六垛南闸下游引河减淤措施探讨与研究

王予匀 顾 青

(1.江苏省灌溉总渠管理处，江苏 淮安 223200；2.江苏省淮河入海水道工程管理处，江苏 淮安 223200)

六垛南闸位于江苏省盐城市射阳、滨海两县交界处，距离扁担港入海口7.5km，建成于1953年，是灌溉总渠最后一级控制建筑物。六垛南闸共有7孔，结构型式为开敞式平底板水闸，闸门为弧形钢闸门，设计流量800m3/s，具有灌溉、泄洪、挡潮等功能。

六垛南闸下游入海引河自1995年起开始出现淤积，2003年后河道淤积速度逐渐加快，2005—2019年期间先后进行了4次河道清淤，但是河道淤积未得到有效解决，目前六垛南闸下游引河淤积面高程在2.2m左右(废黄河高程系，下同)[1]。由此可见，常规的河道清淤并不能有效地消除六垛南闸下游引河淤积现象，需要采取行之有效的减淤措施，减缓河道淤积速度，降低清淤频次和工作量，确保引河淤积土较长时间不板结、河道泄洪能力可以快速恢复。

1 六垛南闸下游引河淤积原因及近期清淤工作开展情况

1.1 六垛南闸下游引河淤积原因

六垛南闸下游引河淤积的原因主要有以下三点：

a.受引河入海口所处海域特性影响。从海域外部环境来看，六垛南闸下游引河入海口位于黄海侵蚀性海岸，附近海域距废黄河口较近，海水自身泥沙含量本来就较高；从海域内部组成来看，引河入海口所处海域海底表层颗粒普遍较细，粒径在0.004～0.008mm范围内，稍有水流作用极易被携带，进一步提高了海水中泥沙的含量；从海潮自身特点来看，海潮普遍涨潮迅猛、退潮缓慢，涨潮时会携带大量泥沙进入引河，退潮时由于水流速度降低，携带的泥沙会逐渐沉积下来，导致引河淤积。

b.受六垛南闸建成影响。六垛南闸的建成影响了所在引河河口的水流动力条件，一定程度上改变了下游引河范围内的潮位、潮流过程，与天然河道相比产生了水力条件的不平衡，出现了涨落潮的相位差，最显著的表现就是涨潮历时缩短但流速加大，落潮历时延长但流速减小，从而导致涨潮时海潮携带进的泥沙量远大于落潮带出的泥沙量，改变了原有天然情况下的输沙平衡，进一步加剧了下游引河淤积。

c.受流域上游来水影响。近些年来淮河流域普遍降雨偏少，上游来水量锐减降低了灌溉总渠调度运用频率，作为渠尾工程的六垛闸长期关闭、无水入海，改变了以往的水沙运移条件，原本可以通过上游来水冲走的淤土长期淤积在河道中，导致部分淤土开始板结，闸下引河淤积更加难以被冲走，河道过水断面面积减少，严重影响了灌溉总渠的行洪、排涝能力[2]。

1.2 六垛南闸下游引河近期清淤工作开展情况

2015—2019年，六垛南闸下游引河陆续进行了3次清淤。

2015年7月，六垛南闸下游引河进行了首次清淤，在此之前引河已有10年未清淤，闸下至入海口河道严重淤积并板结，河道中心淤积面高程达2.2m，实施清淤将淤积面高程清至0.5m左右。

但在此之后，由于缺少开闸放水，下游引河又迅速淤积，至2016年6月底河道淤积面高程恢复至1.8m左右，于是在2016年7月—2017年4月实施了第二次清淤，清淤后河道深泓高程达-0.5m。

但至2018年5月初灌溉总渠行洪前，河道淤积面高程恢复至1.6m。为保障河道泄洪能力，2018年6月初对六垛南闸上游引河进行了清淤，同时对下游引河进行了疏浚、扰动，至6月中旬行洪结束后，闸下3.0～7.5km段河道深泓高程达-1.5m，闸下0.50～3.0km段深泓高程达-1.0m，但水闸下游至闸下0.50km段淤积土除中心宽8m处突现了泓沟，泓沟高程1.5m外，其余部分淤土仍在，淤积面高程为1.6m，且有板结趋势。

六垛南闸下游引河淤积现状详见图1。

图1 六垛南闸下游引河淤积现状

2 六垛南闸下游引河减淤措施探讨与研究

通过六垛南闸引河淤积原因分析，可知六垛南闸下游引河受所在海域特性、六垛南闸工程特性和上游来水偏少这三方面因素影响，极易产生淤积。因此，尽管近5年清淤频次较高、工程经费保障较好，但是六垛南闸淤积现状并没有得到改观，常规的河道清淤无法有效缓解河道淤积。

综上所述，为了改变河道淤积现状而采取的减淤措施，应该是针对淤积产生原因而制定的在现有条件下可以达成的措施。总的来说，目前可行的措施有入海口建坝、合理开闸泄水和闸址下移这三类，以下对这三类减淤措施分别进行探讨和研究。

