驗(yàn)選取東2#閘和南2#閘作為典型水閘,模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì),根據(jù)試驗(yàn)研究內(nèi)容及場地要求等,整體模型幾何比尺Lr=50。閘上河道模擬0.50 km以上,閘下約0.30 km,左右寬度約0.5 km。并在閘軸線上游50,150,250 m等處均布置了上游水尺,下游水尺布置在閘軸線下游150 m處。口門動(dòng)床試驗(yàn)以及閘下沖淤試驗(yàn)采用天然砂作為模型沙,按照起動(dòng)相似要求選沙。

2.2 平面二維水流數(shù)學(xué)模型

由于計(jì)算區(qū)域范圍較大、水動(dòng)力條件復(fù)雜、涉水建筑物較多,并需要考慮水閘調(diào)度運(yùn)行等因素,平面二維數(shù)學(xué)模型采用自主開發(fā)的基于三角形網(wǎng)格的有限體積模式,該模型具有網(wǎng)格布置靈活、局部加密方便、適用性強(qiáng)、能夠模擬水閘等泄水建筑物調(diào)度運(yùn)行等特點(diǎn)。

(1)基本方程。

(2)模型范圍。數(shù)學(xué)模型主要模擬了圍墾整體規(guī)劃水系,上游客水邊界模擬至工程臨近圍區(qū)的排澇閘,下游則模擬至外排至甌江及東海的排澇閘閘下附近。

(3)網(wǎng)格布置。模型最大網(wǎng)格邊長約150 m,布置于地形及邊界較為平緩的調(diào)蓄湖內(nèi)。排澇閘閘室及河道岸坡附近網(wǎng)格根據(jù)實(shí)際地形及固邊界特點(diǎn)漸變加密,最小網(wǎng)格邊長約3 m。模型整體計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)58 309,單元總數(shù)33 850,模擬水系面積約25.9 km2。

(4)邊界條件。模型計(jì)算客水上游邊界水閘采用入流流量過程線,下游飛云江、甌江以及東海附近5～6個(gè)閘的閘下邊界則采用對(duì)應(yīng)的外海潮位過程控制,水閘調(diào)度運(yùn)行設(shè)置了閘門開關(guān),當(dāng)圍區(qū)水位達(dá)到排澇控制條件時(shí),閘門開啟,低于最低控制水位時(shí)則關(guān)閉閘門,水閘僅允許單向排澇出流,不考慮納潮。

3 研究成果

3.1 排澇布局

影響圍區(qū)排澇效果的因素很多,主要包括調(diào)度原則、閘室數(shù)量、閘室平面分布、各個(gè)閘室的規(guī)模以及閘底板高程等。如果按照常規(guī)的逐一比較法進(jìn)行計(jì)算,則計(jì)算組次需要成百上千組。因此,為了提高效率,快速找出影響排澇因素的作用大小,最終確定合理的布局方案,采用正交試驗(yàn)方法進(jìn)行計(jì)算是比較理想的方法[3-4]。結(jié)果表明:

(1)影響圍區(qū)洪水位的因素在不同建設(shè)時(shí)期是不同的。以方案2為例,農(nóng)業(yè)期影響東片圍區(qū)主次因素依次為南2#和北2#閘的閘底板高程、南2#和北2#閘閘室寬度、東1#和東2#閘的閘底板高程、東1#和東2#閘的閘室寬度,說明南北向水閘的作用較大;遠(yuǎn)期不貫通時(shí)影響東片圍區(qū)洪水位的主次因素依次為東1#和東2#閘的閘底板高程、東1#和東2#閘的閘室寬度、南2#和北2#閘閘室寬度、南2#和北2#閘的閘底板高程,說明東邊的水閘排澇作用較大。

(2)排澇閘在圍區(qū)平面上均衡布置有利于排澇。從圖2、3的圍區(qū)某時(shí)刻洪水位情況看,方案1東片圍墾區(qū)域(包括甌飛大閘及南2#、北2#閘區(qū)域)的水位差較大(2.40～1.70 m),說明排澇時(shí)河道補(bǔ)水不足,部分河段規(guī)模不夠;而方案2的水閘布局明顯有所改善,圍墾東片區(qū)域水位變幅明顯減少(2.30～1.90 m)。因此,方案2的閘室布局較優(yōu)。

(3)單純依靠增加閘室寬度對(duì)排澇效果不一定有利。從計(jì)算成果分析來看,受區(qū)域降水峰值及閘下潮位頂托影響,單純依靠增加閘室寬度及降低閘底板高程并非絕對(duì)能夠降低圍區(qū)排澇過程中的最高洪水位。因?yàn)殚l室過大容易導(dǎo)致閘前水位瞬時(shí)下降過快,河網(wǎng)補(bǔ)水不足,需要頻繁調(diào)度閘門開啟;而閘室過小,則需要閘門連續(xù)開啟運(yùn)行,容易與下游低潮位相遇,增加閘下消能防沖壓力。

(4)通過綜合比較分析,最終推薦了優(yōu)化方案。通過優(yōu)化,方案1最終排澇總凈寬比原設(shè)計(jì)方案可以減少32 m,方案2最終方案排澇總凈寬比原設(shè)計(jì)可以減少40 m,明顯降低了工程建設(shè)投資。

