围垦工程中几个水力学问题的探讨

包中进,王 斌,徐 岗

(浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 问题的提出

浙江省人多地少,用地矛盾十分突出,滩涂围垦已成为解决这一矛盾的重要途径,规划围垦面积约10万km2/a。随着“十二五” 《浙江海洋经济发展示范区规划》的批复,作为海洋经济发展表现形式之一的滩涂围垦工程越来越彰显其重要性。

但在围垦工程实施中也发现,随着工程规模、排涝规模的逐渐扩大,排涝闸净宽及闸室数量随之增多,围区及其周边的河道等水系布局趋于复杂,闸下水流冲淤防护难度更大,水力学问题更加突出。合理确定围区规划水系的配套水闸规模、整体排涝布局、排涝闸闸下消能工布置,以及口门防冲保护、预防闸下淤积等,是目前常遇的技术问题。

其中瓯飞滩围垦工程就是最典型的工程。温州市瓯飞滩涂地处浙江东南沿海,属于瓯江与飞云江河口口外区域,距温州市中心仅40 km左右。围区南、北边界分别为飞云江及瓯江河口边界的外延线,瓯飞滩岸线平直,理论深度基面(1985国家高程基准-3.35 m)以上滩地面积约1.333万hm2(20万亩),其中一期围垦位于瓯飞高滩区域范围,围垦面积约0.900万hm2(13.5万亩),是迄今为止浙江省乃至全国范围内围垦规模较大的工程之一,工程位置示意见图1[1]。

瓯飞一期围垦工程规划前期围区排涝布局比较方案共2个,一是布置5座水闸,分别是南1#、北1#、南2#、北2#以及瓯飞大闸,总排涝净宽352 m;二是布置6座水闸,为南1#、北1#、南2#、北2#以及东1#和东2#闸,总排涝净宽360 m。其中,南1#、北1#闸排涝标准按50 a一遇设计,南2#、北2#闸以及东1#、东2#闸排涝标准按照围区内河网10 a一遇洪水标准设计。工程平面布置见图2、3。根据设计,围垦工程实施分水产养殖期、中期农业期、远期城建期(分贯通和不贯通)3个阶段(养殖期及农业期东西片水系独立,围区(西片)控制正常水位分别为-0.5,1.8m,东西片以中央横河为界)[2]。

图1 工程位置示意图

图2 方案1排涝布置图

图3 方案2排涝布置图

2 研究方法

本文采用典型水闸整体水工模型和平面二维水流数学模型相结合的方法,对围区排涝规划及水闸设计中存在的几个水力学问题进行了研究,其中水工物理模型侧重于典型水闸的局部水力条件及冲淤试验,数学模型侧重于整体规划布局的分析研究,2种研究方法相互补充,使研究结果更加科学完善。

2.1 整体水工模型

整体水工模型试验选取东2#闸和南2#闸作为典型水闸,模型按重力相似准则设计,根据试验研究内容及场地要求等,整体模型几何比尺Lr=50。闸上河道模拟0.50 km以上,闸下约0.30 km,左右宽度约0.5 km。并在闸轴线上游50,150,250 m等处均布置了上游水尺,下游水尺布置在闸轴线下游150 m处。口门动床试验以及闸下冲淤试验采用天然砂作为模型沙,按照起动相似要求选沙。

2.2 平面二维水流数学模型

由于计算区域范围较大、水动力条件复杂、涉水建筑物较多,并需要考虑水闸调度运行等因素,平面二维数学模型采用自主开发的基于三角形网格的有限体积模式,该模型具有网格布置灵活、局部加密方便、适用性强、能够模拟水闸等泄水建筑物调度运行等特点。

(1)基本方程。

(2)模型范围。数学模型主要模拟了围垦整体规划水系,上游客水边界模拟至工程临近围区的排涝闸,下游则模拟至外排至瓯江及东海的排涝闸闸下附近。

(3)网格布置。模型最大网格边长约150 m,布置于地形及边界较为平缓的调蓄湖内。排涝闸闸室及河道岸坡附近网格根据实际地形及固边界特点渐变加密,最小网格边长约3 m。模型整体计算区域网格节点数58 309,单元总数33 850,模拟水系面积约25.9 km2。

