呂升奇，許鄭宇，唐洪武，王世昭，陳界仁

(1.河海大學(xué)水文水資源及水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098)

水閘發(fā)揮著控制下泄流量、保持上下游水位等作用，在平原河道中應(yīng)用廣泛[1]。建閘后，河道上游水動力條件減弱，易在閘上游河道出現(xiàn)泥沙淤積現(xiàn)象，河道淤積導(dǎo)致河床抬高，河道過流能力減弱，水閘正常運(yùn)行受到不利影響。20世紀(jì)末，閘上河道淤積問題開始引起關(guān)注，一些學(xué)者對閘上淤積成因問題進(jìn)行了研究。張明光[2]論證了長期關(guān)閘運(yùn)行及回水頂托是造成雙臺子河閘上游淤積的原因；楊華等[3]認(rèn)為造成淮陰閘上游引河淤積的主要原因是閘上引河過長以及沖淤水量不足；楊紀(jì)偉等[4]的試驗(yàn)結(jié)果表明閘前流速的驟減、閘前河型的突變是閘前泥沙淤積的主要原因；劉雅萍等[5]認(rèn)為造成閘上游河道淤積的主要原因是建閘后閘上壅水，不合理的高水位運(yùn)行也加重了淤積；王世昭等[6]對南京市外秦淮河武定門閘上游河道淤積成因進(jìn)行了分析，認(rèn)為主要在于閘上游彎道及閘前水動力弱。綜上可知，導(dǎo)致閘上游淤積的原因主要是閘門的阻水作用、閘前邊界的改變以及高水位運(yùn)行。

在天然河道上，彎曲河道普遍可見，其產(chǎn)生的復(fù)雜流動結(jié)構(gòu)對河床保護(hù)及河道工程設(shè)計(jì)提出更高的要求[7]。人們常采用導(dǎo)流墻、丁壩、導(dǎo)流坎等輔助工程措施[8-10]，試圖調(diào)整、控制彎曲河道內(nèi)的流態(tài)及流速分布，使之在設(shè)定距離達(dá)到一定要求[11]，此外，合理調(diào)控閘門，利用水流沖淤也是比較經(jīng)濟(jì)的減淤防淤措施[12]。導(dǎo)流墻可以用來改變水流方向。狄帆[13]對導(dǎo)流墻的數(shù)值模擬結(jié)果表明，導(dǎo)流墻長度越大，水流所受的擾動越大，偏轉(zhuǎn)角越小，水流對導(dǎo)流墻的沖力越小，越有利于導(dǎo)流墻的穩(wěn)定；馮民權(quán)等[14]研究了導(dǎo)流墻的最佳布置方式及其導(dǎo)流效果，發(fā)現(xiàn)多組導(dǎo)流墻組合的方式下導(dǎo)流效果最佳；傅宗甫等[15]認(rèn)為導(dǎo)流墻頂應(yīng)露出水面，并提出導(dǎo)流墻合適長度的范圍；王世昭等[6]建立了外秦淮河武定門閘上游彎道河段定床物理模型，分析了不同的導(dǎo)流墻布置方案對閘上游流場的影響，提出在彎道下游布置偏轉(zhuǎn)角為15°的導(dǎo)流墻，能夠改善彎道河段流態(tài)，減小閘前回流區(qū)范圍，但沒有進(jìn)一步研究導(dǎo)流墻對河道淤積的影響效果。本文在王世昭等[6]的研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步進(jìn)行武定門閘上游彎道河段懸移質(zhì)沖淤試驗(yàn)，研究偏轉(zhuǎn)角為15°的導(dǎo)流墻對閘上游河道淤積的影響。

1 武定門閘概況

武定門閘是秦淮河流域的主要控制工程之一，多年平均流量約為38.1 m3/s。閘門為6孔開敞式結(jié)構(gòu)，每孔凈寬8 m，底板高程0.30 m，設(shè)計(jì)排洪流量為450 m3/s[15]。2005年外秦淮河環(huán)境綜合整治工程結(jié)束后，武定門閘上游河道泥沙淤積嚴(yán)重。于2008年4—5月對武定門閘上游河道進(jìn)行整治清淤，恢復(fù)河道設(shè)計(jì)斷面，但由于防沖槽地勢較低，清淤河段迅速回淤，河道過流面積減少，水流排泄不暢。針對這一現(xiàn)狀，計(jì)劃通過工程措施減輕閘上游的淤積。研究河段見圖1。

