曹娥江大闸闸下淤积现状分析及减淤对策初探

杨元平,唐子文,史英标

(浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 研究背景

曹娥江大闸位于钱塘江河口尖山河段右岸支流曹娥江口(见图1),是国家批准实施的重大水利项目,也是浙东引水的重要枢纽工程,无论规模还是泄流量都是我国已建的潮汐河口最大的挡潮闸,被誉为中国乃至亚洲“第一河口大闸”。大闸枢纽主要由挡潮泄洪闸、堵坝、导流堤等组成,闸上河道型水库库容为1.46亿m3,具有御潮、防洪、治涝、水资源开发利用、改善水环境和航运条件等多目标综合效益。工程于2005年12月开工,2009年6月建成。

图1 曹娥江大闸位置示意图

在以海相来沙为主的潮汐河口建闸,闸下淤积问题相当普遍,海河流域35个河口建闸后,22座闸发生严重淤积;江苏沿海修建的58座大中型挡潮闸中,5座基本淤死;浙江省甬江支流姚江建闸后闸下河段及甬江河床也发生严重淤积。潮汐河口干流建闸闸下淤积主要是建闸后潮量减少、潮波变形和改变了径流的时空分布等3个主要原因引起的。对于不同特性河口的建闸问题,淤积的主导因素不尽相同,姚江闸下淤积主要是潮量减少引起的;射阳河口闸下淤积的因素主要是由于潮波变形。鉴于潮汐河口干流上建闸闸下淤积问题难以解决,支流口门处建闸日益受到重视。支流口门处建闸的闸下淤积与干流建闸引起的淤积有着本质的差异,闸下淤积面貌主要取决于干流主槽的摆动。浙江省水利河口研究院在曹娥江大闸枢纽工程前期研究中应用河床演变分析、水槽冲刷试验和现场冲淤试验、整体动床模型试验等手段研究了闸下冲淤面貌。本文在此基础上,根据建闸后试运行期闸下淤积面貌的实测资料,结合钱塘江、曹娥江的实测水文资料和数学模型的计算成果对闸下淤积现状及其影响因素进行了分析,初步探讨了减淤对策,为今后曹娥江大闸的冲淤调度运行提供参考。

2 闸下淤积现状分析

2.1 闸下冲淤现状

挡潮泄洪闸位于曹娥江口门左侧河床上,共28孔,单孔净宽为20.0 m,总净宽560.0 m,分6厢。河床右侧为堵坝,长575.0m,堵坝与挡潮泄洪闸之间为导流堤。试运行 期间曹娥江口外尖山河段主槽靠南岸,闸下河床高程较低。图2为曹娥江闸下典型冲淤形态图,大闸闸下有泄洪冲刷坑,冲刷坑高程普遍在-5.0 m以下,冲刷坑外由水下浅滩与尖山河湾主槽过渡,高程维持在-4.0～-3.0 m。堵坝下游地形中间高周围低,明显高于闸下区域地形,2008—2010年逐渐淤高,高程在-1.0～0.0 m,2012年汛前甚至出现了3.0m以上情况,经2012年钱塘江丰水年汛期冲刷后滩地高程下降。

图2 曹娥江大闸闸下典型冲淤形态图

2.2 泥沙冲淤的影响因素分析

曹娥江口位于尖山河段凹岸顶点附近,闸下泥沙冲淤受钱塘江径流、潮流及曹娥江径流的共同作用。为便于分析钱塘江及曹娥江径流及尖山河段河势对闸下泥沙冲淤的影响,将闸下口门区分成2区 (见图3),1#区为泄洪闸闸下区域,主要分析大闸泄流对泥沙冲淤的影响,2#区在堵坝下。

图3 曹娥江大闸闸下分区图

2.2.1 闸下局部流态

在大闸基本无下泄径流的条件下,闸下流态主要受尖山河段的涨、落潮水流控制。图4为大闸附近涨、落急流场图。从图4可见,在尖山河段北股涨潮流直指曹娥江口门、南岸曹娥江口贴岸潮沟贯通河势条件下,涨潮时水流从曹娥江口右侧流入、左侧流出,口内回流较弱,大潮期闸下涨潮流速较大,发生冲刷,小潮期涨潮流速较小,泥沙淤积;落潮时,闸下1#区域出现明显回流,将会发生淤积。当尖山河段涨潮槽贴南岸在曹娥江口外贯通时,涨潮流顺南岸上溯,在堵坝下游的2#区域形成明显回流,将导致该区域淤积。

