六垛南閘下游引河減淤措施探討與研究

王予勻 顧 青

(1.江蘇省灌溉總渠管理處，江蘇 淮安 223200；2.江蘇省淮河入海水道工程管理處，江蘇 淮安 223200)

六垛南閘位于江蘇省鹽城市射陽、濱海兩縣交界處，距離扁擔港入?？?.5km，建成于1953年，是灌溉總渠最后一級控制建筑物。六垛南閘共有7孔，結(jié)構(gòu)型式為開敞式平底板水閘，閘門為弧形鋼閘門，設(shè)計流量800m3/s，具有灌溉、泄洪、擋潮等功能。

六垛南閘下游入海引河自1995年起開始出現(xiàn)淤積，2003年后河道淤積速度逐漸加快，2005—2019年期間先后進行了4次河道清淤，但是河道淤積未得到有效解決，目前六垛南閘下游引河淤積面高程在2.2m左右(廢黃河高程系，下同)[1]。由此可見，常規(guī)的河道清淤并不能有效地消除六垛南閘下游引河淤積現(xiàn)象，需要采取行之有效的減淤措施，減緩河道淤積速度，降低清淤頻次和工作量，確保引河淤積土較長時間不板結(jié)、河道泄洪能力可以快速恢復(fù)。

1 六垛南閘下游引河淤積原因及近期清淤工作開展情況

1.1 六垛南閘下游引河淤積原因

六垛南閘下游引河淤積的原因主要有以下三點：

a.受引河入?？谒幒Ｓ蛱匦杂绊?。從海域外部環(huán)境來看，六垛南閘下游引河入?？谖挥邳S海侵蝕性海岸，附近海域距廢黃河口較近，海水自身泥沙含量本來就較高；從海域內(nèi)部組成來看，引河入海口所處海域海底表層顆粒普遍較細，粒徑在0.004～0.008mm范圍內(nèi)，稍有水流作用極易被攜帶，進一步提高了海水中泥沙的含量；從海潮自身特點來看，海潮普遍漲潮迅猛、退潮緩慢，漲潮時會攜帶大量泥沙進入引河，退潮時由于水流速度降低，攜帶的泥沙會逐漸沉積下來，導致引河淤積。

b.受六垛南閘建成影響。六垛南閘的建成影響了所在引河河口的水流動力條件，一定程度上改變了下游引河范圍內(nèi)的潮位、潮流過程，與天然河道相比產(chǎn)生了水力條件的不平衡，出現(xiàn)了漲落潮的相位差，最顯著的表現(xiàn)就是漲潮歷時縮短但流速加大，落潮歷時延長但流速減小，從而導致漲潮時海潮攜帶進的泥沙量遠大于落潮帶出的泥沙量，改變了原有天然情況下的輸沙平衡，進一步加劇了下游引河淤積。

c.受流域上游來水影響。近些年來淮河流域普遍降雨偏少，上游來水量銳減降低了灌溉總渠調(diào)度運用頻率，作為渠尾工程的六垛閘長期關(guān)閉、無水入海，改變了以往的水沙運移條件，原本可以通過上游來水沖走的淤土長期淤積在河道中，導致部分淤土開始板結(jié)，閘下引河淤積更加難以被沖走，河道過水斷面面積減少，嚴重影響了灌溉總渠的行洪、排澇能力[2]。

1.2 六垛南閘下游引河近期清淤工作開展情況

2015—2019年，六垛南閘下游引河陸續(xù)進行了3次清淤。

2015年7月，六垛南閘下游引河進行了首次清淤，在此之前引河已有10年未清淤，閘下至入?？诤拥绹乐赜俜e并板結(jié)，河道中心淤積面高程達2.2m，實施清淤將淤積面高程清至0.5m左右。

但在此之后，由于缺少開閘放水，下游引河又迅速淤積，至2016年6月底河道淤積面高程恢復(fù)至1.8m左右，于是在2016年7月—2017年4月實施了第二次清淤，清淤后河道深泓高程達-0.5m。