圖1 武定門閘河段物理模型布置

2 閘上下游河道沖淤變化分析

根據(jù)2005—2016年武定門閘河段實(shí)測斷面地形資料，對河床形態(tài)特征、上游河道沖淤量進(jìn)行了分析。

2.1 河道斷面形態(tài)變化分析

2008年4月進(jìn)行的閘上游河道清淤范圍為距閘60 m內(nèi)，即圖1中上游CS5斷面處至閘門之間，本次選取上游CS3斷面(距離閘門40 m)、CS6斷面(距離閘門90 m)為代表斷面，分別代表清淤范圍內(nèi)及清淤范圍外的斷面變化情況。由圖2可見，2005年上游CS3斷面淤積嚴(yán)重，相對于設(shè)計(jì)斷面，左岸淤積厚度達(dá)4～6 m，右岸淤積厚度約3 m。2008年4月進(jìn)行了河道清淤，CS3斷面恢復(fù)至原設(shè)計(jì)斷面，但至2008年11月，即清淤后6個月，該斷面平均淤高約0.3 m，隨后從2010年到2016年，該斷面左岸持續(xù)淤積，年淤積量呈逐漸減小的趨勢，右岸出現(xiàn)小幅度的沖刷現(xiàn)象。上游CS6斷面位于清淤范圍之外，從2005年以來，斷面呈逐年淤積狀態(tài)，2010年后淤積速度放緩，趨于沖淤平衡。

圖2 武定門閘上游河段斷面歷年高程變化

2.2 沖淤量變化分析

表1為武定門閘上游190 m范圍內(nèi)河段沖淤量變化統(tǒng)計(jì)，表中正值表示淤積，負(fù)值表示沖刷。從表1中可以得知，2005—2016年這12年中，第一次閘前淤積量減少發(fā)生在2008年，原因是2008年4月對閘上游60 m范圍內(nèi)進(jìn)行了清淤，通過挖泥船開挖，恢復(fù)至設(shè)計(jì)斷面。清淤量約為11 700 m3，清淤工程結(jié)束后，淤積情況得以改善。但是2009—2010年迅速回淤，其中2009年回淤量為3 000 m3，占清淤量的26%。至2010年底，回淤量累計(jì)為11 000 m3，接近2008年4月的清淤量，清淤工程效果基本消失。第二次閘前淤積量減少發(fā)生在2011年，原因是該年豐水期持續(xù)時間較長，水動力較大，對閘上游產(chǎn)生了沖刷作用。第三次閘前淤積量減少發(fā)生在2015年，該年淤積減少量僅占2008年淤積減少量的12.7%，原因是近年該河段趨于沖淤平衡。

表1 閘上游河段沖淤量變化統(tǒng)計(jì) 103m3

3 物理模型的建立及驗(yàn)證

3.1 模型建立

由于本試驗(yàn)主要研究的內(nèi)容是懸移質(zhì)的沖淤問題，故采用定床懸沙試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)要求，確定武定門閘河段物理模型的上邊界為中和橋下游鐵路橋處，距離武定門閘820 m，下邊界為武定門閘抽水站處，距離武定門閘352 m，總長度約為1 200 m，模型范圍如圖1所示。河道地形采用2015年10月實(shí)測資料，閘上游布置43條斷面，閘下游11條斷面。模型的平面比尺及垂直比尺均為40∶1，流速比尺為6.32∶1，糙率比尺為1.85∶1，懸沙沉速比尺為6.32∶1，懸沙粒徑比尺為0.76∶1。現(xiàn)場取樣結(jié)果表明，武定門閘河段水樣懸移質(zhì)泥沙中值粒徑為0.011 4 mm，需滿足泥沙沉降相似及紊動懸浮相似，選取的模型沙為中值粒徑0.015 mm的木屑，濕容重1 150 kg/m3。加沙的位置設(shè)置在彎道前CS+9斷面，距離閘門340 m，試驗(yàn)過程中，通過預(yù)先設(shè)置的加沙裝置在斷面上均勻加入高含沙水流，并根據(jù)流量變化調(diào)整加沙量。試驗(yàn)中利用旋槳流速儀測量斷面流速，懸移質(zhì)含沙量利用采樣烘干法確定。