3.2 閘前河道規(guī)模

河道配套問題是困擾新開河道的難點(diǎn),浙江省存在較多閘前河道沖刷偏深的實(shí)例,由于閘室規(guī)模和閘前河道規(guī)模不匹配,導(dǎo)致閘前約5 km范圍河道均被刷深,最深超過5.0 m,危及堤防安全。因此,對(duì)圍墾工程,閘前河道防護(hù)與閘下消能防護(hù)一樣重要,必須引起高度重視[5-6]。

圖4 原方案排澇閘閘上400 m范圍沿程水面線圖

圖5 推薦方案排澇閘閘上400 m范圍沿程水面線圖

3.3 消能工布置

3.3.1 消能工況

一般來說,較為理想的排澇工況為外海潮位相對(duì)較高的時(shí)刻,以減輕下游的沖刷壓力。但設(shè)計(jì)計(jì)算及實(shí)際運(yùn)行中,為避免圍區(qū)水位進(jìn)一步升高,水閘在低潮位下可能也需要參與排澇。因此試驗(yàn)消能工況必須兼顧偏不利的水位組合,以保證工程運(yùn)行的安全。甌飛灘工程選取上游正常蓄水位、下游平均低潮位組合作為消能控制工況。

3.3.2 工程布置和消能效果

消能工布置主要指平面布置和縱向剖面布置。常規(guī)的低水頭排澇閘閘下消能布置往往包括消力池、護(hù)坦、海漫、拋石防沖槽[7](見圖6)。從平面布置上來看,采用兩邊略微擴(kuò)散(擴(kuò)散角一般不大于10°)的方式,有利于水流在平面上擴(kuò)散,降低單寬流量。從剖面圖上來看,一般是采用一級(jí)消力池方案,如果條件許可,采用二級(jí)消力池方案或者一級(jí)長池中間加坎方案,對(duì)提高消能率,減輕下游沖刷有利。

以甌飛灘為例,從試驗(yàn)情況來看,一級(jí)消力池方案的的消能率均很低,消能效果不理想。其中:遠(yuǎn)期不貫通消能工況排澇時(shí),消力池內(nèi)能夠形成淹沒水躍,躍首位于墩尾以下2 m左右,平均流速8.55 m/s,Fr為1.59;躍尾位于墩尾21 m左右,池長有一定的富余。躍后坎頂?shù)钠骄魉?.62 m/s,Fr為0.71,池內(nèi)消能率約為12%。躍后水流出池后在坎頂略有跌落,護(hù)坦及海漫上呈急流流態(tài),海漫末端的平均流速7.36 m/s,最大流速7.92 m/s,Fr為1.70;海漫末端附近通過跌流流態(tài)與下游潮位銜接,在翼墻圓弧擴(kuò)散段兩端有回流區(qū)形成。

遠(yuǎn)期貫通消能工況排澇時(shí),水流流態(tài)同不貫通工況類似,只是流速相對(duì)略大,如海漫末端的平均流速達(dá)到了7.86 m/s,Fr為1.05。

因此,對(duì)于遠(yuǎn)期工況,閘下消能效果并不理想,若采用現(xiàn)有布置方式,海漫和防沖槽必將遭受沖刷破壞。

為了提高消能率,降低海漫末端的流速,推薦采用二級(jí)消力池方案。工程布置見圖7。遠(yuǎn)期不貫通工況下,2級(jí)消力池消能率為17%,海漫末端斷面0+086 m處平均流速為5.82 m/s,Fr=1.36。遠(yuǎn)期貫通工況下,2級(jí)消力池消能率為23%,海漫末端斷面0+086m處平均流速為6.33m/s。消能效果明顯改善。流態(tài)見圖8。

綜上所述，通過本文分析研究認(rèn)為高齡基礎(chǔ)疾病較多的股骨粗隆31A1，31A2穩(wěn)定性骨折患者更適宜選擇PCCP經(jīng)皮操作解剖復(fù)位治療而對(duì)于具有嚴(yán)重骨質(zhì)疏松的患者而言PCCP系統(tǒng)不適宜。伴有骨質(zhì)疏松的不穩(wěn)定性轉(zhuǎn)子間骨折患者更適合應(yīng)用PFNA系統(tǒng)總而言之股骨粗隆間骨折的手術(shù)類型選擇應(yīng)視患者全身情況與骨折類型而定。

圖6 原設(shè)計(jì)方案工程剖面圖

圖7 推薦方案工程剖面圖

圖8 遠(yuǎn)期不貫通水流流態(tài)圖

3.4 口門沖刷

預(yù)測口門沖刷情況,為口門防護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù),也是主要的技術(shù)難點(diǎn)。從甌飛灘口門沖刷情況來看,口門動(dòng)床沖刷主要有以下幾個(gè)特點(diǎn):

(1)翼墻附近的沖深大于河道中間的沖深。主要是水流在翼墻附近急劇擴(kuò)散,海漫上主流流速太大引起的回流錐形淘刷,南2#閘最深位置沖深超過15 m(見圖9)。

