外秦淮河武定门闸上游减淤物理模型试验

吕升奇，许郑宇，唐洪武，王世昭，陈界仁

(1.河海大学水文水资源及水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210098；2.河海大学水利水电学院，江苏 南京 210098)

水闸发挥着控制下泄流量、保持上下游水位等作用，在平原河道中应用广泛[1]。建闸后，河道上游水动力条件减弱，易在闸上游河道出现泥沙淤积现象，河道淤积导致河床抬高，河道过流能力减弱，水闸正常运行受到不利影响。20世纪末，闸上河道淤积问题开始引起关注，一些学者对闸上淤积成因问题进行了研究。张明光[2]论证了长期关闸运行及回水顶托是造成双台子河闸上游淤积的原因；杨华等[3]认为造成淮阴闸上游引河淤积的主要原因是闸上引河过长以及冲淤水量不足；杨纪伟等[4]的试验结果表明闸前流速的骤减、闸前河型的突变是闸前泥沙淤积的主要原因；刘雅萍等[5]认为造成闸上游河道淤积的主要原因是建闸后闸上壅水，不合理的高水位运行也加重了淤积；王世昭等[6]对南京市外秦淮河武定门闸上游河道淤积成因进行了分析，认为主要在于闸上游弯道及闸前水动力弱。综上可知，导致闸上游淤积的原因主要是闸门的阻水作用、闸前边界的改变以及高水位运行。

在天然河道上，弯曲河道普遍可见，其产生的复杂流动结构对河床保护及河道工程设计提出更高的要求[7]。人们常采用导流墙、丁坝、导流坎等辅助工程措施[8-10]，试图调整、控制弯曲河道内的流态及流速分布，使之在设定距离达到一定要求[11]，此外，合理调控闸门，利用水流冲淤也是比较经济的减淤防淤措施[12]。导流墙可以用来改变水流方向。狄帆[13]对导流墙的数值模拟结果表明，导流墙长度越大，水流所受的扰动越大，偏转角越小，水流对导流墙的冲力越小，越有利于导流墙的稳定；冯民权等[14]研究了导流墙的最佳布置方式及其导流效果，发现多组导流墙组合的方式下导流效果最佳；傅宗甫等[15]认为导流墙顶应露出水面，并提出导流墙合适长度的范围；王世昭等[6]建立了外秦淮河武定门闸上游弯道河段定床物理模型，分析了不同的导流墙布置方案对闸上游流场的影响，提出在弯道下游布置偏转角为15°的导流墙，能够改善弯道河段流态，减小闸前回流区范围，但没有进一步研究导流墙对河道淤积的影响效果。本文在王世昭等[6]的研究基础上，进一步进行武定门闸上游弯道河段悬移质冲淤试验，研究偏转角为15°的导流墙对闸上游河道淤积的影响。

1 武定门闸概况

武定门闸是秦淮河流域的主要控制工程之一，多年平均流量约为38.1 m3/s。闸门为6孔开敞式结构，每孔净宽8 m，底板高程0.30 m，设计排洪流量为450 m3/s[15]。2005年外秦淮河环境综合整治工程结束后，武定门闸上游河道泥沙淤积严重。于2008年4—5月对武定门闸上游河道进行整治清淤，恢复河道设计断面，但由于防冲槽地势较低，清淤河段迅速回淤，河道过流面积减少，水流排泄不畅。针对这一现状，计划通过工程措施减轻闸上游的淤积。研究河段见图1。

图1 武定门闸河段物理模型布置

2 闸上下游河道冲淤变化分析

根据2005—2016年武定门闸河段实测断面地形资料，对河床形态特征、上游河道冲淤量进行了分析。

2.1 河道断面形态变化分析

2008年4月进行的闸上游河道清淤范围为距闸60 m内，即图1中上游CS5断面处至闸门之间，本次选取上游CS3断面(距离闸门40 m)、CS6断面(距离闸门90 m)为代表断面，分别代表清淤范围内及清淤范围外的断面变化情况。由图2可见，2005年上游CS3断面淤积严重，相对于设计断面，左岸淤积厚度达4～6 m，右岸淤积厚度约3 m。2008年4月进行了河道清淤，CS3断面恢复至原设计断面，但至2008年11月，即清淤后6个月，该断面平均淤高约0.3 m，随后从2010年到2016年，该断面左岸持续淤积，年淤积量呈逐渐减小的趋势，右岸出现小幅度的冲刷现象。上游CS6断面位于清淤范围之外，从2005年以来，断面呈逐年淤积状态，2010年后淤积速度放缓，趋于冲淤平衡。

