气动冲沙技术在新沂河海口枢纽挡潮闸的应用

陈 犇，丁 磊，丁 跃，杨 帆，杨啸宇，胡志浪

（1.南京水利科学研究院，江苏 南京 210024；2.河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098；3.江苏省淮沭新河管理处，江苏 淮安 223005）

沿海挡潮闸是中国沿海省份重要的水利工程，在沿海地区防潮抗台、御卤蓄淡、排涝泄洪等方面发挥了重要作用。挡潮闸建成后，河口潮流条件发生改变，潮波变形，落潮流速降低，水流挟沙能力和含沙量的不对称，随涨潮流上溯的悬沙在闸下落淤，导致闸下河道发生持续性淤积［1］。淤泥质海岸的沿海挡潮闸闸下泥沙淤积问题尤为突出［2］。其中超过80%的中大型挡潮闸建在苏北海岸、渤海湾及珠江口等淤泥质河口。在江苏入海河口建有约60座挡潮闸，均存在不同程度的淤积问题，近1/3挡潮闸下淤积严重。

近年来，许多学者对沿海挡潮闸淤积问题进行了研究，朱建英等［3］通过港道监测及排水量资料分析里下河地区各港道冲淤规律，分析成果为改进四大港闸调水冲淤运行、尽可能减轻淤积提供技术依据；许德智等［4］研究表明拖耙清淤具有效率高、费用低的特点；黄广勇等［5］分析了盐城四港港道入海径流量与闸下港闸冲、淤关系，得出汛期以冲为主、非汛期以淤为主的特点。采用传统的机械清淤或纳潮清淤的传统方法解决挡潮闸闸下淤积问题，传统机械清淤当河床底部异物多时，易堵塞耙齿间空隙，使耙齿无法深入土层。而纳潮清淤受上游水动力条件、土体淤积强度和现场条件因素影响，枯季清淤效果较差。因此，在河口区域自然水动力基础上，学者开始针对罗肇森提出的气动冲沙法进行物理及数值模型试验来探讨减淤的实际效果；唐豪［6］基于物理模型试验和数值模型试验数据，对气体引起的缓流水域的流场和湍流动能变化以及泥沙运动进行了研究，发现泥沙输移效率与水流流速和进口气速呈正相关的关系；李海泉［7］对连申线盐灌船闸下游武障河模型试验，采用气动冲沙的方式对引航道出口区段进行减淤，试验发现冲刷后断面能冲刷至-4.0～-5.0 m；徐进超等［8］利用Fluent 软件对沉沙池的冲淤情况进行模拟，发现了在相同条件下采用水射流方式的冲刷影响范围较大，但采用气动冲沙的方法清淤效率更高。2020 年南京水利科学研究院在黄河小浪底水库畛水河口拦门沙采用固定式气动减淤装备进行了减淤技术现场示范，试验期间通过输送气体使床面附近水体形成强紊动，试验点附近含沙量增加明显，河床高程有所降低，证明了气动冲沙减淤防淤技术不仅可以增加水体含沙量，还可以改变局部河势，提高河道输沙能力［9］。

针对新沂河海口枢纽挡潮闸闸下淤积问题，拟采用自主研发的气动冲沙减淤防淤技术在新沂河海口枢纽挡潮闸进行现场试验，并进行效果评估，为新沂河海口枢纽未来减淤防淤方案的设置提供科学依据，对其他地区解决沿海挡潮闸淤积问题具有十分重要的参考价值。

1 气动冲沙减淤防淤技术介绍

1.1 气动冲沙减淤防淤理论

20 世纪末，罗肇森等［10］提出了“气动冲沙法”，将压缩后的空气输入河床表面并释放，辅助底沙启动，防止悬沙落淤，提高水流挟沙能力（图1）。气动冲沙减淤防淤技术是河底中加入空气而形成的气、流、沙的联合运动，是介于气体、流体和固体三者的边缘学科。