2.1 入海口建坝

海口建坝是针对六垛南闸下游引河所在海域特性制定的减淤措施。由于六垛南闸下游引河所在海域具有水体泥沙含量高、海底泥沙颗粒细易携带、海潮涨潮迅猛退潮缓慢这三个显著特点，针对海域特性制定的措施应该具备减少海域泥沙进入河道、削弱海潮作用的效果[3]。因此，综合上述海域特性和预期效果，在入海口建坝是相比之下最行之有效的措施。

入海口建坝可以起到拦沙、挡潮的作用，有效降低由海域进入引河河道的泥沙量，削弱海潮作用，减缓河道淤积。但是，考虑到灌溉总渠和六垛闸具有泄洪的设计功能，在入海口修筑的挡潮坝不应影响工程泄洪。因此，入海口建坝可采用潜坝、橡胶坝等结构型式。潜坝是设置在枯水位以下、具有调整水面比降及限制河底冲刷等功能的建筑物，具有升高水位，调整上、下游水面比降，降低上游流速的功能。橡胶坝是由高强度纤维织物做骨架、橡胶胶布做保护层并锚固于底板上的封闭坝袋，内部可通过充排管路用水(气)将其充胀；橡胶坝坝顶可以溢流，并可根据需要调节坝高，控制上游水位，发挥防洪、挡潮等效益。

这两种坝型均可用于六垛南闸下游引河入海口。二者比较，橡胶坝因其坝高可调整、不易受海水侵蚀、建设投资和运行维护成本低等优势，是更为合适的减淤措施[4]。橡胶坝建设之前，需要对入海口含沙量、工程地质条件、水力条件等因素进行综合分析，确定橡胶坝的规模、坝高、选用材料、结构型式等主要建设参数，从而建成适用于六垛下游引河入海口特性的橡胶坝。

2.2 合理开闸泄水

为了降低六垛下游引河淤积速度、减少淤积量，需要以一定的流量、频率开闸泄水，对河道内的淤积进行冲刷，确保淤积土不板结，当有泄洪任务时，可以通过上游来水快速恢复河道泄洪能力。需要建立二维水沙数学模型来分析确定开闸泄水流量、频次。

2.2.1 六垛下游引河水沙数学模型建立

将六垛南闸至入海口、长度约7.5km的河道采用有限体积法细分为多个不重叠的计算单元建立数学模型，每个计算单元均为三角形网格。

所建立的数学模型采用二维水动力学泥沙运动方程描述其运动特性，其控制方程和边界条件如下：

2.2.1.1 水流运动方程

(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——阻力系数，m1/2/s；

p——x方向的单宽流量,m2/s；

q——y方向的单宽流量,m2/s；

g——重力加速度,m/s2；

f——风摩擦因素，无量纲系数；

ρα——空气密度,kg/m3；

v，vx，vy——风速，以及x、y方向上风速的分量,m/s；

ω——地球自转角速度,rad/s；

Ψ——自转点所处的维度,(°)。

2.2.1.2 悬移质输沙及河床变形方程

(6)

(7)

式中c——悬沙浓度，kg/m3；

εx——x向悬沙紊动扩散系数，m2/s；

εy——y向悬沙紊动扩散系数，m2/s；

E——侵蚀通量，kg/(m2·s)；

D——淤积通量，kg/(m2·s)。

2.2.1.3 边界条件

a.上游开边界：根据水闸运行工况给定闸上水位或入流流量。在闸门关闭时，流量和含沙量为零。

b.沿线闭边界：河岸无入流边界采用不可入原理，取法向流速为零。

c.下游开边界：下游引河入海口处给定水位变化过程曲线和悬沙过程。

2.2.2 六垛下游引河水沙数学模型验证

完成六垛下游引河水沙数学模型建立后，需要对模型的合理性、精确性进行验证，管理单位六垛闸管理所在2019年11月14日对下游引河距六垛闸2.5km、4.0km、6.5km的3个特征断面的流速进行了实测，具体实测、计算结果比对情况见表1。从表1中可以看出，特征断面位置的数值模拟流速计算结果与实测流速值基本接近，变化趋势相同，流向一致，表明数学模型与实际工况相似性较为吻合，通过数学模型开展模拟计算的结果是较为合理、精确、可信的。

表1 六垛南闸下游引河特征断面实测速度与模拟结果比较

2.2.3 六垛南闸下游引河减淤水力条件及效果分析

完成数学模型验证后，即可开展减淤措施的水力条件和效果研究，确定能够有效减淤的开闸泄水流量和频次。需要注意的是，目前六垛南闸下游引河淤积高程普遍在2.2m左右，现有工况下六垛南闸不具备开闸放水的条件，因此首先需要对河道进行清淤。综合以往清淤经验和调度运行要求，将自六垛闸起至下游4.25km段的河道疏浚至-0.35m高程是相较之下既较为经济又能保证河道泄洪能力的方案；此外，灌溉总渠流域近年来降水普遍偏少，根据近5年开闸时闸上、入海口水位统计，能够确定当前气候条件出现频率最高的水位组合为水闸上游水位2.5m、入海口水位0.3m。综上，减淤措施的研究应该建立在将自六垛闸起至下游4.25km段的河道疏浚至-0.35m高程后，且闸上、入海口水位分别为2.5m、0.3m的前提下开展。

