感潮河口閘沖刷修復(fù)后運(yùn)行調(diào)度方案研究
——以龍泉港出海閘為例

鄧 群， 馬 玲

(上海市堤防泵閘建設(shè)運(yùn)行中心 ， 上海 200080)

上海地區(qū)海岸沿線分布大量的出海閘，閘基多為淤積形成的粉砂或淤泥軟土，其穩(wěn)定性及抗沖能力低，加之低潮位時(shí)閘內(nèi)外水位差大，外河流速增加，容易造成河道沖刷，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致水閘及相鄰建筑物失穩(wěn)[1-3]，出海閘出險(xiǎn)情況時(shí)有發(fā)生。本文以龍泉港出海閘為例，分析感潮河口閘下沖刷破壞機(jī)理，總結(jié)加固經(jīng)驗(yàn)，并在除險(xiǎn)加固后開展現(xiàn)場水文試驗(yàn)，以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為支撐，結(jié)合加固護(hù)底及外側(cè)灘地不沖流速的計(jì)算結(jié)果，優(yōu)化調(diào)度方案，確保水閘工程除險(xiǎn)加固后安全運(yùn)行，也可為類似工程提供參考。

龍泉港出海閘位于金山區(qū)杭州灣金山嘴東側(cè)，于2003年竣工。該工程共3孔，單孔凈寬10 m，設(shè)計(jì)流量360 m3/s，主要由進(jìn)水河道、閘室、消力池、海漫及外側(cè)出水河道等主要建筑物組成。閘室長20 m，內(nèi)河側(cè)設(shè)25 m長的鋼筋混凝土進(jìn)水池及圓弧翼墻，進(jìn)水池內(nèi)河道長為200 m，外海側(cè)設(shè)長38.5 m的鋼筋混凝土消力池及60 m長的海漫，海漫外由底寬50 m、長220 m導(dǎo)流堤構(gòu)成導(dǎo)流河渠，起束水防淤、抗沖保灘作用。導(dǎo)流堤外伸出1條長235 m的逐漸擴(kuò)展的出水槽，保證排澇口門的暢通，防止兩側(cè)海塘堤腳受到?jīng)_刷破壞。外側(cè)出水河道兩側(cè)為管樁護(hù)岸，采用拋石護(hù)底護(hù)坡。

近年來，城鎮(zhèn)化加快導(dǎo)致下墊面變化及區(qū)域調(diào)水需要，龍泉港出海閘作為金山區(qū)唯一出?？陂T，排水頻度加大，運(yùn)行人員未嚴(yán)格按照規(guī)程要求操作，水閘實(shí)際運(yùn)行水位差及過閘流量大大超過原設(shè)計(jì)工況，導(dǎo)致出水河道河床沖刷。根據(jù)2017年4月、7月和9月3次測量成果：外海防沖板樁以外30.8 m拋石護(hù)灘段出現(xiàn)沖刷，4月份最大沖刷深度為3.39 m，7月份最大沖坑深度為4.13 m，9月份沖刷坑最大深度達(dá)5 m，可以看出沖刷在逐步加深，如果不盡快采取除險(xiǎn)加固和改善運(yùn)行工況的措施，將對(duì)工程安全及區(qū)域防汛安全產(chǎn)生極大影響。

1 沖刷機(jī)理及加固方案

1.1 沖刷機(jī)理

出海閘地基表層土強(qiáng)度低，抗沖刷能力低，地基土從上往下依次為①2層沖填土、③1層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、③2層灰色黏土、④層灰色淤泥質(zhì)黏土、⑤1層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土及⑤2層灰色砂質(zhì)粉土等。沖刷主要在防沖槽末端導(dǎo)流堤之間的河道。究其原因主要有兩方面：一是過閘水流由于落差大，雖經(jīng)消力池消能，但動(dòng)能消除未盡，出消力池后水流仍存在波狀水躍，局部存在折沖水流，導(dǎo)致水流對(duì)河床沖刷作用能力增強(qiáng)；二是拋石體趾腳河床被淘刷，導(dǎo)致石頭滾動(dòng)或滑動(dòng)的趨勢增強(qiáng)，當(dāng)塊石量不足時(shí)，就導(dǎo)致河槽下切和護(hù)岸損壞。

河道沖刷是水流與河道邊界相互作用的結(jié)果，作用在河底泥沙顆粒上的作用力Fs與環(huán)繞該顆粒周邊的水流有關(guān)，且與流速的平方和顆粒截面面積成正比，即，

(1)

