氣動沖沙技術在新沂河海口樞紐擋潮閘的應用

陳 犇，丁 磊，丁 躍，楊 帆，楊嘯宇，胡志浪

（1.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210024；2.河海大學港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098；3.江蘇省淮沭新河管理處，江蘇 淮安 223005）

沿海擋潮閘是中國沿海省份重要的水利工程，在沿海地區(qū)防潮抗臺、御鹵蓄淡、排澇泄洪等方面發(fā)揮了重要作用。擋潮閘建成后，河口潮流條件發(fā)生改變，潮波變形，落潮流速降低，水流挾沙能力和含沙量的不對稱，隨漲潮流上溯的懸沙在閘下落淤，導致閘下河道發(fā)生持續(xù)性淤積［1］。淤泥質(zhì)海岸的沿海擋潮閘閘下泥沙淤積問題尤為突出［2］。其中超過80%的中大型擋潮閘建在蘇北海岸、渤海灣及珠江口等淤泥質(zhì)河口。在江蘇入海河口建有約60座擋潮閘，均存在不同程度的淤積問題，近1/3擋潮閘下淤積嚴重。

近年來，許多學者對沿海擋潮閘淤積問題進行了研究，朱建英等［3］通過港道監(jiān)測及排水量資料分析里下河地區(qū)各港道沖淤規(guī)律，分析成果為改進四大港閘調(diào)水沖淤運行、盡可能減輕淤積提供技術依據(jù)；許德智等［4］研究表明拖耙清淤具有效率高、費用低的特點；黃廣勇等［5］分析了鹽城四港港道入海徑流量與閘下港閘沖、淤關系，得出汛期以沖為主、非汛期以淤為主的特點。采用傳統(tǒng)的機械清淤或納潮清淤的傳統(tǒng)方法解決擋潮閘閘下淤積問題，傳統(tǒng)機械清淤當河床底部異物多時，易堵塞耙齒間空隙，使耙齒無法深入土層。而納潮清淤受上游水動力條件、土體淤積強度和現(xiàn)場條件因素影響，枯季清淤效果較差。因此，在河口區(qū)域自然水動力基礎上，學者開始針對羅肇森提出的氣動沖沙法進行物理及數(shù)值模型試驗來探討減淤的實際效果；唐豪［6］基于物理模型試驗和數(shù)值模型試驗數(shù)據(jù)，對氣體引起的緩流水域的流場和湍流動能變化以及泥沙運動進行了研究，發(fā)現(xiàn)泥沙輸移效率與水流流速和進口氣速呈正相關的關系；李海泉［7］對連申線鹽灌船閘下游武障河模型試驗，采用氣動沖沙的方式對引航道出口區(qū)段進行減淤，試驗發(fā)現(xiàn)沖刷后斷面能沖刷至-4.0～-5.0 m；徐進超等［8］利用Fluent 軟件對沉沙池的沖淤情況進行模擬，發(fā)現(xiàn)了在相同條件下采用水射流方式的沖刷影響范圍較大，但采用氣動沖沙的方法清淤效率更高。2020 年南京水利科學研究院在黃河小浪底水庫畛水河口攔門沙采用固定式氣動減淤裝備進行了減淤技術現(xiàn)場示范，試驗期間通過輸送氣體使床面附近水體形成強紊動，試驗點附近含沙量增加明顯，河床高程有所降低，證明了氣動沖沙減淤防淤技術不僅可以增加水體含沙量，還可以改變局部河勢，提高河道輸沙能力［9］。

針對新沂河海口樞紐擋潮閘閘下淤積問題，擬采用自主研發(fā)的氣動沖沙減淤防淤技術在新沂河?？跇屑~擋潮閘進行現(xiàn)場試驗，并進行效果評估，為新沂河海口樞紐未來減淤防淤方案的設置提供科學依據(jù)，對其他地區(qū)解決沿海擋潮閘淤積問題具有十分重要的參考價值。

1 氣動沖沙減淤防淤技術介紹

1.1 氣動沖沙減淤防淤理論

20 世紀末，羅肇森等［10］提出了“氣動沖沙法”，將壓縮后的空氣輸入河床表面并釋放，輔助底沙啟動，防止懸沙落淤，提高水流挾沙能力（圖1）。氣動沖沙減淤防淤技術是河底中加入空氣而形成的氣、流、沙的聯(lián)合運動，是介于氣體、流體和固體三者的邊緣學科。