2.2.2 受尖山河段主槽位置对闸下冲淤的影响

钱塘江河口尖山河段河床宽浅,海相泥沙丰富,泥沙易冲易淤,主槽摆动频繁,河床冲淤变化剧烈,是一典型的游荡性河道。图5为尖山河段北岸海宁围涂实施以来的深泓线位置历年变化图。1997年至今尖山河段北岸线向南推进约5.5 km,北岸处于河湾的凸岸,加强了弯道环流作用,对控制尖山河段主槽摆动有着深刻的影响。实测地形资料表明,尖山河段治江缩窄围涂后,梅汛期深泓线分为南北2汊,而在非汛期深泓线大都走南,在绍兴至萧山一线基本贴近岸边,成为较稳定的凹岸形势。另据1997年以来3次/a测图分析,丰水年或平水年梅汛期钱塘江径流量大,落水势力强,尖山河段江道易分南、北2汊;枯水年或秋季大潮期末和冬季弱潮期北汊淤塞,仅存南汊,较治江之前北汊长时期维持的情况完全不同,尖山河段的这种演变趋势对曹娥江大闸的闸下泥沙冲淤产生深刻的影响,闸下淤积面貌主要取决于该河段主槽位置。

图4 大闸闸下河段涨、落潮局部流态图

图5 尖山河段汛期和非汛期深泓线位置变化示意图

2004年4月至2010年4月,7 a来尖山河段深泓稳定走南,其中2004—2006年曹娥江大闸距深泓线2.0～3.0 km,2007年之后深泓进一步贴近南岸,2007—2010年曹娥江口门距深泓线仅500.0～1 000.0 m。随着主槽的逐步南移,10多年来曹娥江口外500.0 m内滩地平均高程也降低了近1.0 m。

试运行以来的2009年、2010年,尖山河段主槽距曹娥江口门最远只有600 m。即使在2010年3月、7月洪水期,富春江下泄洪峰日均流量分别出现8 780,8 630 m3/s(期间还有3次洪峰流量大于3 000 m3/s的小洪水),4月、7月、10月实测水下地形资料表明尖山河段主槽仍稳靠南岸,表明钱塘江尖山河段治理后,主槽走南已成定势,为曹娥江大闸的安全运行奠定了基础。

2.2.3 闸下冲淤受大闸泄流和钱塘江径流等因素的影响

2.2.3.1 径流对1#区冲淤影响

(1)1#区泥沙冲淤直接受大闸泄流影响。利用试运行期间的水闸泄流量、闸下冲淤幅度等实测资料,可以分析1#区冲淤幅度与期间大闸泄量、最大下泄流量等因素的多元相关关系。统计结果表明,1#区冲淤幅度与期间大闸下泄水量相关系数R=0.88,与期间最大下泄流量相关系数R=0.95,说明1#区域闸下冲刷与大闸泄水量较好,冲淤幅度与最大下泄流量的关系更为密切。1#区冲淤幅度与大闸下泄水量、最大下泄流量的相关关系见图6。从图6可见,试运行期间1#区冲刷幅度与大闸最大泄流量、泄水量等因素有关,最大泄流量增加1 000 m3/s,冲刷增加约10 cm,泄水量增加1亿m3,冲刷增加约3 cm,这些试运行期间的数据表明闸下冲刷受大闸泄流量的影响较小,其原因可能与闸下冲刷的起始水深较深、冲刷后没有及时测量发生回淤等因素有关。

图6 大闸泄流量与冲刷幅度的相关关系图

但闸下泥沙淤积受大闸泄流影响明显是不争的事实,在无大闸较大下泄流量的条件下,闸下水深在口门外潮汐作用下回淤较快,试运行期间曾出现1#区平均淤积了2.78 m,闸下冲刷坑淤积幅度在5.00 m以上,最大淤积达8.00 m左右,冲刷坑外滩地淤积幅度约1.00 m。

(2)钱塘江径流对1#区泥沙冲淤影响。1#区泥沙冲淤幅度除受大闸泄水直接影响外,还与钱塘江下泄的最大流量密切相关(见图7)。从图7可见,1#区泥沙的冲刷幅度与钱塘江下泄最大流量呈负相关关系,流量增大1 000 m3/s,平均淤积幅度增加约0.83 m。与该河段落潮时闸闸下形成的回流流态有关,落潮时水流携带的泥沙在该区发生回流淤积,从图7中还可看出当流量大于1 000 m3/s时,1#区将发生淤积。

图7 钱塘江泄流量与1#区冲刷幅度的关系图

2.2.3.2 径流对闸下2#区冲淤影响

试运行期实测资料表明,闸下2#区冲淤幅度与钱塘江下泄洪水、澉浦潮差及前期滩地高程等因素有关,采用钱塘江洪峰流量、澉浦平均潮差、前期床面平均高程等指标进行多元相关分析,关系式为:

