外秦淮河武定門閘上游減淤物理模型試驗(yàn)

呂升奇，許鄭宇，唐洪武，王世昭，陳界仁

(1.河海大學(xué)水文水資源及水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098)

水閘發(fā)揮著控制下泄流量、保持上下游水位等作用，在平原河道中應(yīng)用廣泛[1]。建閘后，河道上游水動(dòng)力條件減弱，易在閘上游河道出現(xiàn)泥沙淤積現(xiàn)象，河道淤積導(dǎo)致河床抬高，河道過流能力減弱，水閘正常運(yùn)行受到不利影響。20世紀(jì)末，閘上河道淤積問題開始引起關(guān)注，一些學(xué)者對(duì)閘上淤積成因問題進(jìn)行了研究。張明光[2]論證了長(zhǎng)期關(guān)閘運(yùn)行及回水頂托是造成雙臺(tái)子河閘上游淤積的原因；楊華等[3]認(rèn)為造成淮陰閘上游引河淤積的主要原因是閘上引河過長(zhǎng)以及沖淤水量不足；楊紀(jì)偉等[4]的試驗(yàn)結(jié)果表明閘前流速的驟減、閘前河型的突變是閘前泥沙淤積的主要原因；劉雅萍等[5]認(rèn)為造成閘上游河道淤積的主要原因是建閘后閘上壅水，不合理的高水位運(yùn)行也加重了淤積；王世昭等[6]對(duì)南京市外秦淮河武定門閘上游河道淤積成因進(jìn)行了分析，認(rèn)為主要在于閘上游彎道及閘前水動(dòng)力弱。綜上可知，導(dǎo)致閘上游淤積的原因主要是閘門的阻水作用、閘前邊界的改變以及高水位運(yùn)行。

在天然河道上，彎曲河道普遍可見，其產(chǎn)生的復(fù)雜流動(dòng)結(jié)構(gòu)對(duì)河床保護(hù)及河道工程設(shè)計(jì)提出更高的要求[7]。人們常采用導(dǎo)流墻、丁壩、導(dǎo)流坎等輔助工程措施[8-10]，試圖調(diào)整、控制彎曲河道內(nèi)的流態(tài)及流速分布，使之在設(shè)定距離達(dá)到一定要求[11]，此外，合理調(diào)控閘門，利用水流沖淤也是比較經(jīng)濟(jì)的減淤防淤措施[12]。導(dǎo)流墻可以用來改變水流方向。狄帆[13]對(duì)導(dǎo)流墻的數(shù)值模擬結(jié)果表明，導(dǎo)流墻長(zhǎng)度越大，水流所受的擾動(dòng)越大，偏轉(zhuǎn)角越小，水流對(duì)導(dǎo)流墻的沖力越小，越有利于導(dǎo)流墻的穩(wěn)定；馮民權(quán)等[14]研究了導(dǎo)流墻的最佳布置方式及其導(dǎo)流效果，發(fā)現(xiàn)多組導(dǎo)流墻組合的方式下導(dǎo)流效果最佳；傅宗甫等[15]認(rèn)為導(dǎo)流墻頂應(yīng)露出水面，并提出導(dǎo)流墻合適長(zhǎng)度的范圍；王世昭等[6]建立了外秦淮河武定門閘上游彎道河段定床物理模型，分析了不同的導(dǎo)流墻布置方案對(duì)閘上游流場(chǎng)的影響，提出在彎道下游布置偏轉(zhuǎn)角為15°的導(dǎo)流墻，能夠改善彎道河段流態(tài)，減小閘前回流區(qū)范圍，但沒有進(jìn)一步研究導(dǎo)流墻對(duì)河道淤積的影響效果。本文在王世昭等[6]的研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步進(jìn)行武定門閘上游彎道河段懸移質(zhì)沖淤試驗(yàn)，研究偏轉(zhuǎn)角為15°的導(dǎo)流墻對(duì)閘上游河道淤積的影響。

