雙層擋潮閘水力沖淤試驗研究

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)劃設計研究院）浙江省河口海岸重點實驗室，杭州 310020；2.平陽縣水利局，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題［1，2］，河口的淤積演變是水流、泥沙與河床相互作用的結果，目前一般認為潮波變形是造成閘下淤積的基本動力因素，前人已對此開展了大量的研究［3，4］。為改善閘下淤積問題，目前主要采用的是水力沖淤、機械清淤、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)濟的沖淤方式［5-7］。

目前對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。由于當前制約擋潮閘運行的一個重要因素就是閘下河床淤積導致閘門無法正常開啟，因此在研究大范圍河道演變的同時，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］曾結合正交試驗法通過物理模型對感潮水閘閘下沖淤各因素開展分析，并提出各影響因素的主次關系。張文傳等［19］在水工模型試驗的基礎上，通過多種閘門調(diào)度運行方案并結合定床和動床調(diào)度試驗，提出閘門隔孔開啟，可有效改善雙臺子河閘閘下淤沙問題。此類研究對象主要為常規(guī)布置水閘。

經(jīng)過多年的探索和實踐，浙江省近年來出現(xiàn)了設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，當下層閘門由于閘下淤積不能正常開啟時通過開啟上層閘門來沖淤。本文以該新型雙層擋潮閘門為實例，結合1∶25正態(tài)物理模型對閘下沖淤開展研究。

1 工程布置

本研究基于某大型泵站出口擋潮閘工程開展，該工程位于浙江東南感潮河段，泵站設計流量100 m3/s，設5 臺機組，屬大（2）型泵站，泵站下游設擋潮節(jié)制閘。該擋潮閘底板高程0.90 m，閘室段順水流向總長9.7 m，垂直水流向總寬23.4 m，從上游至下游分別設上層工作閘門，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，工程平剖面布置見圖1和圖2。當外江側(cè)淤積嚴重或者潮水頂托，下層閘門無法正常運行，此時上層閘門可以不受影響，正常運行，提高了工程的安全性和可靠性。擋潮閘外江側(cè)特征潮位見表1，重點對特征潮位進行沖淤分析。

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 模型設計

2.1 模型比尺

根據(jù)研究對象特點及內(nèi)容，采用正態(tài)水工物理模型進行研究。模型主要按重力相似準則設計，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、及相關模型相似率等水力參數(shù)，模型比尺Lr為1∶25。其他相應物理量比尺見表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)設計，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。動床模擬時可按泥沙起動公式計算原型沙的起動流速，參照張瑞瑾公式計算淤泥的起動流速，見下式。

式中：Ue為起動流速，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，相應水深下模型沙起動流速約為0.19～0.23 m/s，折算至原型起動流速約為1.0～1.1 m/s，閘下淤積初始條件見圖4。

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

2.3 試驗組次分析與選取

本工程擋潮閘采用上下兩層閘門的結構布置，在假設下層閘門因淤積而無法運行時，開啟上層工作閘門進行沖淤，根據(jù)水泵的運轉(zhuǎn)特性，沖刷流量擬選用單臺機組流量20 m3/s，受上下層閘門隔板高程的影響，上層閘門出流時為自由出流，開啟一個閘孔及二個閘孔對應出水池內(nèi)水位分別為5.77 和5.23 m?？紤]高中低潮位不同淤積情況下及一閘孔開啟和兩閘孔開啟時的沖淤效果，沖淤組次見表3。

表3 試驗組次表Tab.3 Test condition table

3 沖淤判斷指標

本次研究中沖淤效率以水沙比η來表征：

式中：Vw代表一定時間內(nèi)沖淤所用的總水量，m3；Vs表示相應時間內(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。一般來說，水沙比隨著時間的變化而變化，但到一定時間后，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充指標，對沖淤進行研究。本研究中，沖淤效果以是否將閘下0.9 m 高程護坦沖開為特征。將開始沖淤至閘下泥沙無明顯起動的時間段記為沖淤基本穩(wěn)定時間T。

4 試驗結果及分析

4.1 沖淤流態(tài)

雙層擋潮閘沖淤時，閘下潮位均低于上層底高程4.30 m，閘下潮位對閘上水位沒有影響，實測當開啟一孔及兩孔沖淤時，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，水流經(jīng)過上孔閘門后呈跌落至閘下淤積區(qū)域，水流跌落至底板時的流速可達8 m/s，遠大于淤泥的起動流速，閘下淤泥迅速被帶走。隨著時間的發(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)示意見圖5（a），試驗照片見圖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，水流經(jīng)過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。由于水流流速仍然遠大于泥沙的起動流速，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)示意見圖5（b），試驗照片見圖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，對閘下淤積沖刷較弱，流態(tài)示意見圖5（c），試驗照片見圖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

各工況研究成果見表4，典型沖淤形態(tài)見圖9。

表4 沖淤試驗成果表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)定時間：不同工況的閘下有效的沖淤時間均較短，沖溝穩(wěn)定時間一般在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。這主要是因為在下游潮位較低時，灘面上水深較淺，流速較大，因而水流沖淤效果比潮位高時要好，且當閘下潮位高時，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，沖淤應盡可能在下游較低潮位時進行。

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

（4）不同淤積高程比較：當閘下淤積較高時，沖沙效率相對較高。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 時的水沙比則降低至92.3，說明同樣水量的沖刷效率有所提高。

5 結論及展望

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用，但其沖淤特性尚未開展系統(tǒng)的研究。本文結合某雙層擋潮閘實例，通過1∶25物理模型對其沖淤特性進行研究。當擋潮閘下的口門淤積1～2 m 范圍內(nèi)，可通過運行一臺泵站機組（20 m3/s）開啟上層閘門進行水力沖淤解決，不同工況的閘下有效的沖淤時間均較短，沖溝穩(wěn)定時間一般在15 min 以內(nèi)。閘下水位越低越有利于沖淤，開啟一孔閘門運行，沖淤水流較為集中，在沖刷10 min 內(nèi)可將閘下護坦沖開；開啟二孔閘門運行，出閘單寬流量降低50%，在初期可有效沖淤，且效率較高，但不能將護坦全部沖開，沖淤效果不能完全滿足。當閘下淤積較高時，沖沙效率相對較高。

研究表明雙層擋潮閘可有效解決閘下局部淤積問題，保障工程順利發(fā)揮效益，在今后的研究與實踐中有必要對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一步研究。