感潮河口閘沖刷修復后運行調度方案研究
——以龍泉港出海閘為例

2021-11-03 07:25:14鄧群，馬玲

江蘇水利 2021年10期

鄧群，馬玲

(上海市堤防泵閘建設運行中心，上海 200080)

上海地區海岸沿線分布大量的出海閘，閘基多為淤積形成的粉砂或淤泥軟土，其穩定性及抗沖能力低，加之低潮位時閘內外水位差大，外河流速增加，容易造成河道沖刷，嚴重時可能導致水閘及相鄰建筑物失穩[1-3]，出海閘出險情況時有發生。本文以龍泉港出海閘為例，分析感潮河口閘下沖刷破壞機理，總結加固經驗，并在除險加固后開展現場水文試驗，以試驗數據為支撐，結合加固護底及外側灘地不沖流速的計算結果，優化調度方案，確保水閘工程除險加固后安全運行，也可為類似工程提供參考。

龍泉港出海閘位于金山區杭州灣金山嘴東側，于2003年竣工。該工程共3孔，單孔凈寬10 m，設計流量360 m3/s，主要由進水河道、閘室、消力池、海漫及外側出水河道等主要建筑物組成。閘室長20 m，內河側設25 m長的鋼筋混凝土進水池及圓弧翼墻，進水池內河道長為200 m，外海側設長38.5 m的鋼筋混凝土消力池及60 m長的海漫，海漫外由底寬50 m、長220 m導流堤構成導流河渠，起束水防淤、抗沖保灘作用。導流堤外伸出1條長235 m的逐漸擴展的出水槽，保證排澇口門的暢通，防止兩側海塘堤腳受到沖刷破壞。外側出水河道兩側為管樁護岸，采用拋石護底護坡。

近年來，城鎮化加快導致下墊面變化及區域調水需要，龍泉港出海閘作為金山區唯一出海口門，排水頻度加大，運行人員未嚴格按照規程要求操作，水閘實際運行水位差及過閘流量大大超過原設計工況，導致出水河道河床沖刷。根據2017年4月、7月和9月3次測量成果：外海防沖板樁以外30.8 m拋石護灘段出現沖刷，4月份最大沖刷深度為3.39 m，7月份最大沖坑深度為4.13 m，9月份沖刷坑最大深度達5 m，可以看出沖刷在逐步加深，如果不盡快采取除險加固和改善運行工況的措施，將對工程安全及區域防汛安全產生極大影響。

1 沖刷機理及加固方案

1.1 沖刷機理

出海閘地基表層土強度低，抗沖刷能力低，地基土從上往下依次為①2層沖填土、③1層淤泥質粉質黏土、③2層灰色黏土、④層灰色淤泥質黏土、⑤1層灰色淤泥質粉質黏土及⑤2層灰色砂質粉土等。沖刷主要在防沖槽末端導流堤之間的河道。究其原因主要有兩方面：一是過閘水流由于落差大，雖經消力池消能，但動能消除未盡，出消力池后水流仍存在波狀水躍，局部存在折沖水流，導致水流對河床沖刷作用能力增強；二是拋石體趾腳河床被淘刷，導致石頭滾動或滑動的趨勢增強，當塊石量不足時，就導致河槽下切和護岸損壞。

河道沖刷是水流與河道邊界相互作用的結果，作用在河底泥沙顆粒上的作用力Fs與環繞該顆粒周邊的水流有關，且與流速的平方和顆粒截面面積成正比，即，

(1)

式中：Fs為作用在河底泥沙顆粒上的作用力；v為作用在顆粒上的水流流速；d為泥沙顆粒直徑；ρ為水流密度；α為系數；g為水重力加速度。而與之相抵抗的水平力Ts為：

(2)

式中：Ts為作用在河底泥沙顆粒上的水平力；ρs為泥沙顆粒密度。

可以看出，不沖流速與顆粒直徑及摩擦系數的平方根成正比。當摩擦系數取0.4，顆粒直徑為0.5 m時，不沖流速為2.80 m/s；當顆粒直徑為0.05 m時，不沖流速為0.88 m/s；當顆粒直徑為0.005 m時，不沖流速為0.28 m/s。

當拋石下泥沙沖刷，塊石所在支撐點形成斜坡面，繼而拋石在水流作用及下切力作用下，繞著前點傾覆滾動滑落，如圖1所示。

圖1 塊石滾落受力示意圖

設塊石的直徑為d，塊石受到自重及水流作用力，塊石的浮重為：

(3)

式中：W為塊石浮重；ρ為塊石的密度；ρ0為水的密度。

將W分解為順坡向的切向分力T=Wsinθ，垂直于坡面的分力N=Wcosθ(θ為坡面對水平面的傾角)。水流對塊石作用力P的力臂為γ1d，T對點A的轉動力臂為γ2d，N對A點的轉動力臂為d/2。