1 武定門閘概況

武定門閘是秦淮河流域的主要控制工程之一，多年平均流量約為38.1 m3/s。閘門為6孔開敞式結(jié)構(gòu)，每孔凈寬8 m，底板高程0.30 m，設(shè)計(jì)排洪流量為450 m3/s[15]。2005年外秦淮河環(huán)境綜合整治工程結(jié)束后，武定門閘上游河道泥沙淤積嚴(yán)重。于2008年4—5月對(duì)武定門閘上游河道進(jìn)行整治清淤，恢復(fù)河道設(shè)計(jì)斷面，但由于防沖槽地勢(shì)較低，清淤河段迅速回淤，河道過流面積減少，水流排泄不暢。針對(duì)這一現(xiàn)狀，計(jì)劃通過工程措施減輕閘上游的淤積。研究河段見圖1。

圖1 武定門閘河段物理模型布置

2 閘上下游河道沖淤變化分析

根據(jù)2005—2016年武定門閘河段實(shí)測(cè)斷面地形資料，對(duì)河床形態(tài)特征、上游河道沖淤量進(jìn)行了分析。

2.1 河道斷面形態(tài)變化分析

2008年4月進(jìn)行的閘上游河道清淤范圍為距閘60 m內(nèi)，即圖1中上游CS5斷面處至閘門之間，本次選取上游CS3斷面(距離閘門40 m)、CS6斷面(距離閘門90 m)為代表斷面，分別代表清淤范圍內(nèi)及清淤范圍外的斷面變化情況。由圖2可見，2005年上游CS3斷面淤積嚴(yán)重，相對(duì)于設(shè)計(jì)斷面，左岸淤積厚度達(dá)4～6 m，右岸淤積厚度約3 m。2008年4月進(jìn)行了河道清淤，CS3斷面恢復(fù)至原設(shè)計(jì)斷面，但至2008年11月，即清淤后6個(gè)月，該斷面平均淤高約0.3 m，隨后從2010年到2016年，該斷面左岸持續(xù)淤積，年淤積量呈逐漸減小的趨勢(shì)，右岸出現(xiàn)小幅度的沖刷現(xiàn)象。上游CS6斷面位于清淤范圍之外，從2005年以來，斷面呈逐年淤積狀態(tài)，2010年后淤積速度放緩，趨于沖淤平衡。

圖2 武定門閘上游河段斷面歷年高程變化

2.2 沖淤量變化分析

表1為武定門閘上游190 m范圍內(nèi)河段沖淤量變化統(tǒng)計(jì)，表中正值表示淤積，負(fù)值表示沖刷。從表1中可以得知，2005—2016年這12年中，第一次閘前淤積量減少發(fā)生在2008年，原因是2008年4月對(duì)閘上游60 m范圍內(nèi)進(jìn)行了清淤，通過挖泥船開挖，恢復(fù)至設(shè)計(jì)斷面。清淤量約為11 700 m3，清淤工程結(jié)束后，淤積情況得以改善。但是2009—2010年迅速回淤，其中2009年回淤量為3 000 m3，占清淤量的26%。至2010年底，回淤量累計(jì)為11 000 m3，接近2008年4月的清淤量，清淤工程效果基本消失。第二次閘前淤積量減少發(fā)生在2011年，原因是該年豐水期持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，水動(dòng)力較大，對(duì)閘上游產(chǎn)生了沖刷作用。第三次閘前淤積量減少發(fā)生在2015年，該年淤積減少量?jī)H占2008年淤積減少量的12.7%，原因是近年該河段趨于沖淤平衡。

表1 閘上游河段沖淤量變化統(tǒng)計(jì) 103m3

3 物理模型的建立及驗(yàn)證

3.1 模型建立

由于本試驗(yàn)主要研究的內(nèi)容是懸移質(zhì)的沖淤問題，故采用定床懸沙試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)要求，確定武定門閘河段物理模型的上邊界為中和橋下游鐵路橋處，距離武定門閘820 m，下邊界為武定門閘抽水站處，距離武定門閘352 m，總長(zhǎng)度約為1 200 m，模型范圍如圖1所示。河道地形采用2015年10月實(shí)測(cè)資料，閘上游布置43條斷面，閘下游11條斷面。模型的平面比尺及垂直比尺均為40∶1，流速比尺為6.32∶1，糙率比尺為1.85∶1，懸沙沉速比尺為6.32∶1，懸沙粒徑比尺為0.76∶1?，F(xiàn)場(chǎng)取樣結(jié)果表明，武定門閘河段水樣懸移質(zhì)泥沙中值粒徑為0.011 4 mm，需滿足泥沙沉降相似及紊動(dòng)懸浮相似，選取的模型沙為中值粒徑0.015 mm的木屑，濕容重1 150 kg/m3。加沙的位置設(shè)置在彎道前CS+9斷面，距離閘門340 m，試驗(yàn)過程中，通過預(yù)先設(shè)置的加沙裝置在斷面上均勻加入高含沙水流，并根據(jù)流量變化調(diào)整加沙量。試驗(yàn)中利用旋槳流速儀測(cè)量斷面流速，懸移質(zhì)含沙量利用采樣烘干法確定。

