双层挡潮闸水力冲淤试验研究

韩晓维，周文文，史 斌

（1.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋规划设计研究院）浙江省河口海岸重点实验室，杭州 310020；2.平阳县水利局，浙江 温州 325400）

0 引 言

感潮河口新建挡潮闸站普遍面临闸下淤积问题［1，2］，河口的淤积演变是水流、泥沙与河床相互作用的结果，目前一般认为潮波变形是造成闸下淤积的基本动力因素，前人已对此开展了大量的研究［3，4］。为改善闸下淤积问题，目前主要采用的是水力冲淤、机械清淤、纳潮冲淤及工程冲淤等减淤措施，其中水力冲淤是最为常用经济的冲淤方式［5-7］。

目前对闸下冲淤的研究主要集中在闸下河道整体的冲淤演变，包括资料分析［8，9］、一维数模［10］、二维数模［11-13］、水槽物理模型［14］及整体河工物理模型［15-17］等。由于当前制约挡潮闸运行的一个重要因素就是闸下河床淤积导致闸门无法正常开启，因此在研究大范围河道演变的同时，也需注重闸下局部河道的冲淤效果是否能够满足挡潮闸正常工作的条件。韩晓维等［18］曾结合正交试验法通过物理模型对感潮水闸闸下冲淤各因素开展分析，并提出各影响因素的主次关系。张文传等［19］在水工模型试验的基础上，通过多种闸门调度运行方案并结合定床和动床调度试验，提出闸门隔孔开启，可有效改善双台子河闸闸下淤沙问题。此类研究对象主要为常规布置水闸。

经过多年的探索和实践，浙江省近年来出现了设置双层闸门的挡潮闸，一般配套在大型泵站的下游，具有一定的水量调节能力，当下层闸门由于闸下淤积不能正常开启时通过开启上层闸门来冲淤。本文以该新型双层挡潮闸门为实例，结合1∶25正态物理模型对闸下冲淤开展研究。

1 工程布置

本研究基于某大型泵站出口挡潮闸工程开展，该工程位于浙江东南感潮河段，泵站设计流量100 m3/s，设5 台机组，属大（2）型泵站，泵站下游设挡潮节制闸。该挡潮闸底板高程0.90 m，闸室段顺水流向总长9.7 m，垂直水流向总宽23.4 m，从上游至下游分别设上层工作闸门，下层工作闸门及检修闸门。闸室主体分为3 孔，单孔净宽为7 m，上下双层过流通道。其中下层流道孔口尺寸为7.0 m×2.5 m（宽×高），底高程为0.9 m；上层流道孔口尺寸为7.0 m×2.5 m（宽×高），底高程为4.3 m，工程平剖面布置见图1和图2。当外江侧淤积严重或者潮水顶托，下层闸门无法正常运行，此时上层闸门可以不受影响，正常运行，提高了工程的安全性和可靠性。挡潮闸外江侧特征潮位见表1，重点对特征潮位进行冲淤分析。

图1 平面布置图（单位：m）Fig.1 Layout plan of outlet sump and sluice

图2 剖面布置图（单位：m）Fig.2 Profile layout of outlet sump and sluice

表1 外江侧特征潮位表Tab.1 Outer river characteristic tide level

2 模型设计

2.1 模型比尺

根据研究对象特点及内容，采用正态水工物理模型进行研究。模型主要按重力相似准则设计，由于泵站单泵排涝能力为20 m3/s，考虑到模型流量、水深、流速、及相关模型相似率等水力参数，模型比尺Lr为1∶25。其他相应物理量比尺见表2。

表2 模型相似率Tab.2 Law of similitude

2.2 模拟范围及制作

物理模型采用自循环设计，模拟范围包括泵站出水池、挡潮闸及部分外江河道，模型平面布置见图3。

图3 模型平面布置示意图Fig.3 Schematic diagram of model layout

外江河道淤积以淤泥为主，D50约为0.01 mm。动床模拟时可按泥沙起动公式计算原型沙的起动流速，参照张瑞瑾公式计算淤泥的起动流速，见下式。

式中：Ue为起动流速，m/s；ρs为泥沙比重，取2 720 kg/m3；ρ为水的容重，取1 000 kg/m3；d为泥沙粒径，m；h为水深，m。

原型淤泥在水深1～3 m 情况下的起动流速约为0.8～1.0 m/s，模型中采用中值粒径0.15 mm 的天然沙模拟淤积，相应水深下模型沙起动流速约为0.19～0.23 m/s，折算至原型起动流速约为1.0～1.1 m/s，闸下淤积初始条件见图4。

图4 闸下冲淤铺设照片（淤积2 m）Fig.4 Sedimentation under the gate

2.3 试验组次分析与选取

本工程挡潮闸采用上下两层闸门的结构布置，在假设下层闸门因淤积而无法运行时，开启上层工作闸门进行冲淤，根据水泵的运转特性，冲刷流量拟选用单台机组流量20 m3/s，受上下层闸门隔板高程的影响，上层闸门出流时为自由出流，开启一个闸孔及二个闸孔对应出水池内水位分别为5.77 和5.23 m。考虑高中低潮位不同淤积情况下及一闸孔开启和两闸孔开启时的冲淤效果，冲淤组次见表3。