3.2 模型驗(yàn)證

根據(jù)2015年10月14—15日武定門閘上游河段水位測量數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明模型水位與實(shí)測水位最大偏差0.019 m，最大相對誤差僅0.26%。對研究河段2015年10月至2016年12月水沙過程進(jìn)行概化，經(jīng)過14個月的水沙過程后，對沖淤后的地形進(jìn)行測量，結(jié)果與2016年12月實(shí)測地形基本一致(圖3)，最大誤差0.1 cm，最大相對誤差4.0%。驗(yàn)證試驗(yàn)表明模型與原型相似性良好，試驗(yàn)結(jié)果能夠反映原型的水沙運(yùn)動規(guī)律。

圖3 武定門閘上游河段斷面地形驗(yàn)證

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 試驗(yàn)工況

為探究偏轉(zhuǎn)角為15°的導(dǎo)流墻對減淤及消除左右兩岸淤積不均衡的作用，開展了懸沙試驗(yàn)，在閘上游CS+3斷面(距離閘門220 m)沿?cái)嗝娣较虿贾?個導(dǎo)流墻，長度均為10 m，偏轉(zhuǎn)角度為15°，相鄰導(dǎo)流墻間距10 m，導(dǎo)流墻位置見圖1，設(shè)定以下2種試驗(yàn)方案。

方案1：根據(jù)2008年4月河道整治的實(shí)際情況設(shè)置，將閘門至上游60 m開挖至設(shè)計(jì)斷面，概化2008年5月至2010年12月過閘流量及水位變化，分別在無導(dǎo)流墻和有導(dǎo)流墻2種情況下進(jìn)行沖淤試驗(yàn)。由于試驗(yàn)時間較長，分成3個階段完成，第1階段為2008年5—11月，第2階段為2008年12月至2009年12月，第3階段為2010年1—12月。每個階段完成后進(jìn)行地形測量，對比分析導(dǎo)流墻的減淤作用，試驗(yàn)要素見表2。

方案2：由于2008年4月河道整治工程實(shí)施后閘上游回淤迅速，方案2考慮增大清淤范圍，將閘前的整治范圍由60 m擴(kuò)大至240 m，即閘門至導(dǎo)流墻附近區(qū)域全部開挖至設(shè)計(jì)斷面，概化典型水文年的流量及水位變化，分別在無導(dǎo)流墻和有導(dǎo)流墻2種情況下進(jìn)行2個典型水文年的沖淤試驗(yàn)，在試驗(yàn)完成后進(jìn)行地形測量，對比分析導(dǎo)流墻的減淤作用，試驗(yàn)要素見表3。

4.2 結(jié)果分析

方案1實(shí)施后的淤積量統(tǒng)計(jì)見表4，可見，導(dǎo)流墻并不能消除閘上游的淤積現(xiàn)象，但是能顯著減少淤積量。整治段2008年5—11月淤積量減少7.6%，

表2 方案1試驗(yàn)要素

注：閘門開啟數(shù)為2表示開左岸起第3、4孔；閘門開啟數(shù)為3表示開左岸起第2、3、4孔。

表3 方案2典型水文年試驗(yàn)要素

注：閘門開啟數(shù)為2表示開左岸起第3、4孔；閘門開啟數(shù)為3表示開左岸起第2、3、4孔。

表4 方案1整治段淤積量統(tǒng)計(jì) 103m3

2008年12月至2009年12月淤積量減少35.1%，2010年1—12月淤積量減少32.5%。從2008年5月至2010年12月，試驗(yàn)時段2年8個月內(nèi)，無導(dǎo)流墻時整治段淤積總量為14 390 m3，設(shè)置導(dǎo)流墻后，淤積量為10 010 m3，減淤30.4%。

