三洋港擋潮閘閘下泥沙沖淤分析及對(duì)行洪的影響

孫 勇 沈繼華 楊 中 王桂生 屈學(xué)平

(中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司 安徽蚌埠 233001)

1 概述

三洋港擋潮閘樞紐是沂沭泗河洪水東調(diào)南下工程新沭河治理工程的關(guān)鍵性骨干工程,位于江蘇省連云港市郊新沭河入?？谂R洪口。根據(jù)規(guī)劃,三洋港樞紐按新沭河 50年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)流量 6400m3/s;河道強(qiáng)迫泄洪水位作為校核洪水工況,校核流量 7000m3/s;設(shè)計(jì)擋潮標(biāo)準(zhǔn)為 100年一遇高潮位,歷史最高潮位作為校核擋潮標(biāo)準(zhǔn)。工程的主要功能是:擋潮防淤,保護(hù)河道治理成果,促進(jìn)行洪安全;降低灘地糙率,保障行洪河道暢通;改善排澇條件,節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用,延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命;利用河槽蓄水,為連云港市增加水源;改善交通條件,促進(jìn)港口發(fā)展。三洋港樞紐為Ⅰ等大(1)型工程,主要建筑物包括:擋潮閘、排水閘、上下游引河等。擋潮閘閘室每孔凈寬 15m,共 33孔,排水閘閘室每孔凈寬 6m,共 3孔,工程總投資 55216萬元。工程已于 2008年開工建設(shè),計(jì)劃于 2012年建成。

海潮潮波在傳遞的過程中,隨著阻力的增加,變形逐步加劇,導(dǎo)致漲潮時(shí)歷時(shí)短、流速快,落潮時(shí)歷時(shí)長(zhǎng)、流速慢,擋潮閘關(guān)閘后閘下河段的潮流由推進(jìn)波變?yōu)轳v波,進(jìn)一步改變了水力條件。此外,建閘后必將減小河流徑流量及改變徑流分配過程,因此漲潮流帶進(jìn)的泥沙較落潮流帶出的泥沙多,從而將外海泥沙搬進(jìn)了河口,造成閘下河口淤積,影響擋潮閘的正常運(yùn)行。因此,對(duì)建閘后閘下泥沙沖淤情況及對(duì)行洪影響的研究分析成為亟待解決的一大課題。

2 水文、泥沙特征

從 2006年 6月 29日大潮和 8月 21日中潮的實(shí)測(cè)水文泥沙測(cè)驗(yàn)資料看,由于受河道地形阻力以及太平莊閘的影響,近海潮波傳入新沭河以后,波形由前進(jìn)波向駐波特性轉(zhuǎn)換,潮位過程線與流速過程線之間產(chǎn)生 1/4的相位差,漲潮歷時(shí)縮短,落潮歷時(shí)增長(zhǎng),漲潮流速大于落潮流速,漲潮挾沙能力增大,落潮挾沙能力減弱。根據(jù)實(shí)測(cè)資料,太平莊閘下河段水文泥沙特征值詳見表 1。

表 1 新沭河太平莊閘下河道實(shí)測(cè)水文泥沙特征值統(tǒng)計(jì) (廢黃河高程)

3 二維水沙數(shù)學(xué)模型及其計(jì)算方法

3.1 數(shù)學(xué)模型

描述二維水流泥沙運(yùn)動(dòng)的基本方法為水流控制方程、懸沙輸移方程、河床變形方程等,對(duì)各基本方程的離散方法,詳見參考文獻(xiàn) [3]。利用通量的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)不變性將二維問題轉(zhuǎn)化為一系列局部的一維問題進(jìn)行求解,采用黎曼近似解計(jì)算跨單元水量、動(dòng)量及泥沙的法向數(shù)值通量,最終獲得計(jì)算區(qū)域的流場(chǎng)及泥沙分布。

3.2 閘墩概化

將閘墩看作是攔污柵形式的阻水建筑物,閘墩的阻水效果主要通過增加其所在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的局部阻力來實(shí)現(xiàn)。

3.3 計(jì)算網(wǎng)格布置及模型驗(yàn)證

計(jì)算范圍為太平莊閘下至臨洪口長(zhǎng)約 14km的河道 (兩側(cè)以堤防為邊界,其中三洋港閘上河道約 11km、閘下河道約 3km),以及臨洪口外 13km×13km的海域。采用無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格剖分計(jì)算域。由于新沭河灘地寬闊,泓道窄淺而彎曲,針對(duì)河道形態(tài)的特殊性,采用三角形和四邊形混合網(wǎng)格布置,即泓道內(nèi)網(wǎng)格布置采用四邊形網(wǎng)格,使網(wǎng)格順應(yīng)水流的流向,而邊灘和近海區(qū)域采用三角形網(wǎng)格剖分。泓道和灘地網(wǎng)格空間步長(zhǎng)為 15～100m,近海區(qū)域網(wǎng)格空間步長(zhǎng)為 300～500m。計(jì)算單元總數(shù)為8049個(gè),節(jié)點(diǎn)數(shù) 5203個(gè)。

采用 2006年 6月大潮和 8月中潮的實(shí)測(cè)水文泥沙資料對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行水流泥沙驗(yàn)證,并采用2004年 4月和 2006年 2月的地形資料進(jìn)行泓道沖淤變化地形驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明,所建立的二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型的求解方法和參數(shù)取值合理,滿足《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》 (JTJ/T 233—98)的要求,可以用于閘下河道的沖淤預(yù)測(cè)計(jì)算。

