新沂河海口控制工程排沙设施对泥沙淤积影响分析

2022-07-29柳豹

江苏水利 2022年7期

柳豹

（江苏省淮沭新河管理处，江苏淮安 223001）

泥沙淤积乃是水工建筑中常遇见的问题，有效降淤排沙对提升水工设施的高效运营、运营寿命等均具有重要意义［1-2］，但排沙设施排沙效果影响特性研究还较少，只有对其影响因素展开变化规律分析，才可确保排沙设施具有最佳排沙清淤的效应。杨晨等［3］、范海东［4］、吕科等［5］根据水工建筑渗流场求解问题，利用Fluent等研究平台，分析了不同设计方案下泄流建筑水沙演变特征，为工程建设提供仿真计算参考。另外也有一些学者从静、动力学稳定性角度考虑，利用ABAQUS、ANSYS等数值仿真平台研究不同设计参数与方案下结构应力、位移特征［6-8］，进而确定工程的最优设计方案以及影响因素。以上研究方法均集中于数值计算，但不可忽视数值计算结果与工程实际具有一定差异性与适配性，针对性解决工程渗流以及稳定性问题可以采用水工模型试验手段，杨东玲［9］、施得兵等［10］、李鹤等［11］通过设计不同方案的溢洪道、消能池及水闸等水工模型，研究模型在不同方案下渗流特征，以此反映水沙演变规律，为工程排沙降淤提供参考。本文基于新沂河海口控制工程排沙设施的降淤清沙影响因素，设计开展水工模型试验，研究不同因素对排沙渠道清淤降沙的影响，为工程排沙设计提供依据。

1 模型试验分析

1.1 工程概况

新沂河海口控制工程乃是区域内重要水利枢纽，其运营稳定性关乎沂沭泗流域安全泄洪，确保下游水利安全性。该工程设计之初，就承担着防洪、排涝、防潮等重要水利功能，枢纽工程包括有深泓闸，并在南、中、北3个区域设置橡胶坝，有效防护岸坡受水力冲刷影响。新沂河海口控制工程所需建设的泓道设计流量为7 800 m3/s，南、北深泓闸设计流量分别为2 425 m3/s、3 348 m3/s，该工程整体均按照50年一遇洪水标准设计，且为应对入海口处泥沙淤积影响，已对中浅滩橡胶坝进行拆除，故而南、北浅滩橡胶坝设计最大流量为1 330 m3/s、1 830 m3/s。该水利控制工程设计修建的深泓闸总宽度为134.1 m，闸室底高程为-21.5 m，采用多孔式过闸流量设计，单孔净宽为10 m，另深泓闸亦是地区内重要交通枢纽，在闸墩两侧分别修建有检修桥与交通桥，2个桥净宽分别为2.2 m、4 m，桥面高程均为6 m。闸墩支撑结构体系已在多次结构加固中升级，目前采用的是预应力锚索支护结构，传感器监测表明最大拉应力不超过1.5 MPa，墩身内无显著渗流活动，受水力冲刷作用影响较小，最大渗透坡降低于0.2。两座深泓闸设计形式具有一致性，均采用平面定滑闸门，配备有液压程序控制启闭机，最大开度可与深泓闸设计流量的110%相匹配。在深泓闸两侧设立有1个沉井式岸墙和6个空箱岸墙，沉井岸墙长为20 m，空箱岸墙长均为10 m，导墙采用预制钢混结构，壁厚为0.3 m，上、下游均设置有排沙渠道，降低泥沙淤积导致深泓闸出现过流不畅、涡流及阻流效应。闸室底部设置有钢混形式的护坦结构，长为30 m，厚度为60 cm，在下游与导墙的浆砌石防渗墙结构相连，控制闸室底部受泥沙淤积、污染物影响。根据对新沂河海口控制工程的调研分析得知，目前深泓闸与橡胶坝工程受泥沙淤积影响较严重，排沙闸等水工设施运营效率降低显著，不论是入海口下游或是闸前上游，泥沙含量最大可达6.5 kg/m3，不利于上游沂沭泗洪水东调南下控制水流。为此，考虑在深泓闸前设置一个排沙渠道，且其渠首采用弯道截面，下游排沙闸亦与之相连，控制进入深泓闸、橡胶坝等水工建筑的泥沙含量，保障入海口水利泄洪调度。

1.2 模型试验

本模型重点研究排沙渠道设计对水沙特征影响，故特别以排沙效果来论证该排沙渠道的设计合理性，在室内按照实际工程布设排沙渠道状态设计水工模型。该模型按照复制比尺1∶10设计［12-13］，而结构材料按照实际取材，水流以自然水流为研究对象，模型上游安装有三角堰流量测试仪，准确控制上游来水流量，其布设高度为26 cm，按照流量比尺1∶10确定本模型工况流量参数值。泥沙状态按照新沂河实际颗粒物质进行混合，选择粒径在0.05～0.3 mm的矿物质颗粒为泥沙对象，上游来水流量的输沙率根据实际在南、北深泓闸上游测定值确定，范围为6.5～8.5 kg/m3。而为高效获得模型实验中上、下游泥沙含量，本试验中采用电容泥沙含量测定仪在上、下游均匀布设有10个传感器，研究各断面上水流含沙量变化。另一方面，流速乃是反映水沙演变状态的重要参数，本试验中配备有PIV流速测定仪，可同时对多个断面展开多通道测定，最终基于流速参数获得不同工况及不同设计参数下泥沙淤积影响。

