浙江省曹娥江大闸闸下冲淤调度研究初探

水利水电技术　第38卷　2007年第3期

浙江省曹娥江大闸闸下冲淤调度研究初探

康　瑛,汪恒强

(浙江省水利水电勘测设计院,浙江杭州　310002)

摘　要　根据曹娥江大闸的闸下泥沙特性和淤积情况,

可见闸下冲淤关键是闸上冲淤水量的保证。因此,

在全面分析曹娥江流域水资源的情况下,重现历史水文条件下曹娥江大闸的闸下淤积情况和曹娥江流域的来水情况,分析闸上冲淤水量的保证程度。在此基础上,对曹娥江大闸闸下冲淤调度进行初步研究。

关键词　冲淤调度;泥沙淤积;曹娥江大闸

中图分类号:TV14(255)　　　　文献标识码:B　　　　文章编号:1000-0860(2007)03-0020-05

ApreliminarystudyondesiltationofCao'eRiverGateinZhejiangProvince

KANGYing,WANGHeng-qiang

(ZhejiangDesignInstituteofWaterConservancy＆Hydro-electricPower,Hangzhou　310002,Zhejiang,China)Abstract:OnthebasisofthesedimentfeatureandthestatusofthesedimentationbehindtheGateofCao'eRiver,itisknownthatthedesiltationthereindependsfullyontheguaranteeofthewateramountbeforethegate.Underthiscircumstance,theguar-anteeofthewateramountfordesiltingthesidementationisanalyzedbasedonthecomprehensiveanalysisofthewaterresourcesofCao'eRiverBasinbymeansofmakingtherecurrenceofthesedimentationbehindthegateandthewaterincomingofthebasinunderthehistoricalcondition.Inaccordanceofallofthese,apreliminarystudyontheoperationofthedesiltationofthegateisaccordinglymadeherein.

Keywords:desiltingoperation;sedimentation;Cao'eRiverGate

　　曹娥江大闸位于钱塘江下游右岸支流曹娥江河口处,曹娥江河口段两岸的萧绍平原和姚江平原,是浙江省的经济发达地区。曹娥江大闸建成后挡潮蓄淡,

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上游可形成库容为1.46亿m、长度为90km的河道型水库,沟通两岸萧绍平原、姚江平原河网。该工程具有防潮(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。工程由挡潮泄洪闸、堵坝、导流堤、闸上下游堤防加固工程等组成。

为了抵御台风暴潮、防止咸潮上溯、蓄淡、灌溉、洗盐改良土壤及提高防洪排涝能力等,建国以来在我国沿海的入海河口兴建了大量的挡潮闸。限于当时对闸下淤积的认识不足,凡在海相来沙河口的干流上建闸后,无一不发生淤积,而且尽管采取了各种各样的减淤或冲沙、疏浚措施,闸下淤积仍然严重影响了闸的各项功能的充分发挥。随着闸下淤积的发展,河床抬高,闸下低潮位抬高,过水断面明显减小,从而不仅影响到航运,还使闸的排水能力大大降低,严

重影响泄洪排涝,威胁到防洪安全。如江苏苏北地区排水流量大于100m/s的挡潮闸有51座,其中严重淤积的有35座,8座因淤积不能排水。根据调查,豫、津、鲁、闽、粤等省也都有类似的例子。

受杭州湾潮流、钱塘江径流、曹娥江径流和尖山河段河势的共同影响,曹娥江大闸闸下淤积是必然的,闸下淤积问题能否解决,直接影响到工程的安全运行。由于曹娥江河口的泥沙具有易冲易淤的特性,因而曹娥江大闸建成以后,闸上是否有足够的水量冲通闸下滩地的问题,一直受到各方关注。

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1　闸下冲淤面貌及解决措施

1.1　闸下冲淤面貌根据有关研究成果收稿日期:2006-11-04

作者简介:康　瑛(1968—),女,高级工程师,副院长。

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,曹娥江大闸建成后的闸

康　瑛,等∥浙江省曹娥江大闸闸下冲淤调度研究初探

下淤积面貌主要取决于干流钱塘江尖山河段主槽的位置,另据研究和整体动床模型试验结果,曹娥江口建闸后,由于钱塘江主槽仍有摆动,闸下淤积面貌可能出现对大闸泄洪排涝有利、正常和不利三种情况如下。