圖9 原方案南2#閘口門沖刷形態(tài)圖

(2)傳統(tǒng)的海漫及防沖槽的防護(hù)方式欠妥。在低潮位時(shí),感潮閘閘下海漫末端水流往往通過跌流流態(tài)與下游潮位銜接,防沖槽拋石基礎(chǔ)及墊層極易被水流淘空,從而崩塌引起海漫段進(jìn)一步毀壞。

(3)沖坑穩(wěn)定時(shí)間很快。由圖10可見,沖刷坑穩(wěn)定的時(shí)間很快,并且海漫末端在很短的時(shí)間內(nèi)就露坎。

圖10 沖刷坑深度隨時(shí)間的變化過程圖

(4)將海漫長度加長直至翼墻外側(cè)有利于保護(hù)翼墻基礎(chǔ)不受沖刷,此時(shí)水流反而形成向心集中,翼墻附近的回流淘刷強(qiáng)度大大減小。

(5)優(yōu)化方案及成果。根據(jù)消能及沖刷試驗(yàn)成果,一級(jí)消力池方案消能效果不理想,建議采取二級(jí)消力池優(yōu)化方案。其中,采用二級(jí)消力池方案后,南2#閘優(yōu)化推薦方案閘下最大沖深由15m減少至10 m左右,東2#閘推薦方案閘下最大沖深由近9于m減少至5 m,改善效果明顯,見圖11、12[8]。

圖11 原設(shè)計(jì)方案東2#閘口門沖刷形態(tài)圖

圖12 優(yōu)化方案東2#閘口門沖刷形態(tài)圖

3.5 閘下沖淤

閘下淤積問題是感潮水閘存在的普遍性問題,為確保閘門能夠正常運(yùn)行,需要研究如何利用有限的水資源進(jìn)行閘下有效沖淤的運(yùn)行方法。這方面目前還沒有進(jìn)行系統(tǒng)研究。

水閘的沖淤效果和閘上下游水位、灘面淤積高程、有無潮溝、下泄流量及排澇總水量等均有密切關(guān)系?？紤]到單因素比較法進(jìn)行試驗(yàn)工作量大,所以采用正交試驗(yàn)法進(jìn)行試驗(yàn)。沖淤效果以水沙比來表征,即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。從水沙比角度推薦閘門的運(yùn)行方案。試驗(yàn)組次采用正交試驗(yàn)法排列,考慮5個(gè)因素,其中流量取4個(gè)水平,其余每個(gè)因素取2個(gè)水平 (見表1)。

表1 正交試驗(yàn)組次表

試驗(yàn)結(jié)果表明:

(1)影響水沙比的最主要因素是下游潮位。極差從大到小排列依次是C＞A＞B＞D＞E,說明主要影響因素是下游潮位和流量,其次是上游水位和淤積高程,影響最小的是潮溝寬度。水沙比最小的沖淤工況為A3-B2-C2-D1-E2,即流量150 m3/s、上游水位2.5 m、下游潮位-1.87 m、淤積高程-1.5 m、潮溝寬度15 m的工況。

(2)閘下沖沙應(yīng)選取合適的流量。經(jīng)正交試驗(yàn)分析,流量150 m3/s工況的水沙比最小,說明流量過小或過大均非最佳的沖淤方式,而是應(yīng)該選取合適的流量。在此次試驗(yàn)的另外4個(gè)因素的區(qū)間范圍內(nèi),選取150 m3/s流量時(shí)的沖淤效果最佳。

(3)有無潮溝對(duì)沖沙效果的影響不大。從極差排列也可以看出潮溝因素極差值最小,說明有無潮溝對(duì)沖沙效果影響不大,成果與類似工程經(jīng)驗(yàn)相同[9]。

(4)各工況的有效沖沙時(shí)間均較短。從試驗(yàn)情況來看,有效的沖沙時(shí)間均很短,沖溝穩(wěn)定時(shí)間一般在30～45 min。

4 結(jié) 語

隨著灘涂圍墾的發(fā)展,圍區(qū)附近的水動(dòng)力泥沙條件亦逐漸趨于復(fù)雜,本文以溫州甌飛一期圍墾前期規(guī)劃布局為例,利用水工模型試驗(yàn)方法和數(shù)值模擬方法想結(jié)合的方法對(duì)圍區(qū)規(guī)劃水系的配套水閘規(guī)模、整體排澇布局、閘下消能工布置、口門沖刷、閘下沖淤等幾個(gè)水力學(xué)問題進(jìn)行探討,改善了圍區(qū)排澇布局,優(yōu)化了閘前河道規(guī)模,復(fù)核了消能工布置及閘下沖刷防護(hù),提出了閘下沖淤運(yùn)行方法。

[1]包中進(jìn),王斌,徐崗.溫州市毆飛一期圍墾工程水閘水工模型試驗(yàn)研究階段報(bào)告[R].杭州:浙江省水利河口研究院,2011.

[2]盧曉燕.溫州市甌飛一期圍墾工程圍區(qū)排澇控制規(guī)劃 [R].杭州:浙江省水利水電勘測設(shè)計(jì)院,2011.

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