式中：Fs為作用在河底泥沙顆粒上的作用力；v為作用在顆粒上的水流流速；d為泥沙顆粒直徑；ρ為水流密度；α為系數(shù)；g為水重力加速度。而與之相抵抗的水平力Ts為：

(2)

式中：Ts為作用在河底泥沙顆粒上的水平力；ρs為泥沙顆粒密度。

可以看出，不沖流速與顆粒直徑及摩擦系數(shù)的平方根成正比。當(dāng)摩擦系數(shù)取0.4，顆粒直徑為0.5 m時(shí)，不沖流速為2.80 m/s；當(dāng)顆粒直徑為0.05 m時(shí)，不沖流速為0.88 m/s；當(dāng)顆粒直徑為0.005 m時(shí)，不沖流速為0.28 m/s。

當(dāng)拋石下泥沙沖刷，塊石所在支撐點(diǎn)形成斜坡面，繼而拋石在水流作用及下切力作用下，繞著前點(diǎn)傾覆滾動(dòng)滑落，如圖1所示。

圖1 塊石滾落受力示意圖

設(shè)塊石的直徑為d，塊石受到自重及水流作用力，塊石的浮重為：

(3)

式中：W為塊石浮重；ρ為塊石的密度；ρ0為水的密度。

將W分解為順坡向的切向分力T=Wsinθ，垂直于坡面的分力N=Wcosθ(θ為坡面對(duì)水平面的傾角)。水流對(duì)塊石作用力P的力臂為γ1d，T對(duì)點(diǎn)A的轉(zhuǎn)動(dòng)力臂為γ2d，N對(duì)A點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)力臂為d/2。

定義塊石的傾覆系數(shù)K為促使塊石傾覆的力矩和抵抗塊石傾覆的力矩的比值，則

(4)

K值越小，塊石越容易傾覆。當(dāng)作用力P和W一定時(shí)，塊石滾落傾覆安全系數(shù)取決于γ1和γ2，坡面越陡，γ1和γ2越大，滾落安全系數(shù)越小。因此當(dāng)塊石下泥沙沖刷到一定程度時(shí)，形成一定陡坡，塊石滾落，河底河坡直接裸露于水中，直接遭受水流沖刷，如此循環(huán)作用，形成沖坑。

1.2 加固方案

本工程水閘加固施工期間需排水運(yùn)行，不宜斷水施工，常見的水下護(hù)坡(底)方案主要有模袋混凝土與合金鋼絲網(wǎng)兜石籠石。表1 為從施工、防沖刷性能、耐久性方面的比選。

表1 護(hù)坡(底)加固材質(zhì)方案比選

考慮到模袋混凝土深水施工難度大，綜合考慮后，采取合金鋼絲網(wǎng)兜石籠進(jìn)行護(hù)坡護(hù)底加固。合金鋼絲網(wǎng)籠尺寸為高0.5 m，寬2 m，長度為2 m、3 m、4 m。加固前若不考慮拋石，河底土抗沖流速約0.6～0.7 m/s，加固后合金網(wǎng)籠抗沖流速5.5 m/s，有效提高防沖強(qiáng)度。

根據(jù)不同部位的沖刷深度，采取具體加固措施：對(duì)于沖刷深度小于0.70 m處，先鋪設(shè)復(fù)合土工布(380 g/m2)，然后用0.20 m厚袋裝碎石找平，再鋪設(shè)復(fù)合土工布(380 g/m2)和0.50 m厚合金鋼絲網(wǎng)兜石籠；對(duì)沖刷較深處先鋪設(shè)復(fù)合土工布(380 g/m2)，然后用袋裝碎石找平，上鋪復(fù)合土工布(380 g/m2)和0.50 m厚合金鋼絲網(wǎng)兜石籠護(hù)到-3.30 m高程。

2 水位流量現(xiàn)場試驗(yàn)研究

為保障龍泉港出海閘及配套建筑物消力池除險(xiǎn)加固后安全運(yùn)行，需要進(jìn)一步研究龍泉港出海閘水位流量曲線，掌握不同水位下的流量大小，盡可能減少退潮時(shí)高水位落差對(duì)閘基的沖刷震動(dòng)影響。

2.1 水位流量率定

在水閘上游1.0 km處與下游220 m處各設(shè)1個(gè)測流斷面，流量測驗(yàn)采用簡易懸索纜道懸吊聲學(xué)多普勒流速儀(走航式ADCP)測驗(yàn)，往返1次為1個(gè)測回。有效流量測次共74次，同步實(shí)時(shí)觀測上、下游水位。三孔閘門全開運(yùn)行，實(shí)測上游水位變幅為1.61～2.49 m，下游水位變幅1.00～2.37 m，實(shí)測最大水位差0.64 m，實(shí)測流量155 ～332 m3/s。