有利情况:闸下-1.83m(相当于低潮位曹娥江河口低滩线高程,下同)以上滩地长小于1km。

正常情况:闸下-1.83m以上滩地长为2km左右。

不利情况(钱塘江20年一遇洪水):闸下-1.83m以上滩地长为4km左右。

上述情况闸下高滩平均高程为3.7m。

因钱塘江河口泥沙具有“易冲易淤”和“大冲大淤”的特性,这为利用闸上水量冲刷闸下滩地解决闸下淤积问题提供了条件。1.2　冲淤需水量1.2.1　潮沟维护性冲淤的必要性

据分析,当潮沟底高程低于2m时,平均淤积速率约为10cm/d;当底高程高于2m时,平均淤积速率约为3.7cm/d。以此推算,约1.5～2个月闸下潮沟进口段深泓高程可回淤到2.4～3.1m,潮沟边坡可回淤到3.5m以上,闸下高滩平均高程可达3.7m左右。曹娥江大闸闸上维持3.9m的正常蓄水位。因此,为保持一定的冲淤水头,大闸关闸1.5～2个月后需开闸放水维护闸下潮沟。

根据实验室模拟试验,在闸下滩面无潮沟的情况下,由于受闸下高淤滩的制约,正常水位开闸时,水头小,出闸水流徘徊流动,形不成明显的集中冲刷。为使放水冲刷达到效果,必须维持两条或两条以上具有适当断面规模的潮沟,以便保证在闸上正常水位下能开闸放水,在曹娥江洪水下泄时河道能加深、扩宽。当闸下滩地长度在3km以上时,为满足在闸上正常水位下放水,闸下潮沟底高程不宜高于2.6m。推荐采用两条潮沟,近闸处潮沟底高程2.6m作为维护性冲淤的基本要求。

另据试验可知,在闸下滩面不存在潮沟的条件下,20年一遇洪水可以在泄洪中冲刷出并冲通和扩大闸下潮沟,使洪水得以安全下泄。究其原因,与曹娥江两岸已建有堤防有关。曹娥江洪水下泄时,受到两岸堤防约束(沿岸排涝闸关闭),当曹娥江大闸泄流受闸下滩涂淤积影响,泄水能力有所降低的同时,江道洪水位被壅高,使河道水面坡降加大,流速加大,而增强了水流的冲刷能力,弥补了洪水之前闸下潮沟冲刷的不足。但在有潮沟的状况下,闸下潮沟能

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起到“引冲沟”的作用,可以在洪水泄放过程中加速闸下排水通道的冲深扩大进程,更有利于降低闸上江道洪水位,从而也更有利于平原排涝。有鉴于此,维护性冲淤仍是必要的。1.2.2　年冲淤需水量

曹娥江大闸全年所需冲淤水量由两部分组成:第一部分为闸下潮沟正常维护水量;第二部分为洪水前扩大潮沟断面所需要的集中冲刷水量。

据研究分析和动床闸下冲刷模型试验成果如下:(1)当闸下滩地长2km时,维持150m宽的潮沟每次需放水900万m,闸下潮沟从起始的3.1m高程可冲刷到-1m左右。洪水前为满足泄洪需要,将闸下潮沟拓宽至450m,需集中冲刷水量4800万m。(2)当闸下滩地长4km时,维持150m宽的潮沟每次需放水1940万m,闸下潮沟从起始的高程2.6m可冲刷到-1m左右。但当潮沟高程为3.1m时,由于水头差很小,冲刷能力极弱,潮沟很难刷深。洪水前为满足泄洪需要,将闸下潮沟拓宽至450m,需集中冲刷水量8000万m。(3)一般情况下,要求闸下潮沟在洪水前扩大到450m宽,但当冲刷水量不能满足要求时,洪水前的闸下潮沟宽度可适当减少到300m,使集中冲刷水量可分别减少到0.32亿m(闸下滩地长2km)和0.53亿m(闸下滩地长4km)。当然,闸下冲淤所需的水量不是全年都相同的,

