高港樞紐節(jié)制閘上游河床局部沖刷原因分析及處理

廖 月，侯 煜

（江蘇省泰州引江河管理處，江蘇 泰州　225321）

1　工程基本情況

泰州引江河是國(guó)家南水北調(diào)東線規(guī)劃的水源工程之一，位于高港至泰州一線西側(cè)3 km處，南起長(zhǎng)江，北接新通揚(yáng)運(yùn)河，全長(zhǎng)24 km，是一項(xiàng)以引水為主，灌溉、排澇、航運(yùn)、生態(tài)綜合利用，效益覆蓋整個(gè)蘇北地區(qū)的大型水利基礎(chǔ)工程。高港泵站和節(jié)制閘采用閘站結(jié)合形式，具有擋洪、引水功能。泵站等級(jí)為大（1）型，節(jié)制閘為中型水閘，由下游（長(zhǎng)江側(cè)）向上游（內(nèi)河側(cè)）引水。節(jié)制閘上游側(cè)0+179至0+239為混凝土底板，河底設(shè)計(jì)高程為-5.5 m；0+239至0+252之間為防沖槽，內(nèi)有石塊，設(shè)計(jì)高程為-6 m；0+252以北為泥質(zhì)河床，河底設(shè)計(jì)高程為-6 m，此次沖刷河床即位于節(jié)制閘上游側(cè)0+264以北處。

高港樞紐工程平面示意圖和節(jié)制閘上游側(cè)水下布置圖分別見(jiàn)圖1、圖2。

圖1　高港樞紐工程平面示意圖

圖2　節(jié)制閘上游側(cè)水下布置圖

2　河床沖刷情況及安全隱患

（1）河床沖刷情況

在2016年4月的汛前斷面測(cè)量中，發(fā)現(xiàn)上游河床存在局部沖刷，即在節(jié)制閘上游側(cè)0+264以北處河床形成了一定面積的深為1～2 m的不均勻深塘，同時(shí)發(fā)現(xiàn)節(jié)制閘上游側(cè)0+239至0+252間防沖槽內(nèi)的石塊有流失。

（2）存在的安全隱患

工程持續(xù)運(yùn)行，河床如若不進(jìn)行防護(hù)處理，沖刷仍會(huì)繼續(xù)，護(hù)岸極可能受到淘刷，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)裂縫、塌陷等狀況；同時(shí)，防沖槽內(nèi)石塊流失，不僅會(huì)削弱防沖槽消能防沖的能力，加劇對(duì)上游河床的沖刷，還可能會(huì)造成海漫末端受到水流沖擊，導(dǎo)致混凝土底板損壞，影響閘下整體的消能防沖作用的發(fā)揮。

3　沖刷區(qū)形成原因分析

通過(guò)對(duì)河道工程竣工圖及相同時(shí)間段水下地形圖、歷年水下地形圖對(duì)比及工程運(yùn)行變化等各方面的分析，沖刷原因可以概括為以下幾點(diǎn)：

（1）閘下沖刷破壞的人為因素

2015年引江河二期河道工程對(duì)河床進(jìn)行了清淤，施工時(shí)存在超挖的現(xiàn)象，改變了原有河床的形態(tài)。

①工程運(yùn)行的河道環(huán)境發(fā)生了較大變化，使得原有的河床沖淤的相對(duì)平衡狀態(tài)被打破，而起到防沖消能作用的防沖槽又因?yàn)槭瘔K的流失導(dǎo)致作用無(wú)法完全發(fā)揮，當(dāng)水閘在以設(shè)計(jì)大流量引水時(shí)，上游的天然河床就會(huì)產(chǎn)生沖刷。

②超挖造成水閘上游水位降低，水閘引水時(shí)發(fā)生流量與水位失衡，造成上游河床的沖刷。

（2）閘下沖刷破壞的水力學(xué)因素

節(jié)制閘主要采用的是底流消能，其原理是當(dāng)水閘引水的集中急流沿消力池底部流動(dòng)，遇到有足夠深度的緩流尾水頂托時(shí)，會(huì)突然轉(zhuǎn)變?yōu)榫徚?，這種現(xiàn)象稱為水躍，水躍既是流態(tài)轉(zhuǎn)變的過(guò)程，也是水流消能的過(guò)程。