采用落差法確定水位流量關(guān)系曲線。根據(jù)實(shí)測水位、流量點(diǎn)據(jù)及計(jì)算水位差采用試錯(cuò)法，定出下游水位與Qc的關(guān)系曲線(擬合公式)及上、下游水位差△Z與流量比Q/Qc的關(guān)系曲線(擬合公式)，如圖2、圖3所示。

圖2 閘下游水位ZL與Qc的關(guān)系曲線

圖3 閘上下游水位差△Z與流量比Q/Qc的關(guān)系曲線

通過分析計(jì)算，得龍泉港出海閘淹沒式堰流流量計(jì)算公式：

(5)

式中：Q為堰流流量；ZL為下游水位；ΔZ為上下游水位差。

2.2 率定公式與規(guī)范公式對(duì)比

分別用率定公式與《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL SL 265-2016)公式模擬計(jì)算下游水位1.1 m，上游水位2.4 m條件下開閘運(yùn)行時(shí)過閘流量變化過程，計(jì)算流量結(jié)果對(duì)比如圖4，由圖4可知：①水位條件相同時(shí)，規(guī)范公式計(jì)算流量相對(duì)率定公式計(jì)算流量小，主要是由于實(shí)測時(shí)，開閘泄水一段時(shí)間后，近閘前水位降低、閘后水位相對(duì)升高，因此閘前后水位差較開閘瞬時(shí)減少；②水位差越小，偏差值越大。說明率定公式更適用于自由出流的堰流，規(guī)范公式求解需準(zhǔn)確計(jì)算堰流流量系數(shù)、淹沒系數(shù)及側(cè)收縮系數(shù)等。

圖4 率定公式與規(guī)范公式計(jì)算結(jié)果對(duì)比

3 水閘運(yùn)行調(diào)度方案優(yōu)化

3.1 水閘過閘流量與消能防沖計(jì)算

為保證水閘加固后運(yùn)行安全，需考慮在現(xiàn)有水閘消能工安全的前提下，同時(shí)盡可能發(fā)揮水閘防洪除澇功能。消能工安全主要在于防止導(dǎo)流堤末端未加固段及現(xiàn)有加固段沖刷，即要求導(dǎo)流堤內(nèi)加固段最大水流流速不超過合金網(wǎng)兜石籠允許不沖流速5.5 m/s，導(dǎo)流堤外側(cè)最大流速不超過現(xiàn)狀河道土不沖流速0.8 m/s。根據(jù)前述試驗(yàn)率定的過流公式，對(duì)不同水位組合下水閘過閘流量進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)根據(jù)規(guī)范公式計(jì)算導(dǎo)流堤內(nèi)及末端最大流速，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 水閘過閘流量與消能防沖計(jì)算成果

3.2 運(yùn)行調(diào)度優(yōu)化建議

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，考慮滿足水閘運(yùn)行安全與便于實(shí)際操作的要求，對(duì)水閘運(yùn)行控制提出以下建議：

(1)開閘前應(yīng)檢查上下游水位，最低外河水位不宜小于1.20 m。

(2)嚴(yán)格按照水閘運(yùn)行操作規(guī)程，做到平潮開閘(內(nèi)、外河水位差小于0.2 m)，嚴(yán)禁出現(xiàn)上游水位驟降的工況。

(3)為保證水閘安全，開閘時(shí)上下游水位應(yīng)滿足表3要求[5-6]，不得超標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)用。

(續(xù)表2)

表3 水閘運(yùn)行控制水位

(4)三孔閘門同時(shí)啟閉進(jìn)行操作，盡量均勻分級(jí)啟閉，如不能同時(shí)啟閉，可由中孔向兩側(cè)對(duì)稱啟閉，關(guān)閉時(shí)與上述順序相反。

4 結(jié) 論

(1)本文分析了感潮河口閘下沖刷機(jī)理，得出不沖流速與地基土顆粒粒徑關(guān)系及沖刷坑形成原因。

(2)提出了采用適應(yīng)變形能力強(qiáng)的柔性合金網(wǎng)兜石籠護(hù)底、護(hù)坡加固方案。

(3)通過現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)，率定了過閘流量與上下游水位及水位差的關(guān)系，并提出了適合本工程的運(yùn)行調(diào)度方案，為本工程安全運(yùn)行提供技術(shù)支撐，為類似工程提供參考。