但至2018年5月初灌溉總渠行洪前，河道淤積面高程恢復(fù)至1.6m。為保障河道泄洪能力，2018年6月初對六垛南閘上游引河進行了清淤，同時對下游引河進行了疏浚、擾動，至6月中旬行洪結(jié)束后，閘下3.0～7.5km段河道深泓高程達-1.5m，閘下0.50～3.0km段深泓高程達-1.0m，但水閘下游至閘下0.50km段淤積土除中心寬8m處突現(xiàn)了泓溝，泓溝高程1.5m外，其余部分淤土仍在，淤積面高程為1.6m，且有板結(jié)趨勢。

六垛南閘下游引河淤積現(xiàn)狀詳見圖1。

圖1 六垛南閘下游引河淤積現(xiàn)狀

2 六垛南閘下游引河減淤措施探討與研究

通過六垛南閘引河淤積原因分析，可知六垛南閘下游引河受所在海域特性、六垛南閘工程特性和上游來水偏少這三方面因素影響，極易產(chǎn)生淤積。因此，盡管近5年清淤頻次較高、工程經(jīng)費保障較好，但是六垛南閘淤積現(xiàn)狀并沒有得到改觀，常規(guī)的河道清淤無法有效緩解河道淤積。

綜上所述，為了改變河道淤積現(xiàn)狀而采取的減淤措施，應(yīng)該是針對淤積產(chǎn)生原因而制定的在現(xiàn)有條件下可以達成的措施?？偟膩碚f，目前可行的措施有入海口建壩、合理開閘泄水和閘址下移這三類，以下對這三類減淤措施分別進行探討和研究。

2.1 入海口建壩

?？诮▔问轻槍α饽祥l下游引河所在海域特性制定的減淤措施。由于六垛南閘下游引河所在海域具有水體泥沙含量高、海底泥沙顆粒細易攜帶、海潮漲潮迅猛退潮緩慢這三個顯著特點，針對海域特性制定的措施應(yīng)該具備減少海域泥沙進入河道、削弱海潮作用的效果[3]。因此，綜合上述海域特性和預(yù)期效果，在入?？诮▔问窍啾戎伦钚兄行У拇胧?。

入?？诮▔慰梢云鸬綌r沙、擋潮的作用，有效降低由海域進入引河河道的泥沙量，削弱海潮作用，減緩河道淤積。但是，考慮到灌溉總渠和六垛閘具有泄洪的設(shè)計功能，在入?？谛拗膿醭眽尾粦?yīng)影響工程泄洪。因此，入?？诮▔慰刹捎脻搲?、橡膠壩等結(jié)構(gòu)型式。潛壩是設(shè)置在枯水位以下、具有調(diào)整水面比降及限制河底沖刷等功能的建筑物，具有升高水位，調(diào)整上、下游水面比降，降低上游流速的功能。橡膠壩是由高強度纖維織物做骨架、橡膠膠布做保護層并錨固于底板上的封閉壩袋，內(nèi)部可通過充排管路用水(氣)將其充脹；橡膠壩壩頂可以溢流，并可根據(jù)需要調(diào)節(jié)壩高，控制上游水位，發(fā)揮防洪、擋潮等效益。

這兩種壩型均可用于六垛南閘下游引河入?？?。二者比較，橡膠壩因其壩高可調(diào)整、不易受海水侵蝕、建設(shè)投資和運行維護成本低等優(yōu)勢，是更為合適的減淤措施[4]。橡膠壩建設(shè)之前，需要對入海口含沙量、工程地質(zhì)條件、水力條件等因素進行綜合分析，確定橡膠壩的規(guī)模、壩高、選用材料、結(jié)構(gòu)型式等主要建設(shè)參數(shù)，從而建成適用于六垛下游引河入?？谔匦缘南鹉z壩。

2.2 合理開閘泄水

為了降低六垛下游引河淤積速度、減少淤積量，需要以一定的流量、頻率開閘泄水，對河道內(nèi)的淤積進行沖刷，確保淤積土不板結(jié)，當有泄洪任務(wù)時，可以通過上游來水快速恢復(fù)河道泄洪能力。需要建立二維水沙數(shù)學模型來分析確定開閘泄水流量、頻次。

2.2.1 六垛下游引河水沙數(shù)學模型建立

將六垛南閘至入?？凇㈤L度約7.5km的河道采用有限體積法細分為多個不重疊的計算單元建立數(shù)學模型，每個計算單元均為三角形網(wǎng)格。

所建立的數(shù)學模型采用二維水動力學泥沙運動方程描述其運動特性，其控制方程和邊界條件如下：

2.2.1.1 水流運動方程

(1)