水躍共軛條件（即躍后共軛水深h″與躍前收縮斷面水深hc之間的關(guān)系）[1]：

式中：

Fr—弗勞德數(shù)。

節(jié)制閘引水流量逐漸增大，從2015年的200 m3/s增加到2016年的300 m3/s，再到2017年的600 m3/s，達(dá)到了最大設(shè)計(jì)流量。

（3）閘下沖刷破壞的自然因素

①工程處于長(zhǎng)江新三角洲平原區(qū)，土層均為第四系全新長(zhǎng)江沖積層，土質(zhì)松軟，顆粒細(xì)小，凝聚力低，抗沖刷能力差。

②全球氣候的急劇變化造成河流水文環(huán)境變化較大，原有的消能工程無(wú)法完全消除有害沖刷[2]。

4　整治河床沖刷的主要措施

通過(guò)對(duì)節(jié)制閘上游沖刷原因的分析，提出以下相應(yīng)整治措施：

（1）工程運(yùn)行措施

①閘門啟閉做到及時(shí)準(zhǔn)確。水閘控制的關(guān)鍵就是閘門啟閉，繪制閘下安全水位與閘門開度曲線，閘門啟閉逐級(jí)進(jìn)行，控制好過(guò)閘流量，防止遠(yuǎn)驅(qū)水躍的發(fā)生。如果閘門一次開度到位，則非常容易產(chǎn)生水流和偏流[3]。同時(shí)節(jié)制閘5孔應(yīng)分級(jí)均勻開啟，先開中間孔，再漸開兩邊孔，關(guān)閉時(shí)相反操作，來(lái)使閘門啟閉過(guò)程中主流量居中，防止折沖水流的產(chǎn)生。

②在水閘運(yùn)行過(guò)程中，應(yīng)進(jìn)行同步流態(tài)觀測(cè)。改變以往只關(guān)注閘門高度及上下游水位差的現(xiàn)狀，加強(qiáng)對(duì)不良水流形態(tài)如回流、水躍等，一旦發(fā)現(xiàn)不利水流時(shí)，通過(guò)調(diào)整閘門高度等應(yīng)急處理手段。同時(shí)，還應(yīng)進(jìn)一步分析原因，優(yōu)化閘門調(diào)度運(yùn)行方案。

③控制節(jié)制閘流量，與泵站下層流道結(jié)合使用。在保證引水流量任務(wù)的同時(shí)，讓節(jié)制閘與泵站下層流道結(jié)合使用，減少節(jié)制閘流量，減弱節(jié)制閘引水直接對(duì)河床的沖刷。

④定期巡查護(hù)坡。安排專人定期對(duì)上游護(hù)坡進(jìn)行巡查，對(duì)檢查情況進(jìn)行記錄，謹(jǐn)防護(hù)坡因坡底被淘刷造成的裂縫、坍塌等。

（2）觀測(cè)措施

①對(duì)沖刷河床進(jìn)行加密觀測(cè)。在關(guān)閘間隙，利用GPS-RTK單波束技術(shù)對(duì)河床進(jìn)行加密觀測(cè)，繪制斷面比較圖，時(shí)刻了解河床的變化情況。同時(shí)記錄河床沖刷面積及沖刷深度的變化，聯(lián)系節(jié)制閘的飲水流量的變化。當(dāng)節(jié)制閘在一定流量，沖刷區(qū)域明顯擴(kuò)大及加深的，立刻降低流量。

②利用測(cè)錘進(jìn)行深泓高程測(cè)量。主要是對(duì)護(hù)岸底部淘刷情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

③委托專業(yè)部門進(jìn)行檢查校測(cè)。委托有關(guān)測(cè)繪部門進(jìn)行測(cè)量復(fù)核，利用GPS-RTK多波束技術(shù)對(duì)節(jié)制閘上游進(jìn)行斷面測(cè)量，繪制更為詳細(xì)、準(zhǔn)確及清晰的水下地形圖，提供河床沖刷處理的專業(yè)意見(jiàn)，也為下一步的沖刷區(qū)防護(hù)處理打好基礎(chǔ)。