(4)边界条件。模型计算客水上游边界水闸采用入流流量过程线,下游飞云江、瓯江以及东海附近5～6个闸的闸下边界则采用对应的外海潮位过程控制,水闸调度运行设置了闸门开关,当围区水位达到排涝控制条件时,闸门开启,低于最低控制水位时则关闭闸门,水闸仅允许单向排涝出流,不考虑纳潮。

3 研究成果

3.1 排涝布局

影响围区排涝效果的因素很多,主要包括调度原则、闸室数量、闸室平面分布、各个闸室的规模以及闸底板高程等。如果按照常规的逐一比较法进行计算,则计算组次需要成百上千组。因此,为了提高效率,快速找出影响排涝因素的作用大小,最终确定合理的布局方案,采用正交试验方法进行计算是比较理想的方法[3-4]。结果表明:

(1)影响围区洪水位的因素在不同建设时期是不同的。以方案2为例,农业期影响东片围区主次因素依次为南2#和北2#闸的闸底板高程、南2#和北2#闸闸室宽度、东1#和东2#闸的闸底板高程、东1#和东2#闸的闸室宽度,说明南北向水闸的作用较大;远期不贯通时影响东片围区洪水位的主次因素依次为东1#和东2#闸的闸底板高程、东1#和东2#闸的闸室宽度、南2#和北2#闸闸室宽度、南2#和北2#闸的闸底板高程,说明东边的水闸排涝作用较大。

(2)排涝闸在围区平面上均衡布置有利于排涝。从图2、3的围区某时刻洪水位情况看,方案1东片围垦区域(包括瓯飞大闸及南2#、北2#闸区域)的水位差较大(2.40～1.70 m),说明排涝时河道补水不足,部分河段规模不够;而方案2的水闸布局明显有所改善,围垦东片区域水位变幅明显减少(2.30～1.90 m)。因此,方案2的闸室布局较优。

(3)单纯依靠增加闸室宽度对排涝效果不一定有利。从计算成果分析来看,受区域降水峰值及闸下潮位顶托影响,单纯依靠增加闸室宽度及降低闸底板高程并非绝对能够降低围区排涝过程中的最高洪水位。因为闸室过大容易导致闸前水位瞬时下降过快,河网补水不足,需要频繁调度闸门开启;而闸室过小,则需要闸门连续开启运行,容易与下游低潮位相遇,增加闸下消能防冲压力。

(4)通过综合比较分析,最终推荐了优化方案。通过优化,方案1最终排涝总净宽比原设计方案可以减少32 m,方案2最终方案排涝总净宽比原设计可以减少40 m,明显降低了工程建设投资。

3.2 闸前河道规模

河道配套问题是困扰新开河道的难点,浙江省存在较多闸前河道冲刷偏深的实例,由于闸室规模和闸前河道规模不匹配,导致闸前约5 km范围河道均被刷深,最深超过5.0 m,危及堤防安全。因此,对围垦工程,闸前河道防护与闸下消能防护一样重要,必须引起高度重视[5-6]。

图4 原方案排涝闸闸上400 m范围沿程水面线图

图5 推荐方案排涝闸闸上400 m范围沿程水面线图

3.3 消能工布置

3.3.1 消能工况

一般来说,较为理想的排涝工况为外海潮位相对较高的时刻,以减轻下游的冲刷压力。但设计计算及实际运行中,为避免围区水位进一步升高,水闸在低潮位下可能也需要参与排涝。因此试验消能工况必须兼顾偏不利的水位组合,以保证工程运行的安全。瓯飞滩工程选取上游正常蓄水位、下游平均低潮位组合作为消能控制工况。