图2 武定门闸上游河段断面历年高程变化

2.2 冲淤量变化分析

表1为武定门闸上游190 m范围内河段冲淤量变化统计，表中正值表示淤积，负值表示冲刷。从表1中可以得知，2005—2016年这12年中，第一次闸前淤积量减少发生在2008年，原因是2008年4月对闸上游60 m范围内进行了清淤，通过挖泥船开挖，恢复至设计断面。清淤量约为11 700 m3，清淤工程结束后，淤积情况得以改善。但是2009—2010年迅速回淤，其中2009年回淤量为3 000 m3，占清淤量的26%。至2010年底，回淤量累计为11 000 m3，接近2008年4月的清淤量，清淤工程效果基本消失。第二次闸前淤积量减少发生在2011年，原因是该年丰水期持续时间较长，水动力较大，对闸上游产生了冲刷作用。第三次闸前淤积量减少发生在2015年，该年淤积减少量仅占2008年淤积减少量的12.7%，原因是近年该河段趋于冲淤平衡。

表1 闸上游河段冲淤量变化统计 103m3

3 物理模型的建立及验证

3.1 模型建立

由于本试验主要研究的内容是悬移质的冲淤问题，故采用定床悬沙试验。根据试验要求，确定武定门闸河段物理模型的上边界为中和桥下游铁路桥处，距离武定门闸820 m，下边界为武定门闸抽水站处，距离武定门闸352 m，总长度约为1 200 m，模型范围如图1所示。河道地形采用2015年10月实测资料，闸上游布置43条断面，闸下游11条断面。模型的平面比尺及垂直比尺均为40∶1，流速比尺为6.32∶1，糙率比尺为1.85∶1，悬沙沉速比尺为6.32∶1，悬沙粒径比尺为0.76∶1。现场取样结果表明，武定门闸河段水样悬移质泥沙中值粒径为0.011 4 mm，需满足泥沙沉降相似及紊动悬浮相似，选取的模型沙为中值粒径0.015 mm的木屑，湿容重1 150 kg/m3。加沙的位置设置在弯道前CS+9断面，距离闸门340 m，试验过程中，通过预先设置的加沙装置在断面上均匀加入高含沙水流，并根据流量变化调整加沙量。试验中利用旋桨流速仪测量断面流速，悬移质含沙量利用采样烘干法确定。

3.2 模型验证

根据2015年10月14—15日武定门闸上游河段水位测量数据对模型进行验证，结果表明模型水位与实测水位最大偏差0.019 m，最大相对误差仅0.26%。对研究河段2015年10月至2016年12月水沙过程进行概化，经过14个月的水沙过程后，对冲淤后的地形进行测量，结果与2016年12月实测地形基本一致(图3)，最大误差0.1 cm，最大相对误差4.0%。验证试验表明模型与原型相似性良好，试验结果能够反映原型的水沙运动规律。

图3 武定门闸上游河段断面地形验证

4 试验结果与分析

4.1 试验工况

为探究偏转角为15°的导流墙对减淤及消除左右两岸淤积不均衡的作用，开展了悬沙试验，在闸上游CS+3断面(距离闸门220 m)沿断面方向布置7个导流墙，长度均为10 m，偏转角度为15°，相邻导流墙间距10 m，导流墙位置见图1，设定以下2种试验方案。

方案1：根据2008年4月河道整治的实际情况设置，将闸门至上游60 m开挖至设计断面，概化2008年5月至2010年12月过闸流量及水位变化，分别在无导流墙和有导流墙2种情况下进行冲淤试验。由于试验时间较长，分成3个阶段完成，第1阶段为2008年5—11月，第2阶段为2008年12月至2009年12月，第3阶段为2010年1—12月。每个阶段完成后进行地形测量，对比分析导流墙的减淤作用，试验要素见表2。