为准确分析各因素对入海口控制工程泥沙淤积影响，本文设定有水流因素与排沙设施设计因素，其中水流因素包括有上游流量、泥沙粒径；而排沙设施设计因素包括有水位及排沙板高度。按照控制工程实际运营工况，本文设定上游流量有3 L/s、4.5 L/s、6 L/s、7.5 L/s、9 L/s，泥沙粒径按照中位数给定分别为0.05、0.1、0.15、0.2、0.25 mm；水位按照模型试验中渠道水位限定在2/3以内，设定有7、9、11、13、15 cm，排沙板设计为可伸缩性材质，按照复制比尺最大不超过15 cm，故对比方案设定其高度为6、8、10、12、14 cm，各对比组试验中仅改变单一因素探讨泥沙淤积影响。

2 流量与泥沙粒径对泥沙淤积影响分析

2.1 流量的影响

为分析不同因素对泥沙淤积影响，本文以深泓闸下游、排沙出口端含沙量特征作为评价参数，分析在不同因素设计方案下含沙量变化。图1为不同流量参数下深泓闸下游、排沙设施出口端含沙量变化特征。

从图1中可知，流量参数与含沙量具有负相关关系，即增大上游流量，闸前水流中清沙降淤效果显著，深泓闸下游在上游流量为3 L/s时含沙量为5.03 kg/m3，而流量为6 L/s、9 L/s下该部位含沙量较前者分别减少了23.4%、26.2%，整体上看流量每增大1.5 L/s，深泓闸下游含沙量可降低6.2%。对比深泓闸下游，排沙出口端含沙量高于前者，其各方案中含沙量分布为4.21～6.2 kg/m3，而深泓闸下游含沙量较前者具有差幅11.6%～21.7%。排沙出口端含沙量随上游流量也是递减，特别的流量每增大1.5 L/s，其含沙量降低9.3%，相比深泓闸下游处，其含沙量受流量影响更具显著。分析表明，高流量作用下，水流内泥沙悬浮质沉降较慢，无法有效淤积，因而其冲淤排沙效果显著；另一方面，要从流量方面控制入海口处深泓闸前泥沙淤积，因在排沙设施前增大流量，此时排沙清淤效果才更好［14］。

图1 不同流量参数下含沙量变化特征

2.2 泥沙粒径的影响

根据对不同泥沙粒径研究方案中含沙量分析，可得到深泓闸与排沙设施末端处含沙量变化特征，如图2所示。从图中可看出，泥沙粒径愈大，则在深泓闸下游、排沙设施末端处含沙量愈高，泥沙粒径0.05 mm时排沙设施末端处含沙量为4.79 kg/m3，而粒径0.15 mm、0.25 mm时含沙量较前者分别增大了37.2%、60.1%，当粒径增大0.05 mm，则该排沙渠道设施末端处含沙量可增大12.6%。同理，在深泓闸下游处其含沙量也有一定增高，其含沙量随粒径增长0.05 mm，含沙量递增6.7%。分析认为，泥沙粒径愈大，则水流中泥沙受水力作用逐渐演变成悬浮质沉降关系，导致水流中含沙量水平较高，这也是泥沙粒径对河道中含沙量影响根源。因而，为控制入海口处含沙量，应控制上游水土流失比重，降低过大的泥沙颗粒进入水流中，导致河床水流受水力作用逐渐迁移演变。

图2 不同泥沙粒径下含沙量变化特征

3 水位与排沙设施参数对泥沙淤积影响分析

3.1 水位的影响

根据不同水位下泥沙淤积试验分析，获得深泓闸下游、排沙渠中部处流速变化特征，如图3所示。从图3可知，水位与流速具有正相关关系，当水位愈高，不论是深泓闸下游部位，亦或是排沙渠中部，其流速均为递增，在水位7 cm时渠中部流速为3.33 cm/s，而水位9 cm、13 cm、15 cm时流速较前者分别增长了45%、105.5%、113.3%，整体上看水位增大2 cm，排沙渠中部流速平均可增长21.8%。深泓闸下游处流速水平均高于排沙渠中部，各方案间流速差幅为27.5%～47.6%，表明愈往下游，水流中淤积愈弱，水流畅通性更强，进而流速水平较高。从泥沙清淤效果来看，控制渠道水位状态，可影响排沙渠降淤效果，当渠内水位愈高，则降淤效果愈显著。笔者认为，当水位愈高，则泥沙悬浮沉降速率愈慢，进而其阻流效应愈弱，进而流速水平较高［15-16］。

图3 不同水位下流速变化特征

3.2 排沙板参数的影响

同理，可得排沙板高度参数影响下深泓闸下游、排沙设施末端处流速变化特征，如图4所示。从图中流速变化可知，排沙板高度越大，则流速水平愈高，高度6 cm工况中深泓闸下游流速为3.45 cm/s，而高度8 cm、14 cm时流速水平较前者分别具有差幅9.7%、48.3%，当控制排沙板高度愈大，则排沙渠道淤积高度愈大，反应在水流中含沙量愈低，进而泥沙摩擦、阻流效应较弱，故流速水平较高。在排沙渠道中部处，高度6 cm方案中流速为4.73 cm/s，而排沙板高度每增大2 cm，则深泓闸下游、排沙渠中部处平均增幅分别为14%、9.6%。比较深泓闸下游于排沙设施末端两关键部位可知，各方案中流速差幅为27.1%～38.4%，且深泓闸下游流速受排沙板高度影响敏感度弱于排沙设施末端处。从工程设计角度考虑，排沙板结构高度应在满足结构安全稳定性前提下，其值尽量较高，满足水利设施排沙降淤要求。