可分为梅汛期、台风期及冬季枯水期三个时期,其中冬季枯水期只要满足维持潮沟的冲淤水量就可,但梅汛期、台风期除维持潮沟的冲淤水量外,还需考虑洪水前为扩大潮沟断面的水量。因此,曹娥江大闸闸下冲淤全年所需水量如表1所列。

表1　全年所需冲淤水量

闸下滩地长度

水　量总水量2km其中弃水量

实际需水量总水量4km其中弃水量

实际需水量

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洪水前集中冲淤水量/亿m潮沟正常维护3

水量/亿m潮沟拓宽至450300m

3

3

3

3

3

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8次×0.09=0.2次×0.48=0.2次×0.32=0.64

0.240.48

1次×0.48=0.1次×0.32=0.32

0.48

0.32

8次×0.194=1.2次×0.8=1.62次×0.53=1.06

0.521.03

1次×0.8=0.81次×0.53=0.53

0.8

0.53

2　闸下冲淤调度研究

2.1　曹娥江大闸概况

(1)流域概况。

曹娥江大闸位于曹娥江河口。曹娥江流域总面积

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6080km,曹娥江流域集水面积6080km,多年平均降水量1471.4mm,多年平均径流深743.6mm,水资源(径流)总量45.2亿m。

(2)大闸结构总布置。

挡潮泄洪闸总宽697m,总净宽为560m,28孔,每孔净宽20m,闸底板高程-0.5m。5个分隔墩将28孔闸分6厢,中间两厢每厢4个闸孔,两边4厢每厢5个闸孔,分隔墩顶宽5m。

(3)工作闸门。

工作闸门的运行工况是根据防洪调度、供水调度和维持闸下潮沟的冲淤要求来确定的。防洪调度运用原则为:根据气象预报和防汛防旱指挥部门的指示,在洪水来临前,将闸上河道及绍兴平原河网水位从正常水位3.9m预泄至3.5m,冲开闸下潮沟淤沙;当洪水来临,闸上水位超过控制水位3.5m,闸上内河水位高于外江潮位时,开闸泄洪。冲沙运行及泄洪运行的均应按水工模型试验推荐方式选择闸门开启程序,一般为分区分块开闸,开闸孔数根据来水流量大小确定,开闸孔位根据下游淤积情况和有利于消能的要求选择。

供水调度:闸上河道承受曹娥江上游来水和富春江引水,闸上正常蓄水位为3.9m。闸上水位高于3.9m时,与闸下冲淤相结合,酌情适时泄水;当闸上水位可能低于3.6m时,由防汛防旱指挥部门统一调度,根据需水情况并结合气象预报从曹娥江上游水库放水,或从富春江引水,调剂水量。

本工程的闸下冲淤是运行管理的重点,利用流域雨洪和河网蓄水放水冲淤,以维持闸下潮沟。

(4)冲淤设备。

为防止淤泥对启门的不利影响,保证闸门的正常开启,设置两套冲淤设备。其一为高压冲沙泵,其二是可移动高压水枪。根据闸下淤积情况适时开闸冲淤,开闸前用高压冲沙系统的水流冲松闸门边淤沙,以减少启门力。确保冲淤时闸门的开启和提高冲淤效率。2.2　闸下潮沟的维护性冲淤2.2.1　闸下维护性冲淤水量

根据有关研究成果

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江全流域包括曹娥江流域供水区进行1961～2000年

长系列逐日水量供需平衡计算分析。扣除本流域径流利用和可能的环境用水,流经大闸的多年平均排水量达28.4亿m。因此,大闸建成后,大闸排水机会较多。大闸维护性冲淤主要是利用不同量级的排洪排涝水量。

为了解利用本流域排洪、排涝水量即经大闸下泄水量结合闸下维护性冲淤的保证程度,把上述1961～2000年40年中每次冲淤的需水量,与40年逐月大闸下泄水量相比较,可知冲淤水量的月保证率为86%～90%(按一个半月冲一次,有三种时间安排法:(1)第一次安排在2月上半月,1月、4月、7月、10月轮空,冲淤水量月保证率86%;(2)第一次安排在1月下半月,2月、5月、8月、11月轮空,冲淤水量月保证率90%;(3)第一次安排在1月上半月,3月、6月、9月、12月轮空,冲淤水量月保证率87%)。