方案2：由于2008年4月河道整治工程实施后闸上游回淤迅速，方案2考虑增大清淤范围，将闸前的整治范围由60 m扩大至240 m，即闸门至导流墙附近区域全部开挖至设计断面，概化典型水文年的流量及水位变化，分别在无导流墙和有导流墙2种情况下进行2个典型水文年的冲淤试验，在试验完成后进行地形测量，对比分析导流墙的减淤作用，试验要素见表3。

4.2 结果分析

方案1实施后的淤积量统计见表4，可见，导流墙并不能消除闸上游的淤积现象，但是能显著减少淤积量。整治段2008年5—11月淤积量减少7.6%，

表2 方案1试验要素

注：闸门开启数为2表示开左岸起第3、4孔；闸门开启数为3表示开左岸起第2、3、4孔。

表3 方案2典型水文年试验要素

注：闸门开启数为2表示开左岸起第3、4孔；闸门开启数为3表示开左岸起第2、3、4孔。

表4 方案1整治段淤积量统计 103m3

2008年12月至2009年12月淤积量减少35.1%，2010年1—12月淤积量减少32.5%。从2008年5月至2010年12月，试验时段2年8个月内，无导流墙时整治段淤积总量为14 390 m3，设置导流墙后，淤积量为10 010 m3，减淤30.4%。

图4～6分别为方案1中3个试验阶段后断面变化情况。由图4可见，2008年5—11月水沙过程后，无导流墙时上游CS1断面(距离闸门20 m)平均淤积0.62 m，设置导流墙后平均淤积0.45 m，减少了27.4%。由图5可见，2008年12月至2009年12月水沙过程后，闸前开始呈现出左岸淤积大于右岸的特征。无导流墙时上游CS1断面左岸平均淤积0.87 m，设置导流墙后，左岸平均淤积0.48 m，减少了44.8%。由图6可见，2010年1—12月水沙过程后，无导流墙时上游CS3断面淤积增幅明显，其中左岸淤积相比第2阶段平均增加0.89 m，而设置15°导流墙后，左岸的淤积相比第2阶段平均增加0.45 m，减少了49.4%。可见，导流墙能明显减少闸前淤积。

图4 方案1第1阶段试验后闸上游断面变化

图5 方案1第2阶段试验后闸上游断面变化

图6 方案1第3阶段试验后闸上游断面地形变化

方案2实施后，经过1个典型水文年，无导流墙时的淤积量为14 240 m3，设置15°导流墙后的淤积量为7 010 m3，二者相比，淤积量减少了50.8%，减淤幅度较大。经过2个典型水文年，无导流墙时的淤积量为21 400 m3，设置15°导流墙后的淤积量为11 980 m3，二者相比，淤积量减少了44.0%，减淤幅度下降，表明随着河床与水流相互作用条件的变化，趋向于形成新的冲淤平衡。

图7 方案2经过2个典型水文年后闸上游断面地形变化

从图7可见，经过2个典型水文年后，闸上游各断面均产生较大淤积，且呈现左岸淤积大于右岸的特征。在无导流墙时，上游CS3断面左侧最大淤积2.63 m，右侧最小淤积1.30 m，相差1.33 m，设置导流墙后该断面左侧最大淤积1.38 m，右侧最小淤积0.88 m，相差0.50 m，该值比无导流墙时减小62.4%，这说明设置导流墙可以在减少淤积量的同时，也减小了断面左右两侧的淤积差别，这是导流墙调整流场的结果，在导流墙的影响下，左岸流速增大，因而淤积量也显著减少。在水流的长期作用下，断面地形趋向于均匀分布，这种变化也有利于形成更为均匀的流场，并使河道的过流能力得到提高。设置导流墙后，各断面平均淤积厚度减小的幅度也不一样，上游CS1断面、CS3断面、CS6断面、CS+1断面(距离闸门180 m)平均淤积厚度分别减小了29.3%、34.8%、50.0%、57.0%，表明导流墙对距离较近的区域减淤效果更好。

5 结 语

根据对2005—2016年武定门闸河段实测地形资料的分析，闸前断面呈逐年淤积状态，造成河道过水断面逐渐减小。为了应对这一问题，进行了武定门闸上游弯道河段悬移质冲淤试验，设定2种淤泥开挖方案研究偏转角为15°的导流墙对闸上游河道淤积的影响。试验结果表明，设置偏转角为15°的导流墙对武定门闸上游河道淤积有显著的减淤作用，有助于提高河道的过流能力。