根据建立的水沙数学模型，在上述前提下，六垛南闸的泄水流量为92.16m3/s，在此工况下各特征断面的水力条件特征见表2。

表2 特定工况下六垛南闸下游引河特征断面水力条件模拟成果

根据泥沙粒径特性，可以计算出在河道水深处于1.0m和5.0m时，泥沙起动流速特性，见表3、图2。从表3和图2可以看出：当泥沙粒径过小时所需的起动流速反而较大，当粒径大于60μm后，粒径越大所需的起动流速也越大，不同水深对泥沙起动流速有一定影响，但总体变化趋势一致。而对2019年11月14日采集的河道泥沙样本分析后可以得出：海水携带进入引河的泥沙中值粒径为7.6μm，平均粒径为10μm，泥沙总体粒径偏小、质地细密，具体级配见图3。

表3 泥沙起动流速特性

图2 泥沙起动流速特性

图3 河道泥沙样本级配

综合泥沙起动流速和河床泥沙级配，可以得出：当六垛南闸处于上游水位2.5m、河口水位0.3m的工况下，以92.16m3/s的流量开闸泄水时，在疏浚段(即自六垛南闸起至下游4.25km段)以外的河道泥沙可通过水流作用起动、冲走，起到冲淤的作用；而疏浚段的河道泥沙起动速度普遍大于断面流速，泥沙无法被顺利冲走，需要通过清淤措施预先清除淤泥土，这样的结论与六垛南闸下游河道多年清淤经验一致。

当六垛南闸维持上述工况连续泄水10天后，通过数值模拟计算可以得出：六垛南闸下游引河出现了较为明显的冲刷，冲刷深度在0.1～0.7m之间，最大冲刷深度达到0.8m，冲淤量为8.7万m3，河床冲淤分布结果见图4。

图4 河道冲淤分布结果(连续开闸10天)

当六垛南闸关闭后，在现有海潮作用下，通过数值模拟计算可以得出：在上述工况下维持关闸1年时间，河道将出现普遍淤积，淤积最大厚度将达到1.73m，淤积量为31.9万m3，河床冲淤分布结果见图5。

图5 河道冲淤分布结果(连续关闸1年)

综合上述分析，可以确定合理开闸泄水措施的具体要求：每次开闸前，对自六垛南闸起至下游4.25km段的淤土进行扰动、疏浚；尽量控制六垛南闸在闸上水位2.5m、入海口水位0.3m的工况下开闸泄水，泄水流量控制在92.16m3/s左右，连续开闸10天时间；每年开闸泄水次数在4次左右，根据当年的水情、工情灵活调整开闸泄水的间隔，保证淤积土得到有效冲刷，残留在河道内的部分淤积土不板结。

2.3 闸址下移

水闸下游河道淤积，常常是因为涨潮流带入河段的泥沙数量大于落潮流从河段内带走的泥沙数量，从而导致闸下河道径流量减小，进入河道的潮波变形。对于基本没有径流的闸下河段泥沙淤积量可以通过下式计算：

(8)

式中W——年淤积量,万m3/年；

T——一年中的潮汐数量，次；

γB——为淤积物干重度,N/m3；

Q——口门纳潮量,m3/潮；

Skp——口门涨潮平均含沙量,kg/m3；

ε——淤积率，%。

一般来说，随着引河长度的增长，纳潮量的增长幅度要大于淤积率ε的减小幅度，因此闸下淤积量随引河增长而增大，闸址越靠近入海口，其淤积强度越大，但总淤积量越小[5]。根据前一小节建立的水沙模型和上述计算淤积量的公式，可以得出不同闸址位置的淤积量计算结果，见表4。

表4 不同闸址条件下的淤积结果

表4中的3个闸址位置中，入海口附近的引河道内淤积量最少。建议将闸址下移至原闸下游7～7.5km附近，通过闸址下移来缓解六垛南闸下游引河淤积现状，此处与入海水道管理处的海口闸位置相邻，易于形成枢纽工程，方便运行管理。

3 结 语

本文通过总结六垛南闸近些年清淤工作情况，分析河道淤积形成的原因，针对引河所在海域特性、六垛南闸工程特性和上游来水偏少这三个淤积产生的主要原因，利用流体力学、水沙运动理论等知识深入研究了入海口建坝、合理开闸泄水和闸址下移这三类减淤措施，并对其可行性、合理性和适用性进行科学探讨，总结类似水闸工程引河淤积的共性规律和减淤途径，用以指导工程日常管理。