-Ωq-fvvx=0

(2)

Ωp-fvvy=0

(3)

(4)

Ω=2ωsinΨ

(5)

式中h——水深,m；

ξ——自由水面水位,m；

C——阻力系數(shù)，m1/2/s；

p——x方向的單寬流量,m2/s；

q——y方向的單寬流量,m2/s；

g——重力加速度,m/s2；

f——風摩擦因素，無量綱系數(shù)；

ρα——空氣密度,kg/m3；

v，vx，vy——風速，以及x、y方向上風速的分量,m/s；

ω——地球自轉(zhuǎn)角速度,rad/s；

Ψ——自轉(zhuǎn)點所處的維度,(°)。

2.2.1.2 懸移質(zhì)輸沙及河床變形方程

(6)

(7)

式中c——懸沙濃度，kg/m3；

εx——x向懸沙紊動擴散系數(shù)，m2/s；

εy——y向懸沙紊動擴散系數(shù)，m2/s；

E——侵蝕通量，kg/(m2·s)；

D——淤積通量，kg/(m2·s)。

2.2.1.3 邊界條件

a.上游開邊界：根據(jù)水閘運行工況給定閘上水位或入流流量。在閘門關(guān)閉時，流量和含沙量為零。

b.沿線閉邊界：河岸無入流邊界采用不可入原理，取法向流速為零。

c.下游開邊界：下游引河入?？谔幗o定水位變化過程曲線和懸沙過程。

2.2.2 六垛下游引河水沙數(shù)學模型驗證

完成六垛下游引河水沙數(shù)學模型建立后，需要對模型的合理性、精確性進行驗證，管理單位六垛閘管理所在2019年11月14日對下游引河距六垛閘2.5km、4.0km、6.5km的3個特征斷面的流速進行了實測，具體實測、計算結(jié)果比對情況見表1。從表1中可以看出，特征斷面位置的數(shù)值模擬流速計算結(jié)果與實測流速值基本接近，變化趨勢相同，流向一致，表明數(shù)學模型與實際工況相似性較為吻合，通過數(shù)學模型開展模擬計算的結(jié)果是較為合理、精確、可信的。

表1 六垛南閘下游引河特征斷面實測速度與模擬結(jié)果比較

2.2.3 六垛南閘下游引河減淤水力條件及效果分析

完成數(shù)學模型驗證后，即可開展減淤措施的水力條件和效果研究，確定能夠有效減淤的開閘泄水流量和頻次。需要注意的是，目前六垛南閘下游引河淤積高程普遍在2.2m左右，現(xiàn)有工況下六垛南閘不具備開閘放水的條件，因此首先需要對河道進行清淤。綜合以往清淤經(jīng)驗和調(diào)度運行要求，將自六垛閘起至下游4.25km段的河道疏浚至-0.35m高程是相較之下既較為經(jīng)濟又能保證河道泄洪能力的方案；此外，灌溉總渠流域近年來降水普遍偏少，根據(jù)近5年開閘時閘上、入?？谒唤y(tǒng)計，能夠確定當前氣候條件出現(xiàn)頻率最高的水位組合為水閘上游水位2.5m、入海口水位0.3m。綜上，減淤措施的研究應(yīng)該建立在將自六垛閘起至下游4.25km段的河道疏浚至-0.35m高程后，且閘上、入?？谒环謩e為2.5m、0.3m的前提下開展。

根據(jù)建立的水沙數(shù)學模型，在上述前提下，六垛南閘的泄水流量為92.16m3/s，在此工況下各特征斷面的水力條件特征見表2。

表2 特定工況下六垛南閘下游引河特征斷面水力條件模擬成果

根據(jù)泥沙粒徑特性，可以計算出在河道水深處于1.0m和5.0m時，泥沙起動流速特性，見表3、圖2。從表3和圖2可以看出：當泥沙粒徑過小時所需的起動流速反而較大，當粒徑大于60μm后，粒徑越大所需的起動流速也越大，不同水深對泥沙起動流速有一定影響，但總體變化趨勢一致。而對2019年11月14日采集的河道泥沙樣本分析后可以得出：海水攜帶進入引河的泥沙中值粒徑為7.6μm，平均粒徑為10μm，泥沙總體粒徑偏小、質(zhì)地細密，具體級配見圖3。