ΔΖ2=-0.000 380-0.610Z2-2.46ΔH+13.87;相关系数R2=0.96。

式中:ΔΖ2为冲淤厚度,m;为钱塘江洪峰流量,m3/s;Z2为前期2#区床面平均高程,m;ΔH澉浦潮差,m。从相关关系可以看出,钱塘江洪峰流量、澉浦潮差越大,2#区冲刷越大;前期地形越高冲刷越大,前期地形越低淤积越大。

利用上述相关关系计算的2#区冲淤结果见表1。从表1可知,计算精度较高,最大误差0.12 m,表明上述相关关系基本反映2#区的冲淤情况。

表1 2#区冲刷幅度综合计算表

3 减淤对策初探

试运行期间尖山河段主槽靠近曹娥江口,曹娥江大闸闸下淤积问题不明显,当钱塘江出现连续丰水年,要关注尖山河段主槽走势,一旦出现主槽偏离南岸,闸下滩面较宽时,闸下淤积问题就会显现,此时需结合闸上库区水资源综合利用、曹娥江及钱塘江来水等情况适时开闸冲沙,保持闸下泄洪沟槽通畅。主要减淤对策如下:

3.1 优化曹娥江大闸冲淤调度

大闸下泄流量是曹娥江大闸闸下冲刷的主控因素。根据前期已有的研究工作,在闸下出现最不利的淤积状态时,仅依靠有限的水量很难冲出一定规模的潮沟。因此,需进一步优化曹娥江大闸冲淤调度,充分利用汛前雨洪、河网蓄水等水量,采用集中冲淤与经常性维护冲淤的有机结合,即一方面要经常冲刷闸下潮沟,另一方面要充分利用洪水集中下泄,提高冲刷效果。在水流冲刷作用不明显的情况下,汛前可考虑机船拖淤、挖淤,气动清淤等多种工程措施,降低闸下滩地高程,开通闸下泄洪通道。

3.2 曹娥江、钱塘江联合调度

钱塘江径流与闸下冲淤呈负相关关系,是闸下淤积的一个重要影响因素,钱塘江泄洪时,主流顺南岸而下,大闸闸下形成回流区,洪水携带的泥沙淤积在闸下,对大闸泄洪不利。因此大闸冲淤调度应进一步考虑钱塘江径流调度情况,当闸下地形高程较高时,可考虑在钱塘江干流洪峰来临之前开闸冲淤,及时冲通闸下泄洪通道,以免钱塘江干流洪峰到来,闸下水深增大,降低冲刷效果;当闸下高程较低时,可考虑在钱塘江洪水回落时开闸冲刷,及时冲走洪水在闸下的落淤。

4 结 语

(1)支流口门处建闸的闸下淤积面貌主要取决于干流主槽的摆动。钱塘江尖山河段整治后,2004—2009年的连续枯水年期间,主槽稳定趋南,曹娥江口外主槽距南岸均在2 500 m以内,大部分时候紧贴南岸,曹娥江口外基本无边滩。大闸试运行期间主槽距闸下平均412 m,最远600m,河段河势对大闸泄洪排涝有利。

(2)曹娥江大闸闸下冲淤受水闸泄水及钱塘江径流、潮流等众多因素影响。闸下冲刷主要受大闸泄水直接影响,无下泄条件下,闸下滩地高程受尖山河段河势控制。试运行期主槽靠南岸,闸下滩地较低,大闸泄流冲刷效果不明显。

(3)当钱塘江出现连续丰水年时,应关注尖山河段河势,出现闸下淤积的不利情况时,可考虑大闸冲淤调度,充分利用汛前雨洪、河网蓄水等水量,采用集中冲淤和经常性维护冲淤有机结合方式减少闸下淤积。

[1]杨元平,唐子文,郜会彩,等.浙东引水曹娥江大闸工程试运行期间闸下冲淤效果分析评价 [R].杭州:浙江省水利河口研究院,2011.

[2]潘存鸿,卢祥兴,韩海骞,等.曹娥江河口建闸冲淤面貌专题研究 [R].杭州:浙江省水利河口研究院,2002.

[3]潘存鸿,卢祥兴,韩海骞,等.潮汐河口支流建闸闸下淤积研究 [J].海洋工程,2006,24(12):38-44.

[4]潘存鸿,卢祥兴,韩海骞,等.曹娥江河口大闸枢纽可行性研究前期科研工作 [R].杭州:浙江省水利河口研究院,2004.