表3 试验组次表Tab.3 Test condition table

3 冲淤判断指标

本次研究中冲淤效率以水沙比η来表征：

式中：Vw代表一定时间内冲淤所用的总水量，m3；Vs表示相应时间内被带走的泥沙体积总量，m3。

因此水沙比η表示每冲走单位泥沙所需的水量，水沙比越小表示冲淤效率越高，反之冲淤效率越差。一般来说，水沙比随着时间的变化而变化，但到一定时间后，冲淤效率较低，闸下泥沙形态变化不大，因此还需要用冲淤效果作为补充指标，对冲淤进行研究。本研究中，冲淤效果以是否将闸下0.9 m 高程护坦冲开为特征。将开始冲淤至闸下泥沙无明显起动的时间段记为冲淤基本稳定时间T。

4 试验结果及分析

4.1 冲淤流态

双层挡潮闸冲淤时，闸下潮位均低于上层底高程4.30 m，闸下潮位对闸上水位没有影响，实测当开启一孔及两孔冲淤时，闸上出水池内水位分别为5.77 和5.23 m，均大于闸下历年最高平均水位4.13 m。不同闸下淤积高度及潮位时的冲淤流态存在一定的差异。

（1）淤积高度1 m及潮位均较低时，水流经过上孔闸门后呈跌落至闸下淤积区域，水流跌落至底板时的流速可达8 m/s，远大于淤泥的起动流速，闸下淤泥迅速被带走。随着时间的发展，跌落水流经底板调整后水平向下游，继续带走淤泥，流态示意见图5（a），试验照片见图6。

图5 典型冲淤流态（单位：m）Fig.5 Typical scouring and silting flow pattern

图6 闸下冲淤流态（工况1）Fig.6 Scouring and silting flow pattern under sluice（Condition 1）

（2）淤积高度2 m闸下处于露滩状态时，水流经过上孔闸门后呈跌落至闸下淤积区域，并在闸下形成水垫，水垫不受下游潮位影响，仅和冲淤流量及淤积形态有关。由于水流流速仍然远大于泥沙的起动流速，因此在跌落区上下游淤泥仍迅速被带走，水流随即潜底并向下游，继续带走淤泥，流态示意见图5（b），试验照片见图7。

图7 闸下冲淤流态（工况3）Fig.7 Scouring and silting flow pattern under sluice（Condition3）

（3）淤积高度2 m遭遇闸下高潮位，则流态将出现明显的变化，虽然出闸水流仍呈跌流，但受闸下潮位及淤积高程的影响，水舌跌落后马上呈水平推出，对闸下淤积冲刷较弱，流态示意见图5（c），试验照片见图8。

图8 闸下冲淤流态（工况8）Fig.8 Scouring and silting flow pattern under sluice（Condition8）

4.2 冲淤成果分析

各工况研究成果见表4，典型冲淤形态见图9。

表4 冲淤试验成果表Tab.4 Scouring and silting test results

图9 闸下典型冲淤形态（t=15 min）Fig.9 Typical scouring and silting pattern under the gate（t=15 min）

（1）冲淤稳定时间：不同工况的闸下有效的冲淤时间均较短，冲沟稳定时间一般在15 min 以内，若继续冲淤，冲沟的变化不大，水沙比增大明显，冲淤效率降低。

（2）不同闸下潮位比较：闸下水位越低越有利于冲淤，如工况5和工况7，闸下分别为多年平均潮位0.31 m和历年最高平均潮位4.13 m，水沙比由92增大至179，冲淤效率大幅度降低。这主要是因为在下游潮位较低时，滩面上水深较浅，流速较大，因而水流冲淤效果比潮位高时要好，且当闸下潮位高时，出闸水流在水面形成水跃，水流不能潜底，也是冲淤效率不高的原因。因此为了提高冲淤效率，冲淤应尽可能在下游较低潮位时进行。

（3）闸门运行方式影响：开启一孔闸门运行，冲淤水流较为集中，在10 min 内可将闸下护坦冲开；开启二孔闸门运行，出闸单宽流量降低50%，在初期可有效冲淤，且效率较高，但不能将护坦全部冲开，冲淤效果不能完全满足，对比如工况1、2 及工况3、4。

（4）不同淤积高程比较：当闸下淤积较高时，冲沙效率相对较高。如工况1 在淤积1 m 的条件下水沙比为132.4，工况5 淤积高度2 m 时的水沙比则降低至92.3，说明同样水量的冲刷效率有所提高。

5 结论及展望

双层挡潮闸作为一种新型防淤形式的闸门已在部分工程得以应用，但其冲淤特性尚未开展系统的研究。本文结合某双层挡潮闸实例，通过1∶25物理模型对其冲淤特性进行研究。当挡潮闸下的口门淤积1～2 m 范围内，可通过运行一台泵站机组（20 m3/s）开启上层闸门进行水力冲淤解决，不同工况的闸下有效的冲淤时间均较短，冲沟稳定时间一般在15 min 以内。闸下水位越低越有利于冲淤，开启一孔闸门运行，冲淤水流较为集中，在冲刷10 min 内可将闸下护坦冲开；开启二孔闸门运行，出闸单宽流量降低50%，在初期可有效冲淤，且效率较高，但不能将护坦全部冲开，冲淤效果不能完全满足。当闸下淤积较高时，冲沙效率相对较高。

研究表明双层挡潮闸可有效解决闸下局部淤积问题，保障工程顺利发挥效益，在今后的研究与实践中有必要对双层挡潮闸隔板高程、体型及闸下泥沙特性与水力特征之间的匹配作进一步研究。