3.3.2 工程布置和消能效果

消能工布置主要指平面布置和纵向剖面布置。常规的低水头排涝闸闸下消能布置往往包括消力池、护坦、海漫、抛石防冲槽[7](见图6)。从平面布置上来看,采用两边略微扩散(扩散角一般不大于10°)的方式,有利于水流在平面上扩散,降低单宽流量。从剖面图上来看,一般是采用一级消力池方案,如果条件许可,采用二级消力池方案或者一级长池中间加坎方案,对提高消能率,减轻下游冲刷有利。

以瓯飞滩为例,从试验情况来看,一级消力池方案的的消能率均很低,消能效果不理想。其中:远期不贯通消能工况排涝时,消力池内能够形成淹没水跃,跃首位于墩尾以下2 m左右,平均流速8.55 m/s,Fr为1.59;跃尾位于墩尾21 m左右,池长有一定的富余。跃后坎顶的平均流速4.62 m/s,Fr为0.71,池内消能率约为12%。跃后水流出池后在坎顶略有跌落,护坦及海漫上呈急流流态,海漫末端的平均流速7.36 m/s,最大流速7.92 m/s,Fr为1.70;海漫末端附近通过跌流流态与下游潮位衔接,在翼墙圆弧扩散段两端有回流区形成。

远期贯通消能工况排涝时,水流流态同不贯通工况类似,只是流速相对略大,如海漫末端的平均流速达到了7.86 m/s,Fr为1.05。

因此,对于远期工况,闸下消能效果并不理想,若采用现有布置方式,海漫和防冲槽必将遭受冲刷破坏。

为了提高消能率,降低海漫末端的流速,推荐采用二级消力池方案。工程布置见图7。远期不贯通工况下,2级消力池消能率为17%,海漫末端断面0+086 m处平均流速为5.82 m/s,Fr=1.36。远期贯通工况下,2级消力池消能率为23%,海漫末端断面0+086m处平均流速为6.33m/s。消能效果明显改善。流态见图8。

综上所述，通过本文分析研究认为高龄基础疾病较多的股骨粗隆31A1，31A2稳定性骨折患者更适宜选择PCCP经皮操作解剖复位治疗而对于具有严重骨质疏松的患者而言PCCP系统不适宜。伴有骨质疏松的不稳定性转子间骨折患者更适合应用PFNA系统总而言之股骨粗隆间骨折的手术类型选择应视患者全身情况与骨折类型而定。

图6 原设计方案工程剖面图

图7 推荐方案工程剖面图

图8 远期不贯通水流流态图

3.4 口门冲刷

预测口门冲刷情况,为口门防护设计提供依据,也是主要的技术难点。从瓯飞滩口门冲刷情况来看,口门动床冲刷主要有以下几个特点:

(1)翼墙附近的冲深大于河道中间的冲深。主要是水流在翼墙附近急剧扩散,海漫上主流流速太大引起的回流锥形淘刷,南2#闸最深位置冲深超过15 m(见图9)。

图9 原方案南2#闸口门冲刷形态图

(2)传统的海漫及防冲槽的防护方式欠妥。在低潮位时,感潮闸闸下海漫末端水流往往通过跌流流态与下游潮位衔接,防冲槽抛石基础及垫层极易被水流淘空,从而崩塌引起海漫段进一步毁坏。

(3)冲坑稳定时间很快。由图10可见,冲刷坑稳定的时间很快,并且海漫末端在很短的时间内就露坎。

图10 冲刷坑深度随时间的变化过程图

(4)将海漫长度加长直至翼墙外侧有利于保护翼墙基础不受冲刷,此时水流反而形成向心集中,翼墙附近的回流淘刷强度大大减小。

(5)优化方案及成果。根据消能及冲刷试验成果,一级消力池方案消能效果不理想,建议采取二级消力池优化方案。其中,采用二级消力池方案后,南2#闸优化推荐方案闸下最大冲深由15m减少至10 m左右,东2#闸推荐方案闸下最大冲深由近9于m减少至5 m,改善效果明显,见图11、12[8]。