1.2 水流输沙模式

水流能量在其运动的过程中，一部分用于克服河床阻力，一部分通过脉动能量悬浮泥沙，另一部分用以输送底沙。窦国仁［11-12］根据能量消耗原理，推导得单位水体水流挟沙力S*和底沙单宽输沙量qsb的关系式如下：

式中：γs和γ分别为泥沙颗粒和水的容重；v为平均流速；vc为用平均流速表示的泥沙起动临界流速；H为水深；g为重力加速度；w为泥沙颗粒沉速；n为曼宁系数；C0为无尺度的谢才系数；K为水流消耗于输送临底推移和半悬移底沙的系数；K1为底沙颗粒在水流作用下的移动速度，泥沙颗粒移动的速度应比水流的速度小，故一般情况下K1＜1。根据长江、黄河的实测资料和试验室的资料分析、论证，窦国仁得到公式中的系数，罗勇等［13］基于窦国仁公式研究水流能量与水流挟沙、输沙能量之间的关系。通过对黄河调水调沙的泥沙实测资料和试验室的数据进行研究发现，水流总能量仅有12.5%用于输送临底泥沙，水流挟沙消耗水流能量的2.3%，而气体的通入可以有效提升水体的湍动，增大泥沙的上升速度和水流的挟沙能力。

1.3 水槽试验相关理论

通过水槽试验明确清水排气时不同工况下气体以及对水体表面流速的影响，并建立排气量与水体表面流速的关系。将气压和孔径转化为排气量：

式中：Q气为排气量；P气为气体压强；P大气压为大气压强，取为0.1 MPa；h为喷嘴距离水面的高度；S为排气口面积；ρ气为气体密度，与压强有关，0.1 MPa 时取为1.242 kg/m3；ρ水为水的密度；g为重力加速度。

表面流速与排气下游的距离近似呈-1 次方的关系，考虑到流速随气压的增大而增大，且气压与排气量成正比，认为表面流速和排气量成正比，故暂定表面流速与排气量和测点和喷嘴的距离的关系大致为

式中：v为下游表面流速；x为气排喷嘴下游侧距离；a为常数，与排气角度有关；v0为无排气时水体表面流速，可由水槽平均流速表示：

式中：Q水为流量；B为水槽宽度；H为水深；β为系数。

故式（5）可改写为

考虑到量纲平衡，将喷嘴距离水体表面的高度h带入式（6），得：

式中，a为未知，其余各参数为已知量，分90°垂直向下和45°斜向下游两种，将上述各参数分别代入后，经多次迭代得到较为贴合的a值，其中90°垂直向下取a=9 800，45°斜向下游取a=13 900。

2 气动冲沙现场试验方法与方案设置

2.1 研究区域现状

新沂河位于江苏北部（图2）。上自嶂山闸始，途径新沂、宿豫、沭阳、灌南、灌云等县，最后在灌云县燕尾镇西南汇入灌河，全长约147 km，是沂沭泗水系的主要排洪入海通道［14］。1997年，新沂河海口枢纽控制工程采取了挖泓建闸的形式，形成了三滩两泓的格局。2006年进行扩建，扩建后的新沂河海口控制工程由3 座深泓闸组成，泓道两侧建有4 条翼墙。设计时在翼墙上设有引排水孔，在涨落潮时保证翼墙内外水压力一致。涨潮期间，高含沙水体通过翼墙上的引排水孔进入翼墙内，由于落潮速度远慢于涨潮，翼墙内水体几乎静止，导致大量泥沙落淤（图3）。翼墙内淤积是挡潮闸闸下淤积的重要部分，若淤积高度堵塞引排水孔，将会导致翼墙内外在涨落潮期间产生较大水压力，极大地增加了翼墙的倾覆风险。目前，采用机械挖掘机每2 年进行1 次清淤，单次成本为20 万元，清淤难度大且成本高。