表3 泥沙起動流速特性

圖2 泥沙起動流速特性

圖3 河道泥沙樣本級配

綜合泥沙起動流速和河床泥沙級配，可以得出：當六垛南閘處于上游水位2.5m、河口水位0.3m的工況下，以92.16m3/s的流量開閘泄水時，在疏浚段(即自六垛南閘起至下游4.25km段)以外的河道泥沙可通過水流作用起動、沖走，起到?jīng)_淤的作用；而疏浚段的河道泥沙起動速度普遍大于斷面流速，泥沙無法被順利沖走，需要通過清淤措施預(yù)先清除淤泥土，這樣的結(jié)論與六垛南閘下游河道多年清淤經(jīng)驗一致。

當六垛南閘維持上述工況連續(xù)泄水10天后，通過數(shù)值模擬計算可以得出：六垛南閘下游引河出現(xiàn)了較為明顯的沖刷，沖刷深度在0.1～0.7m之間，最大沖刷深度達到0.8m，沖淤量為8.7萬m3，河床沖淤分布結(jié)果見圖4。

圖4 河道沖淤分布結(jié)果(連續(xù)開閘10天)

當六垛南閘關(guān)閉后，在現(xiàn)有海潮作用下，通過數(shù)值模擬計算可以得出：在上述工況下維持關(guān)閘1年時間，河道將出現(xiàn)普遍淤積，淤積最大厚度將達到1.73m，淤積量為31.9萬m3，河床沖淤分布結(jié)果見圖5。

圖5 河道沖淤分布結(jié)果(連續(xù)關(guān)閘1年)

綜合上述分析，可以確定合理開閘泄水措施的具體要求：每次開閘前，對自六垛南閘起至下游4.25km段的淤土進行擾動、疏浚；盡量控制六垛南閘在閘上水位2.5m、入?？谒?.3m的工況下開閘泄水，泄水流量控制在92.16m3/s左右，連續(xù)開閘10天時間；每年開閘泄水次數(shù)在4次左右，根據(jù)當年的水情、工情靈活調(diào)整開閘泄水的間隔，保證淤積土得到有效沖刷，殘留在河道內(nèi)的部分淤積土不板結(jié)。

2.3 閘址下移

水閘下游河道淤積，常常是因為漲潮流帶入河段的泥沙數(shù)量大于落潮流從河段內(nèi)帶走的泥沙數(shù)量，從而導致閘下河道徑流量減小，進入河道的潮波變形。對于基本沒有徑流的閘下河段泥沙淤積量可以通過下式計算：

(8)

式中W——年淤積量,萬m3/年；

T——一年中的潮汐數(shù)量，次；

γB——為淤積物干重度,N/m3；

Q——口門納潮量,m3/潮；

Skp——口門漲潮平均含沙量,kg/m3；

ε——淤積率，%。

一般來說，隨著引河長度的增長，納潮量的增長幅度要大于淤積率ε的減小幅度，因此閘下淤積量隨引河增長而增大，閘址越靠近入海口，其淤積強度越大，但總淤積量越小[5]。根據(jù)前一小節(jié)建立的水沙模型和上述計算淤積量的公式，可以得出不同閘址位置的淤積量計算結(jié)果，見表4。

表4 不同閘址條件下的淤積結(jié)果

表4中的3個閘址位置中，入?？诟浇囊拥纼?nèi)淤積量最少。建議將閘址下移至原閘下游7～7.5km附近，通過閘址下移來緩解六垛南閘下游引河淤積現(xiàn)狀，此處與入海水道管理處的?？陂l位置相鄰，易于形成樞紐工程，方便運行管理。

3 結(jié) 語

本文通過總結(jié)六垛南閘近些年清淤工作情況，分析河道淤積形成的原因，針對引河所在海域特性、六垛南閘工程特性和上游來水偏少這三個淤積產(chǎn)生的主要原因，利用流體力學、水沙運動理論等知識深入研究了入?？诮▔?、合理開閘泄水和閘址下移這三類減淤措施，并對其可行性、合理性和適用性進行科學探討，總結(jié)類似水閘工程引河淤積的共性規(guī)律和減淤途徑，用以指導工程日常管理。