图11 原设计方案东2#闸口门冲刷形态图

图12 优化方案东2#闸口门冲刷形态图

3.5 闸下冲淤

闸下淤积问题是感潮水闸存在的普遍性问题,为确保闸门能够正常运行,需要研究如何利用有限的水资源进行闸下有效冲淤的运行方法。这方面目前还没有进行系统研究。

水闸的冲淤效果和闸上下游水位、滩面淤积高程、有无潮沟、下泄流量及排涝总水量等均有密切关系。考虑到单因素比较法进行试验工作量大,所以采用正交试验法进行试验。冲淤效果以水沙比来表征,即下泄总水量与冲淤总量的比值,表示每冲走单位淤泥所需的水量,水沙比越小表示冲淤效果越好,反之则表示冲淤效果越差。从水沙比角度推荐闸门的运行方案。试验组次采用正交试验法排列,考虑5个因素,其中流量取4个水平,其余每个因素取2个水平 (见表1)。

表1 正交试验组次表

试验结果表明:

(1)影响水沙比的最主要因素是下游潮位。极差从大到小排列依次是C＞A＞B＞D＞E,说明主要影响因素是下游潮位和流量,其次是上游水位和淤积高程,影响最小的是潮沟宽度。水沙比最小的冲淤工况为A3-B2-C2-D1-E2,即流量150 m3/s、上游水位2.5 m、下游潮位-1.87 m、淤积高程-1.5 m、潮沟宽度15 m的工况。

(2)闸下冲沙应选取合适的流量。经正交试验分析,流量150 m3/s工况的水沙比最小,说明流量过小或过大均非最佳的冲淤方式,而是应该选取合适的流量。在此次试验的另外4个因素的区间范围内,选取150 m3/s流量时的冲淤效果最佳。

(3)有无潮沟对冲沙效果的影响不大。从极差排列也可以看出潮沟因素极差值最小,说明有无潮沟对冲沙效果影响不大,成果与类似工程经验相同[9]。

(4)各工况的有效冲沙时间均较短。从试验情况来看,有效的冲沙时间均很短,冲沟稳定时间一般在30～45 min。

4 结 语

随着滩涂围垦的发展,围区附近的水动力泥沙条件亦逐渐趋于复杂,本文以温州瓯飞一期围垦前期规划布局为例,利用水工模型试验方法和数值模拟方法想结合的方法对围区规划水系的配套水闸规模、整体排涝布局、闸下消能工布置、口门冲刷、闸下冲淤等几个水力学问题进行探讨,改善了围区排涝布局,优化了闸前河道规模,复核了消能工布置及闸下冲刷防护,提出了闸下冲淤运行方法。

[1]包中进,王斌,徐岗.温州市殴飞一期围垦工程水闸水工模型试验研究阶段报告[R].杭州:浙江省水利河口研究院,2011.

[2]卢晓燕.温州市瓯飞一期围垦工程围区排涝控制规划 [R].杭州:浙江省水利水电勘测设计院,2011.

[3]陈惠玲.水工试验设计 [M].南京:河海大学出版社,1995.

[4]沙海飞,周辉,陈惠玲,等.正交法在滩坑水电站泄洪洞模型试验中的应用[J].水电站设计:2005,21(4):51-54.

[5]刘喜员.南台头上游河道冲刷分析与对策 [J].水利建设与管理,2004(2):73-76.

[6]方森松,刘晓平,吴国君,等.低水头水利枢纽泄水闸闸前冲刷研究[J].长江科学院院报,2011,28(6):25-29.

[7]包中进,陆芳春,史斌.浙江省曹娥江大闸水力特性试验研究[J].中国农村水利水电,2005(5):60-63.

[8]韩海骞,俞月阳.曹娥江大闸闸下冲刷研究 [J].浙江水利水电专科学校学报,2008,20(2):15-17.

[9]史斌,包中进,陆芳春.曹娥江枢纽闸下冲刷试验研究[J].浙江水利科技,2004(6):32-34.