当某月维护性冲淤水量不足时,可考虑在下月有水时再放水冲淤。

如按一个月开闸放水一次进行维护性冲淤水量安排。根据1.5个月开闸放水的维护性冲淤水量要求成果,可推断1个月开闸放水一次的维护性冲淤水量为1.5个月的2/3,即正常情况为600万m/次,不利

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情况为1293万m/次。

按规划工况下闸下滩面长度长系列成果,得逐月开闸放水的维护性冲淤水量。将大闸下泄水量与逐月维护性冲淤水量逐月相减,得逐月维护性冲淤余缺水量。对余缺水进行分析可知:(1)1969年出现从10月至次年1月连续4个月大闸下泄水量小于维护性冲淤水量,1973,1978,1988,1992,1995,1998年六年,出现11月、12月连续两个月大闸下泄水量小于维护性冲淤水量,故上述情况可通过调用曹娥江右岸萧绍平原河网及闸上水库蓄水量来满足维护性冲淤水量。(2)1961,1976年两年,出现7月、8月或8月、9月连续两个月大闸下泄水量小于维护性冲淤水量,但在此之前均出现大洪水,大闸下泄水量连续两月均超过6亿m以上,由于洪水量大,闸下潮沟已处于冲刷较深的状况。故上述情况可暂时不进行维护性冲淤。(3)1968年在7月大洪水后(下泄水量达到8.5亿m以上)出现8月至11月连续4个月大闸下泄水量小于维护性冲淤水量。上述情况类似于1961,1976年,8月、9月闸下潮沟也处于较深的状况,也可暂时不进行维护性冲淤;至10月、11月,可通过调用河网及闸上水库蓄水量来满足维护性冲淤水量。

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,建闸后重现1961～2000

年历史水文条件下的闸下滩面(闸址～-1.83m低滩线)历年4月、7月、11月闸下滩地长度,其他各月滩地长度可由4月、7月、11月线性内插。由此,按当时闸下滩地长度计算出1961～2000年计算系列所需正常维护冲淤水量。

本工程所在地区降雨丰沛,年径流量也大。采用规划2020水平年生活、生产和生态需水量,对曹娥

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(4)1967年是曹娥江流域据史料记载属100年一遇的大旱年,大闸下泄水量小于维护性冲淤水量的时间从1967年的7月一直延续至1968年的2月,上述情况该地区工农业生产均已缺水,无法满足大闸维护性冲淤用水,到时可考虑采用机械疏浚手段,在汛期洪水到来前开挖闸下引冲沟。

因此,维护性冲淤水量按每个月冲淤一次进行安排时,除1967年这样的100年一遇大旱年不能满足维护性冲淤水量之外,其余时间段的维护性冲淤水量均得到了满足。分析冲淤水量来源,可以看出,主要是利用当月雨洪水量,占90%以上;只有14个月需动用河网蓄水作为维护性冲淤水量,占3%。

通过以1961～2000年水文系列的维护性冲淤水量余缺水量计算可知,不论按1.5个月安排一次冲淤,还是按1个月安排一次冲淤,曹娥江雨洪均能满足绝大部分维护性冲淤水量需要,从河网蓄水量放水进行维护性冲淤只是极少数情况。为了提高利用平原河网放水的冲淤效果,在选择合适的放水时机时,要考虑到上次雨洪泄洪冲淤后潮沟状况。如果上一次雨洪水量大,潮沟冲刷得深,本次河网放水进行维护性冲淤的时机可适当推迟;反之,如果发现近闸处潮沟底高程已经回淤到较高(3.0m左右),则应及时安排河网放水冲淤。冲淤水量视闸下潮沟情况而异,滩面长度大,潮沟回淤量大,安排冲淤水量多;滩面长度小,潮沟回淤量小,安排冲淤水量少。冲淤是否达到要求,以近闸处潮沟底高程达到0m为准。这是考虑到本地区降雨丰富,具有利用雨洪冲淤的优势,放水或泄洪冲淤间隔时间一般都小于1.5个月。故动用平原河网蓄水冲淤,在冲淤结束时沟底高程的判别上,初定为0m。今后在运行实践中不断探索调整。