图3 翼墙内淤积现状

2.2 气动冲沙设备

根据气动冲沙技术原理，准备的现场试验设备有空压机、喷气管网、起重机和取样器（图4）。空压机输出峰值压强为0.65 MPa。铺设底部的喷气管网的长和宽分别为2 m和1 m，排气嘴孔径为1、2、5、10 mm。喷气管网喷嘴方向与管网的夹角分别为45°和90°两种。喷嘴数量为20个，每个喷嘴可以调节开关状态。试验过程中在喷气管网上增加了取样器，在排气过程中获取水体样本。

图4 试验设备

2.3 试验方案设置

试验工况参数设置如表1 所示，工况1～3 研究对比不同排气方式的减淤效果，工况4～5 研究对比不同喷嘴角度的减淤效果，工况6～9 研究对比不同喷嘴孔径的防淤效果。

表1 试验工况

3 结果分析

3.1 减淤效果试验

3.1.1 不同排气方式的减淤效果

现场试验过程中，3种不同气压下排气第5 min浑水团面积如图5所示。方案1共进行30 min气动冲沙减淤试验，0.2 MPa持续排气、0.2～0.4 MPa脉冲排气和0.2～0.65 MPa 脉冲排气工况下，最大冲沙深度分别达到0.15 m、0.23 m和0.37 m，平均冲沙坑体积分别为0.024 m3、0.055 m3和0.143 m3，冲沙坑总体积分别约为0.2 m3、0.44 m3和1.14 m3。随着排气气压增大，冲沙坑体积越大，减淤效果越好。

图5 不同排气方式的减淤效果（5 min）

3.1.2 不同喷嘴角度的减淤效果

现场试验过程中，两种不同喷嘴角度下排气第20 min浑水团面积如图6所示。方案2共进行20 min气动冲沙减淤试验，喷嘴角度90°和45°持续排气工况下，最大冲沙深度分别达到0.31 m和0.25 m，冲沙坑总体积分别约为0.95 m3和1.2 m3。喷嘴角度90°工况下冲沙深度较深，而喷嘴角度45°工况下冲沙坑总体积较大，且在落潮后发现，45°工况下的冲沙坑面积约为90°工况下的3倍。综合分析，喷嘴角度90°适用于清淤范围小且冲淤深度要求较高的情况，而喷嘴角度45°适用于清淤范围较大且淤积强度中等的情况。

图6 不同喷嘴角度的减淤效果（20 min）

3.2 防淤效果试验

研究不同喷嘴孔径对于闸下防淤效果（图7），共进行20 min 气动冲沙防淤试验。将浑水团面积作为防淤效果评估的重要指标之一，统计不同孔径下浑水团面积随时间变化过程（图8）。防淤试验的前12 min，浑水团面积与喷嘴孔径成正比，但随着时间推移，各喷嘴孔径下的浑水团面积差越来越小。综合考虑防淤效果和经济成本，2 mm喷嘴孔径更适用于日常防淤工作。

图7 不同孔径的泥沙防淤效果（5 min）

图8 浑水团面积随时间变化情况

4 结论与展望

针对新沂河海口枢纽挡潮闸闸下淤积问题，采用了气动冲沙减淤防淤技术进行现场试验研究，具体结论如下：（1）考虑排气气压和喷嘴角度对闸下减淤效果的影响。结果表明：排气气压与冲沙坑体积成正相关关系；喷嘴角度90°适用于清淤范围小且冲淤深度要求较高的情况；喷嘴角度45°适用于清淤范围较大且淤积强度中等的情况。（2）考虑喷嘴孔径对闸下防淤效果的影响，综合考虑防淤效果和经济成本，2 mm喷嘴孔径更适用于日常防淤工作。

气动冲沙减淤防淤技术通过自动化控制系统使得防淤减淤设备定期排气，同时能随潮流变化实现主动清淤，实现潮闸闸下智慧化减淤防淤，该技术运用于沿海挡潮闸闸下减淤防淤的前景十分广阔。