3.2 模型驗(yàn)證

根據(jù)2015年10月14—15日武定門閘上游河段水位測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明模型水位與實(shí)測(cè)水位最大偏差0.019 m，最大相對(duì)誤差僅0.26%。對(duì)研究河段2015年10月至2016年12月水沙過程進(jìn)行概化，經(jīng)過14個(gè)月的水沙過程后，對(duì)沖淤后的地形進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果與2016年12月實(shí)測(cè)地形基本一致(圖3)，最大誤差0.1 cm，最大相對(duì)誤差4.0%。驗(yàn)證試驗(yàn)表明模型與原型相似性良好，試驗(yàn)結(jié)果能夠反映原型的水沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

圖3 武定門閘上游河段斷面地形驗(yàn)證

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 試驗(yàn)工況

為探究偏轉(zhuǎn)角為15°的導(dǎo)流墻對(duì)減淤及消除左右兩岸淤積不均衡的作用，開展了懸沙試驗(yàn)，在閘上游CS+3斷面(距離閘門220 m)沿?cái)嗝娣较虿贾?個(gè)導(dǎo)流墻，長(zhǎng)度均為10 m，偏轉(zhuǎn)角度為15°，相鄰導(dǎo)流墻間距10 m，導(dǎo)流墻位置見圖1，設(shè)定以下2種試驗(yàn)方案。

方案1：根據(jù)2008年4月河道整治的實(shí)際情況設(shè)置，將閘門至上游60 m開挖至設(shè)計(jì)斷面，概化2008年5月至2010年12月過閘流量及水位變化，分別在無導(dǎo)流墻和有導(dǎo)流墻2種情況下進(jìn)行沖淤試驗(yàn)。由于試驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)，分成3個(gè)階段完成，第1階段為2008年5—11月，第2階段為2008年12月至2009年12月，第3階段為2010年1—12月。每個(gè)階段完成后進(jìn)行地形測(cè)量，對(duì)比分析導(dǎo)流墻的減淤作用，試驗(yàn)要素見表2。

方案2：由于2008年4月河道整治工程實(shí)施后閘上游回淤迅速，方案2考慮增大清淤范圍，將閘前的整治范圍由60 m擴(kuò)大至240 m，即閘門至導(dǎo)流墻附近區(qū)域全部開挖至設(shè)計(jì)斷面，概化典型水文年的流量及水位變化，分別在無導(dǎo)流墻和有導(dǎo)流墻2種情況下進(jìn)行2個(gè)典型水文年的沖淤試驗(yàn)，在試驗(yàn)完成后進(jìn)行地形測(cè)量，對(duì)比分析導(dǎo)流墻的減淤作用，試驗(yàn)要素見表3。

4.2 結(jié)果分析

方案1實(shí)施后的淤積量統(tǒng)計(jì)見表4，可見，導(dǎo)流墻并不能消除閘上游的淤積現(xiàn)象，但是能顯著減少淤積量。整治段2008年5—11月淤積量減少7.6%，

表2 方案1試驗(yàn)要素

注：閘門開啟數(shù)為2表示開左岸起第3、4孔；閘門開啟數(shù)為3表示開左岸起第2、3、4孔。

表3 方案2典型水文年試驗(yàn)要素

注：閘門開啟數(shù)為2表示開左岸起第3、4孔；閘門開啟數(shù)為3表示開左岸起第2、3、4孔。

表4 方案1整治段淤積量統(tǒng)計(jì) 103m3

2008年12月至2009年12月淤積量減少35.1%，2010年1—12月淤積量減少32.5%。從2008年5月至2010年12月，試驗(yàn)時(shí)段2年8個(gè)月內(nèi)，無導(dǎo)流墻時(shí)整治段淤積總量為14 390 m3，設(shè)置導(dǎo)流墻后，淤積量為10 010 m3，減淤30.4%。