上述冲淤水量保证率分析,采用历史资料可以按每1.5个月或1个月放水冲淤一次进行安排,只是一种概率分析。实际运行中,由于未来的降雨日期、强度的不可预知,不可能也不必要机械地按1.5个月的周期放水冲淤,时间上随雨情而定。大雨大冲,小雨小冲。在雨洪水量利用上,遵守排洪结合冲淤优先,兼顾平原水环境改善的原则。利用雨洪冲淤时,在潮沟冲刷深度上不作限制。2.2.2　闸下潮沟数量的安排

采用双潮沟,结合挡潮泄洪闸的闸孔布置及水工模型试验推荐开启方式,选定第2厢、第5厢为维护性冲淤工作闸门,共10孔。当上游洪水来量超过预料,则先扩展到第3厢、第4厢闸孔,再扩展到第1厢、第6厢闸孔。

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2.2.3　放水冲淤的开闸方式

(1)利用雨洪冲淤。

曹娥江流域径流量丰富,当流域上中游降雨时,形成洪水机率大。由于闸上江道调蓄库容有限,调节能力低,因此利用雨洪冲刷闸下潮沟,须根据流域水文测报预报系统提供的信息及时开闸。曹娥江两岸排涝闸、通航船闸也应密切注意闸内外水位变化及时开关排涝闸和通航船闸,防止江水倒灌平原。随着洪水下泄,当曹娥江大闸闸下潮位低于闸上水位时,即可开启曹娥江大闸的冲淤闸孔。

对于一般的小洪水(2年一遇以下),先开中孔共2孔,分别为第2厢的8孔和第5厢的21孔,按e=1.5m、3.0m、4.5m逐级提升;其后,各增开2孔,累计6孔(7～9,20～22);然后,2厢全开,累计10孔(6～10,9～23)。涨潮时,如闸下潮位高于闸上水位,应关闸挡潮。落潮时,闸下潮位低于闸上水位,再行开闸。

如洪水流量较大,及时增开其他闸厢,按泄洪调度规则执行。

(2)动用河网蓄水冲淤。

开闸冲淤时,河网水位处在正常水位3.9m左右,因此开闸时机选择在外江潮位落潮至中潮位附近,外江潮位涨潮至中潮位附近关闸,有效开闸冲刷时间,每潮约6h,每天约12h。

冲淤工作闸门为第2厢、第5厢。开闸操作顺序与上节同。2.2.4　潮沟监测

为便于掌握闸下潮沟冲淤动态,在曹娥江大闸闸下桩号0+200附近设置潮沟监测断面,不定期进行闸下滩面及其潮沟的断面测量,以其沟底高程平均值代表“近闸处闸下潮沟底高程”。根据该监测断面潮沟底高程动态及流域水文测报系统的径流监测和洪水预报进行闸下冲淤调度和防洪调度。2.3　闸下潮沟的集中冲淤2.3.1　洪水前集中冲淤

闸下潮沟的集中冲淤安排在每年汛期的洪水发生之前,借助集中冲淤的水量使闸下潮沟进一步得到冲深和拓宽,以便为洪水安全下泄准备足够大的排水通道断面。

据研究,一般情况下,要求闸下潮沟在洪水前扩大到450m宽。当冲淤水量短缺时,洪水前的闸下潮沟宽度可适当减少为300m宽。

另据闸下冲刷试验表明,当闸下潮沟完全淤塞(无潮沟),滩面高程为3.7m的情况下,若仅以正

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常水位3.9m以下的闸上水量,难以形成所要求的沟底高程为2.6m,进口宽度为300m的洪水前潮沟。

但是在发生大中洪水时,即使最不利淤积状态,维护性冲刷塑造潮沟规模有限,凭借两岸现有堤防的保护,在洪水集中冲刷下,仍可使闸下滩地迅速地被冲通,闸上江道的最高水位仍低于设防水位。试验表明,10～100年一遇洪水冲刷下,潮沟宽度大大增加,潮沟沟底高程也降低到-2.5～-3.5m。说明在曹娥江特定条件下,流域洪水本身具有较好的冲刷能力,

涨水段洪量可起到集中冲刷作用,使闸下潮沟在泄洪的同时得以冲深和扩宽,从而保证了洪水安全下泄。由于曹娥江干流两岸堤防顶高程是按曹娥江大闸兴建之前的50～100年一遇高潮位设计的,虽然在涨水段洪量冲通闸下潮沟之前,会使曹娥江洪水位有限壅高,但不会超出堤防原有设防水位,两岸平原防洪是有保障的。2.3.2　洪水前集中冲淤水量调度