1.2 水流輸沙模式

水流能量在其運動的過程中，一部分用于克服河床阻力，一部分通過脈動能量懸浮泥沙，另一部分用以輸送底沙。竇國仁［11-12］根據(jù)能量消耗原理，推導得單位水體水流挾沙力S*和底沙單寬輸沙量qsb的關系式如下：

式中：γs和γ分別為泥沙顆粒和水的容重；v為平均流速；vc為用平均流速表示的泥沙起動臨界流速；H為水深；g為重力加速度；w為泥沙顆粒沉速；n為曼寧系數(shù)；C0為無尺度的謝才系數(shù)；K為水流消耗于輸送臨底推移和半懸移底沙的系數(shù)；K1為底沙顆粒在水流作用下的移動速度，泥沙顆粒移動的速度應比水流的速度小，故一般情況下K1＜1。根據(jù)長江、黃河的實測資料和試驗室的資料分析、論證，竇國仁得到公式中的系數(shù)，羅勇等［13］基于竇國仁公式研究水流能量與水流挾沙、輸沙能量之間的關系。通過對黃河調(diào)水調(diào)沙的泥沙實測資料和試驗室的數(shù)據(jù)進行研究發(fā)現(xiàn)，水流總能量僅有12.5%用于輸送臨底泥沙，水流挾沙消耗水流能量的2.3%，而氣體的通入可以有效提升水體的湍動，增大泥沙的上升速度和水流的挾沙能力。

1.3 水槽試驗相關理論

通過水槽試驗明確清水排氣時不同工況下氣體以及對水體表面流速的影響，并建立排氣量與水體表面流速的關系。將氣壓和孔徑轉化為排氣量：

式中：Q氣為排氣量；P氣為氣體壓強；P大氣壓為大氣壓強，取為0.1 MPa；h為噴嘴距離水面的高度；S為排氣口面積；ρ氣為氣體密度，與壓強有關，0.1 MPa 時取為1.242 kg/m3；ρ水為水的密度；g為重力加速度。

表面流速與排氣下游的距離近似呈-1 次方的關系，考慮到流速隨氣壓的增大而增大，且氣壓與排氣量成正比，認為表面流速和排氣量成正比，故暫定表面流速與排氣量和測點和噴嘴的距離的關系大致為

式中：v為下游表面流速；x為氣排噴嘴下游側距離；a為常數(shù)，與排氣角度有關；v0為無排氣時水體表面流速，可由水槽平均流速表示：

式中：Q水為流量；B為水槽寬度；H為水深；β為系數(shù)。

故式（5）可改寫為

考慮到量綱平衡，將噴嘴距離水體表面的高度h帶入式（6），得：

式中，a為未知，其余各參數(shù)為已知量，分90°垂直向下和45°斜向下游兩種，將上述各參數(shù)分別代入后，經(jīng)多次迭代得到較為貼合的a值，其中90°垂直向下取a=9 800，45°斜向下游取a=13 900。

2 氣動沖沙現(xiàn)場試驗方法與方案設置

2.1 研究區(qū)域現(xiàn)狀

新沂河位于江蘇北部（圖2）。上自嶂山閘始，途徑新沂、宿豫、沭陽、灌南、灌云等縣，最后在灌云縣燕尾鎮(zhèn)西南匯入灌河，全長約147 km，是沂沭泗水系的主要排洪入海通道［14］。1997年，新沂河?？跇屑~控制工程采取了挖泓建閘的形式，形成了三灘兩泓的格局。2006年進行擴建，擴建后的新沂河?？诳刂乒こ逃? 座深泓閘組成，泓道兩側建有4 條翼墻。設計時在翼墻上設有引排水孔，在漲落潮時保證翼墻內(nèi)外水壓力一致。漲潮期間，高含沙水體通過翼墻上的引排水孔進入翼墻內(nèi)，由于落潮速度遠慢于漲潮，翼墻內(nèi)水體幾乎靜止，導致大量泥沙落淤（圖3）。翼墻內(nèi)淤積是擋潮閘閘下淤積的重要部分，若淤積高度堵塞引排水孔，將會導致翼墻內(nèi)外在漲落潮期間產(chǎn)生較大水壓力，極大地增加了翼墻的傾覆風險。目前，采用機械挖掘機每2 年進行1 次清淤，單次成本為20 萬元，清淤難度大且成本高。