圖4～6分別為方案1中3個(gè)試驗(yàn)階段后斷面變化情況。由圖4可見，2008年5—11月水沙過程后，無導(dǎo)流墻時(shí)上游CS1斷面(距離閘門20 m)平均淤積0.62 m，設(shè)置導(dǎo)流墻后平均淤積0.45 m，減少了27.4%。由圖5可見，2008年12月至2009年12月水沙過程后，閘前開始呈現(xiàn)出左岸淤積大于右岸的特征。無導(dǎo)流墻時(shí)上游CS1斷面左岸平均淤積0.87 m，設(shè)置導(dǎo)流墻后，左岸平均淤積0.48 m，減少了44.8%。由圖6可見，2010年1—12月水沙過程后，無導(dǎo)流墻時(shí)上游CS3斷面淤積增幅明顯，其中左岸淤積相比第2階段平均增加0.89 m，而設(shè)置15°導(dǎo)流墻后，左岸的淤積相比第2階段平均增加0.45 m，減少了49.4%。可見，導(dǎo)流墻能明顯減少閘前淤積。

圖4 方案1第1階段試驗(yàn)后閘上游斷面變化

圖5 方案1第2階段試驗(yàn)后閘上游斷面變化

圖6 方案1第3階段試驗(yàn)后閘上游斷面地形變化

方案2實(shí)施后，經(jīng)過1個(gè)典型水文年，無導(dǎo)流墻時(shí)的淤積量為14 240 m3，設(shè)置15°導(dǎo)流墻后的淤積量為7 010 m3，二者相比，淤積量減少了50.8%，減淤幅度較大。經(jīng)過2個(gè)典型水文年，無導(dǎo)流墻時(shí)的淤積量為21 400 m3，設(shè)置15°導(dǎo)流墻后的淤積量為11 980 m3，二者相比，淤積量減少了44.0%，減淤幅度下降，表明隨著河床與水流相互作用條件的變化，趨向于形成新的沖淤平衡。

圖7 方案2經(jīng)過2個(gè)典型水文年后閘上游斷面地形變化

從圖7可見，經(jīng)過2個(gè)典型水文年后，閘上游各斷面均產(chǎn)生較大淤積，且呈現(xiàn)左岸淤積大于右岸的特征。在無導(dǎo)流墻時(shí)，上游CS3斷面左側(cè)最大淤積2.63 m，右側(cè)最小淤積1.30 m，相差1.33 m，設(shè)置導(dǎo)流墻后該斷面左側(cè)最大淤積1.38 m，右側(cè)最小淤積0.88 m，相差0.50 m，該值比無導(dǎo)流墻時(shí)減小62.4%，這說明設(shè)置導(dǎo)流墻可以在減少淤積量的同時(shí)，也減小了斷面左右兩側(cè)的淤積差別，這是導(dǎo)流墻調(diào)整流場(chǎng)的結(jié)果，在導(dǎo)流墻的影響下，左岸流速增大，因而淤積量也顯著減少。在水流的長(zhǎng)期作用下，斷面地形趨向于均勻分布，這種變化也有利于形成更為均勻的流場(chǎng)，并使河道的過流能力得到提高。設(shè)置導(dǎo)流墻后，各斷面平均淤積厚度減小的幅度也不一樣，上游CS1斷面、CS3斷面、CS6斷面、CS+1斷面(距離閘門180 m)平均淤積厚度分別減小了29.3%、34.8%、50.0%、57.0%，表明導(dǎo)流墻對(duì)距離較近的區(qū)域減淤效果更好。

5 結(jié) 語

根據(jù)對(duì)2005—2016年武定門閘河段實(shí)測(cè)地形資料的分析，閘前斷面呈逐年淤積狀態(tài)，造成河道過水?dāng)嗝嬷饾u減小。為了應(yīng)對(duì)這一問題，進(jìn)行了武定門閘上游彎道河段懸移質(zhì)沖淤試驗(yàn)，設(shè)定2種淤泥開挖方案研究偏轉(zhuǎn)角為15°的導(dǎo)流墻對(duì)閘上游河道淤積的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)置偏轉(zhuǎn)角為15°的導(dǎo)流墻對(duì)武定門閘上游河道淤積有顯著的減淤作用，有助于提高河道的過流能力。