（3）工程措施

對(duì)沖刷處及防沖槽進(jìn)行了拋石防護(hù)處理。主要施工工藝：做好施工準(zhǔn)備，待定位船定位，石料船掛擋在拋石區(qū)域后，從開始沖刷的地方向外拋石，遵循“從遠(yuǎn)岸向近岸，深泓向淺灘”順序拋投，同時(shí)沿沖刷河底用同一厚度拋填石塊，主要對(duì)沖刷最深的區(qū)域進(jìn)行拋石，達(dá)到與周圍區(qū)域相同深度的目的。拋石總體厚度在1 m左右,范圍超過(guò)原有的沖刷區(qū)。通過(guò)拋石防護(hù)，沖刷區(qū)與原有的河床形成一個(gè)整體，同時(shí)增加了對(duì)于水流的阻力，從而降低了水流流速，進(jìn)而減弱了沖擊力，使得沖刷區(qū)的面積不再擴(kuò)大。每次拋投完成后，及時(shí)進(jìn)行水下斷面測(cè)量，與拋前的水下地形進(jìn)行比較，檢驗(yàn)施工質(zhì)量，并及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)拋，驗(yàn)收合格后對(duì)下一個(gè)區(qū)域進(jìn)行拋石施工[4]。

（4）優(yōu)化設(shè)計(jì)措施

下一步擬對(duì)已有的消能工程進(jìn)行改建、完善。

①充分考慮弗勞德數(shù)Fr對(duì)消能的影響，消除波狀水躍。采取水閘上游平臺(tái)上設(shè)小檻、消力齒、消力梁、分水檻或?qū)⑾Τ馗臑閮杉?jí)、多級(jí)形式，改變產(chǎn)生水躍的條件[5-6]。

②結(jié)合近年工程運(yùn)行情況及現(xiàn)今的河道水文環(huán)境，按最不利情況，重新確定消能防沖設(shè)施，使消力池內(nèi)產(chǎn)生一定淹沒(méi)度的淹沒(méi)式水躍，最終使消能工在最不利情況仍可完全消能防沖，讓河道重新達(dá)到?jīng)_淤平衡。

③在海漫和護(hù)坡段內(nèi)，在縱向每隔10 m設(shè)置漿砌塊石或混凝土隔埂一道，減弱水流對(duì)護(hù)坡的淘刷，增加護(hù)坡的穩(wěn)定性，限制護(hù)坡可能發(fā)生的沖刷破壞范圍。

（5）預(yù)防措施

始終貫徹“以防為主，防重于搶”的方針?？紤]到節(jié)制閘上游河床原有的自然條件變化較大，沖淤平衡條件已被打破，水閘無(wú)法再泄放原設(shè)計(jì)流量。在汛期，就可能出現(xiàn)超安全流量引水的情況，易造成消能工及上游沖刷破壞。面對(duì)這種情況，應(yīng)做好調(diào)度和防范工作，建立防汛及搶險(xiǎn)預(yù)案，成立搶險(xiǎn)隊(duì)伍，在發(fā)生險(xiǎn)情時(shí)實(shí)施應(yīng)急拋石處理、降低過(guò)閘流量等措施，盡可能減小超流量泄流對(duì)閘下設(shè)施、河床河岸的沖刷破壞。

5　結(jié)語(yǔ)

此次主要進(jìn)行的是拋石防護(hù)措施，通過(guò)對(duì)防沖槽拋投石塊，保證了防沖槽功能的實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步消除了水流剩余動(dòng)能，保護(hù)河床免受水流的危害性沖刷。對(duì)沖刷最嚴(yán)重的護(hù)坡拐角處的拋石，減少了水流對(duì)護(hù)坡的淘刷作用，降低了護(hù)坡崩塌的危險(xiǎn)。在正對(duì)節(jié)制閘飲水區(qū)域的河床拋石，可以有效降低水流從閘口出來(lái)直接對(duì)河床的沖刷，防止沖刷區(qū)域的擴(kuò)大。下一步將繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)的拋石防護(hù)，力爭(zhēng)將河道恢復(fù)到設(shè)計(jì)高程。

水閘河床沖刷破壞是多方面形成的，通過(guò)深入了解河床沖刷的原因，可以制定相對(duì)應(yīng)的措施來(lái)有效降低河床的沖刷破壞，對(duì)工程進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的除險(xiǎn)加固，同時(shí)也對(duì)平時(shí)的工程運(yùn)行有一定的指導(dǎo)意義。啟閉閘門要按照規(guī)程進(jìn)行，水閘要按照閘下安全水位與閘門開度曲線關(guān)系，配備合格的運(yùn)行值班人員，實(shí)現(xiàn)規(guī)范化、制度化和科學(xué)化管理，最終達(dá)到保證充分發(fā)揮工程效益的目的。

參考文獻(xiàn)：

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