定義塊石的傾覆系數K為促使塊石傾覆的力矩和抵抗塊石傾覆的力矩的比值，則

(4)

K值越小，塊石越容易傾覆。當作用力P和W一定時，塊石滾落傾覆安全系數取決于γ1和γ2，坡面越陡，γ1和γ2越大，滾落安全系數越小。因此當塊石下泥沙沖刷到一定程度時，形成一定陡坡，塊石滾落，河底河坡直接裸露于水中，直接遭受水流沖刷，如此循環作用，形成沖坑。

1.2 加固方案

本工程水閘加固施工期間需排水運行，不宜斷水施工，常見的水下護坡(底)方案主要有模袋混凝土與合金鋼絲網兜石籠石。表1 為從施工、防沖刷性能、耐久性方面的比選。

表1 護坡(底)加固材質方案比選

考慮到模袋混凝土深水施工難度大，綜合考慮后，采取合金鋼絲網兜石籠進行護坡護底加固。合金鋼絲網籠尺寸為高0.5 m，寬2 m，長度為2 m、3 m、4 m。加固前若不考慮拋石，河底土抗沖流速約0.6～0.7 m/s，加固后合金網籠抗沖流速5.5 m/s，有效提高防沖強度。

根據不同部位的沖刷深度，采取具體加固措施：對于沖刷深度小于0.70 m處，先鋪設復合土工布(380 g/m2)，然后用0.20 m厚袋裝碎石找平，再鋪設復合土工布(380 g/m2)和0.50 m厚合金鋼絲網兜石籠；對沖刷較深處先鋪設復合土工布(380 g/m2)，然后用袋裝碎石找平，上鋪復合土工布(380 g/m2)和0.50 m厚合金鋼絲網兜石籠護到-3.30 m高程。

2 水位流量現場試驗研究

為保障龍泉港出海閘及配套建筑物消力池除險加固后安全運行，需要進一步研究龍泉港出海閘水位流量曲線，掌握不同水位下的流量大小，盡可能減少退潮時高水位落差對閘基的沖刷震動影響。

2.1 水位流量率定

在水閘上游1.0 km處與下游220 m處各設1個測流斷面，流量測驗采用簡易懸索纜道懸吊聲學多普勒流速儀(走航式ADCP)測驗，往返1次為1個測回。有效流量測次共74次，同步實時觀測上、下游水位。三孔閘門全開運行，實測上游水位變幅為1.61～2.49 m，下游水位變幅1.00～2.37 m，實測最大水位差0.64 m，實測流量155 ～332 m3/s。

采用落差法確定水位流量關系曲線。根據實測水位、流量點據及計算水位差采用試錯法，定出下游水位與Qc的關系曲線(擬合公式)及上、下游水位差△Z與流量比Q/Qc的關系曲線(擬合公式)，如圖2、圖3所示。

圖2 閘下游水位ZL與Qc的關系曲線

圖3 閘上下游水位差△Z與流量比Q/Qc的關系曲線

通過分析計算，得龍泉港出海閘淹沒式堰流流量計算公式：

(5)

式中：Q為堰流流量；ZL為下游水位；ΔZ為上下游水位差。

2.2 率定公式與規范公式對比

分別用率定公式與《水閘設計規范》(SL SL 265-2016)公式模擬計算下游水位1.1 m，上游水位2.4 m條件下開閘運行時過閘流量變化過程，計算流量結果對比如圖4，由圖4可知：①水位條件相同時，規范公式計算流量相對率定公式計算流量小，主要是由于實測時，開閘泄水一段時間后，近閘前水位降低、閘后水位相對升高，因此閘前后水位差較開閘瞬時減少；②水位差越小，偏差值越大。說明率定公式更適用于自由出流的堰流，規范公式求解需準確計算堰流流量系數、淹沒系數及側收縮系數等。

圖4 率定公式與規范公式計算結果對比

3 水閘運行調度方案優化

3.1 水閘過閘流量與消能防沖計算

為保證水閘加固后運行安全，需考慮在現有水閘消能工安全的前提下，同時盡可能發揮水閘防洪除澇功能。消能工安全主要在于防止導流堤末端未加固段及現有加固段沖刷，即要求導流堤內加固段最大水流流速不超過合金網兜石籠允許不沖流速5.5 m/s，導流堤外側最大流速不超過現狀河道土不沖流速0.8 m/s。根據前述試驗率定的過流公式，對不同水位組合下水閘過閘流量進行計算，同時根據規范公式計算導流堤內及末端最大流速，計算結果見表2。