闸下集中冲淤按气象预报,在洪水前安排。当预报流域平均降雨量100mm(相当于5年一遇)以上时,应在洪水之前,对闸下潮沟进行集中冲淤。

当洪水前闸上水库蓄满时,闸下集中冲淤可通过河网水量预泄解决。所谓预泄,是指当预报发生洪水时,预先开闸排水,降低河网水位,腾出库容以增加滞涝容积。这是平原治涝措施之一。对曹娥江大闸工程而言,则可结合预泄水量作为闸下潮沟的集中冲刷水量。

根据治涝和冲淤两方面需要,拟定预降水位为3.5m,3.5～3.9m之间闸上水库(含干流河道、萧

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绍平原河网和丰惠河网)层间容积6360万m,可满足闸下集中冲淤需水量(3200万～5300万m)。

根据前述长系列水量平衡计算,1961,1967,1971,1978,1985年的7月份闸址下泄水量小于1200万m,除1985年之外,其余年份在此后出现连旱天数较长的干旱,台汛期内未发生暴雨洪水,但从防汛的角度仍应做好抗旱防洪两手准备。为此,当台汛期内,因干旱造成河网水位下降无法安排预泄水量结合集中冲淤时,作为一种非常措施,还可考虑采用机械辅助措施。

汛期出现干旱天气时,做好抗旱防洪两手准备。当闸下潮沟近闸处滩面高程淤至3.6m(平均高潮位)以上,滩地长度又超过2km时,应考虑调用高压水枪和机械疏浚设备(泥浆泵或可拆装的小型挖泥船)开挖“引冲沟”,从大闸下游高滩开始逐步向下延伸,可以在开闸泄洪冲淤时起到引导作用,加快潮沟拓宽冲深进程。

2.3.3　冲淤工作闸门及开闸方式

(1)工作闸门。

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洪水前集中冲淤是在维护性冲淤基础上展开的,

因此集中冲淤时,仍然选择第2厢、第5厢为工作闸门。如果在此之前,因洪水下泄使闸下滩面形成多条潮沟,则可选择其中2条或3条规模较大的潮沟所对应的闸厢为冲淤工作闸门。

(2)放水冲淤开闸方式。

由于集中冲淤均结合河网排涝预泄进行,此时河网水位一般在3.9m左右。当闸下潮位低于3.9m时开闸,在短时间内集中放水冲刷闸下潮沟,直至萧绍平原东关水位站为代表的河网水位降至3.5m结束。

如洪水前河网水位介于3.9～3.5m,则待闸下潮位低于当时水位即行开闸冲淤,直至东关站水位降至3.5m关闸。在此情况下,由于预泄水量不大,水头较低,冲淤效果会受到影响。

开闸方式分以下两种情况。

以第2厢、第5厢为工作闸门,开闸方式与维护性冲淤相同。

采用其他闸厢为工作闸门,则根据所在闸厢,先开中孔,然后开边孔直至全开的顺序操作。

3　结　语

曹娥江大闸建成后,受杭州湾潮流、钱塘江径流、曹娥江径流和尖山河段河势的共同影响,闸下淤积是必然的,但与干流河口建闸有所不同。闸下淤积问题可以通过流域水量的合理调度,并结合有序开启闸门等措施加以解决,对工程的安全运行不会产生影响。浙东引水萧山枢纽工程建成以后,多年平均可以向富春江引水8.9亿m,可以使闸上水库满蓄保证率提高,曹娥江大闸的闸下冲淤水量更有保证。本文仅在现有条件下对曹娥江大闸的闸下冲淤调度进行初步研究,为曹娥江大闸建成后的运行调度提供初步依据。目前,曹娥江大闸正在紧张施工中,预计将于2008年建成。届时,该地区的浙东引水工程都将全面建成并逐步投入使用。对曹娥江大闸闸下冲淤的调度也应在实际调度运行中不断积累经验,并及时加以改进,以达到充分发挥曹娥江大闸的设计功能。参考文献:

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究[J].海洋工程,2006,24(2):38-44.

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(责任编辑　欧阳越)

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