4 閘下泥沙沖淤及對(duì)洪水的影響分析成果

4.1 現(xiàn)狀不同年型來水情況下的淤積情況

考慮洪水對(duì)閘下泥沙淤積的沖刷作用,對(duì)石梁河水庫(kù)實(shí)際泄流情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,從 1977～2005系列年中選取豐水年、中水年、枯水年來水狀況進(jìn)行閘下淤積計(jì)算,選擇 1998年型洪水作為豐水代表年型,1994年型洪水作為中水代表年型,1989年作為枯水代表年型,同時(shí)考慮臨洪閘下泄流量過程,新沭河典型年下泄峰、量見表 2。由于50年一遇設(shè)計(jì)洪水過程較長(zhǎng),在達(dá)到設(shè)計(jì)洪水6400m3/s以前有一段中小洪水過程,能夠?qū)﹂l下的淤積形成一定的沖刷,因此分別計(jì)算了不同代表年型的年淤積量及淤積前后遇設(shè)計(jì)洪水引河段沿程水位變化,及考慮設(shè)計(jì)洪水過程前期沖刷量引河段沿程水位變化情況,計(jì)算結(jié)果見表 3～表 5。

表2 新沭河典型年下泄峰、量

表3 不同代表年型年淤積量及設(shè)計(jì)洪水過程前期沖刷量 單位:萬m3

表4 不同年型三洋港閘下淤積前后引河段沿程水位變化 單位:m

表5 不同代表年型淤積基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)洪水前期過程沖刷后的引河段沿程水位 單位:m

以上可以看出上游來水的變化對(duì)閘下的淤積影響較大,枯水年淤積一年的情況下行洪6400m3/s時(shí)沿程水位最高要比設(shè)計(jì)水位提高0.04m,對(duì)太平莊閘的水位基本無影響。如果考慮設(shè)計(jì)洪水過程前期沖刷量,沿程水位與設(shè)計(jì)水位相比相差很小。

4.2 不同年型組合條件下閘下泥沙淤積及引河段水位變化

選取枯、中、洪不同年型組合 24組進(jìn)行閘下泥沙沖淤研究并分析其對(duì)洪水的影響,計(jì)算結(jié)果見表 6(文章篇幅所限,表中僅列出代表性的 5組)。從表 6中可以看出,在不同年型組合的條件下,遇設(shè)計(jì)流量時(shí)水位最高要抬高 0.11m,發(fā)生在三洋港閘下,由此引起的太平莊閘下水位比設(shè)計(jì)水位抬高約 0.015m,經(jīng)設(shè)計(jì)洪水前期過程沖刷后,設(shè)計(jì)流量 6400m3/s時(shí),沿程水位最高要比設(shè)計(jì)水位抬高0.05m,由此引起的太平莊閘下水位比設(shè)計(jì)水位抬高約 0.005m。

表6 不同年型組合的淤積量、設(shè)計(jì)洪水前期沖刷量及沿程水位值

續(xù)表

4.3 1977～2005年實(shí)際來水過程情況下的泥沙淤積

根據(jù) 1977～2005年共 29年實(shí)際來水過程計(jì)算閘下淤積量 (考慮閘下不采取任何人工清淤措施),計(jì)算結(jié)果見表 7(表中僅列出 7年),從表中看出,1977～2005年型來水情況下,閘下每年都有不同程度的淤積,年平均淤積量為 7.19萬 m3,前 3年平均淤積量為 17.97萬 m3,累計(jì)性淤積難以避免。豐水年淤積量小,枯水年淤積量大,相同來水情況下,總體呈逐年減少之勢(shì)。閘下淤積總量為 208.6萬 m3,遇 6400m3/s時(shí)沿程水位最高比設(shè)計(jì)水位高 0.41m,經(jīng)設(shè)計(jì)流量前期沖刷后沿程水位最高比設(shè)計(jì)水位高0.31m,隨著淤積時(shí)間的延長(zhǎng),沿程水位抬高更多。

表7 1977～2005年實(shí)際來水過程情況下閘下泥沙淤積量 單位:萬 m3

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)水文統(tǒng)計(jì),現(xiàn)狀石梁河水庫(kù)和臨洪閘多年平均下泄洪量約 8.44億 m3,雖然東調(diào)南下實(shí)施后東調(diào)水量有所增加,但作為總寬約 600m的擋潮大閘,與蘇北地區(qū)的另外兩座規(guī)模較大的擋潮閘新沂河?？陂l和射陽(yáng)河擋潮閘相比 (如射陽(yáng)河閘單孔凈寬 10m,共 30孔,年徑流量約 40億m3,閘下河道仍淤積較為嚴(yán)重),維持閘下沖淤平衡的徑流量明顯不足。根據(jù)沖淤分析,雖然淤積一年對(duì)新沭河行洪的影響較小,但如常年不采取清淤措施,閘下累計(jì)性淤積不可避免,隨著淤積的增加,河道行洪斷面將逐步減小,對(duì)新沭河行洪的影響將越來越大,沿程水位抬高更多。因此,三洋港擋潮閘建成后,必須從整個(gè)流域洪水調(diào)度的角度考慮,增加新沭河行洪沖淤水量,并且在擋潮閘的運(yùn)行過程中,借鑒江蘇和國(guó)內(nèi)其他地方沿海擋潮閘的管理經(jīng)驗(yàn),摸索適合該工程的閘下沖淤措施,必要時(shí)采取一些人工輔助清淤措施,來減少閘下的淤積,維持閘下行洪斷面,促進(jìn)防洪安全。

1 李家星,趙振興.水力學(xué) [M].南京:河海大學(xué)出版社,2001.

2 中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)有項(xiàng)責(zé)任公司.三洋港擋潮閘樞紐工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告 [R].2008.1.

3 楊國(guó)錄.河流數(shù)學(xué)模型 [M].北京:海洋出版社,1993.

4 南京水利科學(xué)研究院.新沭河太平莊閘下河道二維水流泥沙數(shù)學(xué)模型研究 [R].2006.9.