圖4～6分別為方案1中3個試驗(yàn)階段后斷面變化情況。由圖4可見，2008年5—11月水沙過程后，無導(dǎo)流墻時上游CS1斷面(距離閘門20 m)平均淤積0.62 m，設(shè)置導(dǎo)流墻后平均淤積0.45 m，減少了27.4%。由圖5可見，2008年12月至2009年12月水沙過程后，閘前開始呈現(xiàn)出左岸淤積大于右岸的特征。無導(dǎo)流墻時上游CS1斷面左岸平均淤積0.87 m，設(shè)置導(dǎo)流墻后，左岸平均淤積0.48 m，減少了44.8%。由圖6可見，2010年1—12月水沙過程后，無導(dǎo)流墻時上游CS3斷面淤積增幅明顯，其中左岸淤積相比第2階段平均增加0.89 m，而設(shè)置15°導(dǎo)流墻后，左岸的淤積相比第2階段平均增加0.45 m，減少了49.4%。可見，導(dǎo)流墻能明顯減少閘前淤積。

圖4 方案1第1階段試驗(yàn)后閘上游斷面變化

圖5 方案1第2階段試驗(yàn)后閘上游斷面變化

圖6 方案1第3階段試驗(yàn)后閘上游斷面地形變化

方案2實(shí)施后，經(jīng)過1個典型水文年，無導(dǎo)流墻時的淤積量為14 240 m3，設(shè)置15°導(dǎo)流墻后的淤積量為7 010 m3，二者相比，淤積量減少了50.8%，減淤幅度較大。經(jīng)過2個典型水文年，無導(dǎo)流墻時的淤積量為21 400 m3，設(shè)置15°導(dǎo)流墻后的淤積量為11 980 m3，二者相比，淤積量減少了44.0%，減淤幅度下降，表明隨著河床與水流相互作用條件的變化，趨向于形成新的沖淤平衡。

圖7 方案2經(jīng)過2個典型水文年后閘上游斷面地形變化

從圖7可見，經(jīng)過2個典型水文年后，閘上游各斷面均產(chǎn)生較大淤積，且呈現(xiàn)左岸淤積大于右岸的特征。在無導(dǎo)流墻時，上游CS3斷面左側(cè)最大淤積2.63 m，右側(cè)最小淤積1.30 m，相差1.33 m，設(shè)置導(dǎo)流墻后該斷面左側(cè)最大淤積1.38 m，右側(cè)最小淤積0.88 m，相差0.50 m，該值比無導(dǎo)流墻時減小62.4%，這說明設(shè)置導(dǎo)流墻可以在減少淤積量的同時，也減小了斷面左右兩側(cè)的淤積差別，這是導(dǎo)流墻調(diào)整流場的結(jié)果，在導(dǎo)流墻的影響下，左岸流速增大，因而淤積量也顯著減少。在水流的長期作用下，斷面地形趨向于均勻分布，這種變化也有利于形成更為均勻的流場，并使河道的過流能力得到提高。設(shè)置導(dǎo)流墻后，各斷面平均淤積厚度減小的幅度也不一樣，上游CS1斷面、CS3斷面、CS6斷面、CS+1斷面(距離閘門180 m)平均淤積厚度分別減小了29.3%、34.8%、50.0%、57.0%，表明導(dǎo)流墻對距離較近的區(qū)域減淤效果更好。

5 結(jié) 語

根據(jù)對2005—2016年武定門閘河段實(shí)測地形資料的分析，閘前斷面呈逐年淤積狀態(tài)，造成河道過水?dāng)嗝嬷饾u減小。為了應(yīng)對這一問題，進(jìn)行了武定門閘上游彎道河段懸移質(zhì)沖淤試驗(yàn)，設(shè)定2種淤泥開挖方案研究偏轉(zhuǎn)角為15°的導(dǎo)流墻對閘上游河道淤積的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)置偏轉(zhuǎn)角為15°的導(dǎo)流墻對武定門閘上游河道淤積有顯著的減淤作用，有助于提高河道的過流能力。