圖3 翼墻內(nèi)淤積現(xiàn)狀

2.2 氣動沖沙設備

根據(jù)氣動沖沙技術原理，準備的現(xiàn)場試驗設備有空壓機、噴氣管網(wǎng)、起重機和取樣器（圖4）?？諌簷C輸出峰值壓強為0.65 MPa。鋪設底部的噴氣管網(wǎng)的長和寬分別為2 m和1 m，排氣嘴孔徑為1、2、5、10 mm。噴氣管網(wǎng)噴嘴方向與管網(wǎng)的夾角分別為45°和90°兩種。噴嘴數(shù)量為20個，每個噴嘴可以調(diào)節(jié)開關狀態(tài)。試驗過程中在噴氣管網(wǎng)上增加了取樣器，在排氣過程中獲取水體樣本。

圖4 試驗設備

2.3 試驗方案設置

試驗工況參數(shù)設置如表1 所示，工況1～3 研究對比不同排氣方式的減淤效果，工況4～5 研究對比不同噴嘴角度的減淤效果，工況6～9 研究對比不同噴嘴孔徑的防淤效果。

表1 試驗工況

3 結果分析

3.1 減淤效果試驗

3.1.1 不同排氣方式的減淤效果

現(xiàn)場試驗過程中，3種不同氣壓下排氣第5 min渾水團面積如圖5所示。方案1共進行30 min氣動沖沙減淤試驗，0.2 MPa持續(xù)排氣、0.2～0.4 MPa脈沖排氣和0.2～0.65 MPa 脈沖排氣工況下，最大沖沙深度分別達到0.15 m、0.23 m和0.37 m，平均沖沙坑體積分別為0.024 m3、0.055 m3和0.143 m3，沖沙坑總體積分別約為0.2 m3、0.44 m3和1.14 m3。隨著排氣氣壓增大，沖沙坑體積越大，減淤效果越好。

圖5 不同排氣方式的減淤效果（5 min）

3.1.2 不同噴嘴角度的減淤效果

現(xiàn)場試驗過程中，兩種不同噴嘴角度下排氣第20 min渾水團面積如圖6所示。方案2共進行20 min氣動沖沙減淤試驗，噴嘴角度90°和45°持續(xù)排氣工況下，最大沖沙深度分別達到0.31 m和0.25 m，沖沙坑總體積分別約為0.95 m3和1.2 m3。噴嘴角度90°工況下沖沙深度較深，而噴嘴角度45°工況下沖沙坑總體積較大，且在落潮后發(fā)現(xiàn)，45°工況下的沖沙坑面積約為90°工況下的3倍。綜合分析，噴嘴角度90°適用于清淤范圍小且沖淤深度要求較高的情況，而噴嘴角度45°適用于清淤范圍較大且淤積強度中等的情況。

圖6 不同噴嘴角度的減淤效果（20 min）

3.2 防淤效果試驗

研究不同噴嘴孔徑對于閘下防淤效果（圖7），共進行20 min 氣動沖沙防淤試驗。將渾水團面積作為防淤效果評估的重要指標之一，統(tǒng)計不同孔徑下渾水團面積隨時間變化過程（圖8）。防淤試驗的前12 min，渾水團面積與噴嘴孔徑成正比，但隨著時間推移，各噴嘴孔徑下的渾水團面積差越來越小。綜合考慮防淤效果和經(jīng)濟成本，2 mm噴嘴孔徑更適用于日常防淤工作。

圖7 不同孔徑的泥沙防淤效果（5 min）

圖8 渾水團面積隨時間變化情況

4 結論與展望

針對新沂河?？跇屑~擋潮閘閘下淤積問題，采用了氣動沖沙減淤防淤技術進行現(xiàn)場試驗研究，具體結論如下：（1）考慮排氣氣壓和噴嘴角度對閘下減淤效果的影響。結果表明：排氣氣壓與沖沙坑體積成正相關關系；噴嘴角度90°適用于清淤范圍小且沖淤深度要求較高的情況；噴嘴角度45°適用于清淤范圍較大且淤積強度中等的情況。（2）考慮噴嘴孔徑對閘下防淤效果的影響，綜合考慮防淤效果和經(jīng)濟成本，2 mm噴嘴孔徑更適用于日常防淤工作。

氣動沖沙減淤防淤技術通過自動化控制系統(tǒng)使得防淤減淤設備定期排氣，同時能隨潮流變化實現(xiàn)主動清淤，實現(xiàn)潮閘閘下智慧化減淤防淤，該技術運用于沿海擋潮閘閘下減淤防淤的前景十分廣闊。