三洋港挡潮闸闸下泥沙冲淤分析及对行洪的影响

孙 勇 沈继华 杨 中 王桂生 屈学平

(中水淮河规划设计研究有限公司 安徽蚌埠 233001)

1 概述

三洋港挡潮闸枢纽是沂沭泗河洪水东调南下工程新沭河治理工程的关键性骨干工程,位于江苏省连云港市郊新沭河入海口临洪口。根据规划,三洋港枢纽按新沭河 50年一遇洪水标准设计,设计流量 6400m3/s;河道强迫泄洪水位作为校核洪水工况,校核流量 7000m3/s;设计挡潮标准为 100年一遇高潮位,历史最高潮位作为校核挡潮标准。工程的主要功能是:挡潮防淤,保护河道治理成果,促进行洪安全;降低滩地糙率,保障行洪河道畅通;改善排涝条件,节约运行费用,延长设备使用寿命;利用河槽蓄水,为连云港市增加水源;改善交通条件,促进港口发展。三洋港枢纽为Ⅰ等大(1)型工程,主要建筑物包括:挡潮闸、排水闸、上下游引河等。挡潮闸闸室每孔净宽 15m,共 33孔,排水闸闸室每孔净宽 6m,共 3孔,工程总投资 55216万元。工程已于 2008年开工建设,计划于 2012年建成。

海潮潮波在传递的过程中,随着阻力的增加,变形逐步加剧,导致涨潮时历时短、流速快,落潮时历时长、流速慢,挡潮闸关闸后闸下河段的潮流由推进波变为驻波,进一步改变了水力条件。此外,建闸后必将减小河流径流量及改变径流分配过程,因此涨潮流带进的泥沙较落潮流带出的泥沙多,从而将外海泥沙搬进了河口,造成闸下河口淤积,影响挡潮闸的正常运行。因此,对建闸后闸下泥沙冲淤情况及对行洪影响的研究分析成为亟待解决的一大课题。

2 水文、泥沙特征

从 2006年 6月 29日大潮和 8月 21日中潮的实测水文泥沙测验资料看,由于受河道地形阻力以及太平庄闸的影响,近海潮波传入新沭河以后,波形由前进波向驻波特性转换,潮位过程线与流速过程线之间产生 1/4的相位差,涨潮历时缩短,落潮历时增长,涨潮流速大于落潮流速,涨潮挟沙能力增大,落潮挟沙能力减弱。根据实测资料,太平庄闸下河段水文泥沙特征值详见表 1。

表 1 新沭河太平庄闸下河道实测水文泥沙特征值统计 (废黄河高程)

3 二维水沙数学模型及其计算方法

3.1 数学模型

描述二维水流泥沙运动的基本方法为水流控制方程、悬沙输移方程、河床变形方程等,对各基本方程的离散方法,详见参考文献 [3]。利用通量的坐标旋转不变性将二维问题转化为一系列局部的一维问题进行求解,采用黎曼近似解计算跨单元水量、动量及泥沙的法向数值通量,最终获得计算区域的流场及泥沙分布。

3.2 闸墩概化

将闸墩看作是拦污栅形式的阻水建筑物,闸墩的阻水效果主要通过增加其所在网格节点的局部阻力来实现。

3.3 计算网格布置及模型验证

计算范围为太平庄闸下至临洪口长约 14km的河道 (两侧以堤防为边界,其中三洋港闸上河道约 11km、闸下河道约 3km),以及临洪口外 13km×13km的海域。采用无结构网格剖分计算域。由于新沭河滩地宽阔,泓道窄浅而弯曲,针对河道形态的特殊性,采用三角形和四边形混合网格布置,即泓道内网格布置采用四边形网格,使网格顺应水流的流向,而边滩和近海区域采用三角形网格剖分。泓道和滩地网格空间步长为 15～100m,近海区域网格空间步长为 300～500m。计算单元总数为8049个,节点数 5203个。

采用 2006年 6月大潮和 8月中潮的实测水文泥沙资料对数学模型进行水流泥沙验证,并采用2004年 4月和 2006年 2月的地形资料进行泓道冲淤变化地形验证。验证结果表明,所建立的二维潮流泥沙数学模型的求解方法和参数取值合理,满足《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》 (JTJ/T 233—98)的要求,可以用于闸下河道的冲淤预测计算。

4 闸下泥沙冲淤及对洪水的影响分析成果

4.1 现状不同年型来水情况下的淤积情况

考虑洪水对闸下泥沙淤积的冲刷作用,对石梁河水库实际泄流情况进行统计分析,从 1977～2005系列年中选取丰水年、中水年、枯水年来水状况进行闸下淤积计算,选择 1998年型洪水作为丰水代表年型,1994年型洪水作为中水代表年型,1989年作为枯水代表年型,同时考虑临洪闸下泄流量过程,新沭河典型年下泄峰、量见表 2。由于50年一遇设计洪水过程较长,在达到设计洪水6400m3/s以前有一段中小洪水过程,能够对闸下的淤积形成一定的冲刷,因此分别计算了不同代表年型的年淤积量及淤积前后遇设计洪水引河段沿程水位变化,及考虑设计洪水过程前期冲刷量引河段沿程水位变化情况,计算结果见表 3～表 5。

表2 新沭河典型年下泄峰、量

表3 不同代表年型年淤积量及设计洪水过程前期冲刷量 单位:万m3

表4 不同年型三洋港闸下淤积前后引河段沿程水位变化 单位:m

表5 不同代表年型淤积基础上设计洪水前期过程冲刷后的引河段沿程水位 单位:m

以上可以看出上游来水的变化对闸下的淤积影响较大,枯水年淤积一年的情况下行洪6400m3/s时沿程水位最高要比设计水位提高0.04m,对太平庄闸的水位基本无影响。如果考虑设计洪水过程前期冲刷量,沿程水位与设计水位相比相差很小。

4.2 不同年型组合条件下闸下泥沙淤积及引河段水位变化

选取枯、中、洪不同年型组合 24组进行闸下泥沙冲淤研究并分析其对洪水的影响,计算结果见表 6(文章篇幅所限,表中仅列出代表性的 5组)。从表 6中可以看出,在不同年型组合的条件下,遇设计流量时水位最高要抬高 0.11m,发生在三洋港闸下,由此引起的太平庄闸下水位比设计水位抬高约 0.015m,经设计洪水前期过程冲刷后,设计流量 6400m3/s时,沿程水位最高要比设计水位抬高0.05m,由此引起的太平庄闸下水位比设计水位抬高约 0.005m。

表6 不同年型组合的淤积量、设计洪水前期冲刷量及沿程水位值

续表

4.3 1977～2005年实际来水过程情况下的泥沙淤积

根据 1977～2005年共 29年实际来水过程计算闸下淤积量 (考虑闸下不采取任何人工清淤措施),计算结果见表 7(表中仅列出 7年),从表中看出,1977～2005年型来水情况下,闸下每年都有不同程度的淤积,年平均淤积量为 7.19万 m3,前 3年平均淤积量为 17.97万 m3,累计性淤积难以避免。丰水年淤积量小,枯水年淤积量大,相同来水情况下,总体呈逐年减少之势。闸下淤积总量为 208.6万 m3,遇 6400m3/s时沿程水位最高比设计水位高 0.41m,经设计流量前期冲刷后沿程水位最高比设计水位高0.31m,随着淤积时间的延长,沿程水位抬高更多。

表7 1977～2005年实际来水过程情况下闸下泥沙淤积量 单位:万 m3

5 结语

根据水文统计,现状石梁河水库和临洪闸多年平均下泄洪量约 8.44亿 m3,虽然东调南下实施后东调水量有所增加,但作为总宽约 600m的挡潮大闸,与苏北地区的另外两座规模较大的挡潮闸新沂河海口闸和射阳河挡潮闸相比 (如射阳河闸单孔净宽 10m,共 30孔,年径流量约 40亿m3,闸下河道仍淤积较为严重),维持闸下冲淤平衡的径流量明显不足。根据冲淤分析,虽然淤积一年对新沭河行洪的影响较小,但如常年不采取清淤措施,闸下累计性淤积不可避免,随着淤积的增加,河道行洪断面将逐步减小,对新沭河行洪的影响将越来越大,沿程水位抬高更多。因此,三洋港挡潮闸建成后,必须从整个流域洪水调度的角度考虑,增加新沭河行洪冲淤水量,并且在挡潮闸的运行过程中,借鉴江苏和国内其他地方沿海挡潮闸的管理经验,摸索适合该工程的闸下冲淤措施,必要时采取一些人工辅助清淤措施,来减少闸下的淤积,维持闸下行洪断面,促进防洪安全。

1 李家星,赵振兴.水力学 [M].南京:河海大学出版社,2001.

2 中水淮河规划设计有项责任公司.三洋港挡潮闸枢纽工程初步设计报告 [R].2008.1.

3 杨国录.河流数学模型 [M].北京:海洋出版社,1993.

4 南京水利科学研究院.新沭河太平庄闸下河道二维水流泥沙数学模型研究 [R].2006.9.