珠江口蕉门延伸段悬沙不淤流速的确定及其.doc

珠江口蕉门延伸段悬沙不淤流速的确定及其在河口治理中的应用吴小明 谢宇峰（水利部珠江水利委员会科研所 广 州）摘 要 近年来，凫洲水道逐渐冲深扩大，蕉门延伸段逐年淤浅抬高，为阻止这种演变趋势继续发展，需对蕉门口进行综合治理，提高蕉门延伸段的泄流排沙能力，其中涉及一个重要课题：确定蕉门延伸段的悬沙不淤流速。本文采用水槽试验、经验公式估算、原型河道挟沙能力分析等手段综合研究确定蕉门延伸段的悬沙不淤流速，并以此运用于河口治理中的方案比选，运用于蕉门延伸段的中水河道整治规划，取得了较为满意的结果。伶仃洋接纳珠江流域一半以上的迳流量，它的演变发展对珠江流域的防洪、航运，以及对珠江三角洲的经济发展都有重大的影响。蕉门是珠江流入伶仃洋的四大口门之一，其迳流量分别由左汊凫洲水道流入伶仃洋的首部及右汊蕉门延伸段流入伶仃洋的中部。近年来，凫洲水道逐渐冲深扩大，其迳流量、输沙量不断增加，而蕉门延伸段的迳流量、输沙量相应减少，河道逐年淤浅抬高，这种变化使凫洲水道的泄流对珠江干流虎门出海形成顶托，不利于广州市的防洪；凫洲水道水流挟带的大量泥沙则加速了伶仃洋首部的淤积。为了合理地开发整治蕉门口，有关部门规化了蕉门口综合整治工程，并进行了相应的河工模型试验（限于客观条件，没有开展悬沙动床模拟试验），整治的主要措施是减少凫洲水道泄入伶仃洋首部的水量和沙量，提高蕉门延伸段的泄流排沙能力，其中涉及一个重要课题：确定蕉门延伸段的悬沙不淤流速。1 河道概况 珠江多年平均迳流总量和输沙总量分别为3124亿m3和8872万t，其中53.4%的水量和47.7%的沙量经虎门、蕉门、洪奇门、横门等四口门汇入伶仃洋海区。虎门以潮流作用为主，进潮量占四口门的80%以上，其余三个口门以迳流作用为主。 蕉门水道多年平均年迳流量和年输沙量分别为565亿m3和1289万t，分别占珠江八大口门总量的17.3%和18.1%。由于凫洲水道近年来冲深扩大较快，蕉门延伸段的分流量有不断减小的趋势。目前蕉门延伸段迳流量约占蕉门水道迳流量的15.5%，水深约为26m，水面比降约法0.05%，含沙量汛期为0.153kg/ m3，而枯期为0.073kg/ m3（南沙站资料）。 蕉门延伸段悬沙资料可借用设在蕉门延伸段上游的南沙站资料。1984年汛期，在该站水文断面上对悬沙组成级配进行了多次检测分析，取其平均列入表，其中值粒径为0.013mm。1987年汛期对蕉门延伸段的床沙组成进行河道取样分析，两组资料中值粒径分别为0.015、0.017mm。1991年汛期对河道床沙取样两组，中值粒径分别为0.096、0.112mm。取4次检测结果的平均值，代表床沙的中值粒径为0.06mm。表1 蕉门口悬沙级配数据表 d(mm)0.1500.1000.0500.0250.0100.005小于某粒径的重量百份数（%）10098.1483.7468.2044.5831.42中值粒径（mm）0.0131 2 悬沙不淤流速的确定 河口地区水流泥沙运动受内陆迳流和外海潮流的双重作用，其运动规律十分复杂。必须对蕉门延伸段的水文泥沙条件作了一些必要的简化，以便在现有的条件下开展多途径的分析研究，达到相互验证的目的。蕉门延伸段是一条以迳流作用为主的河流，潮流作用相对较弱，其枯季悬沙含沙量仅0.073kg/ m3，河道淤积以汛期落潮流悬沙淤积为主4，我们将只研究汛期落潮流情况。蕉门延伸段水体含盐度较低，在汛期落潮流时水体含盐度一般在0. 3%以下，所以不考虑盐水对悬沙淤积的影响。2.1用悬沙不淤流速经验公式进行估算目前，由于悬沙不淤流速的研究还没有统一的公式，我们借用一些经验公式进行估算。2.1.1河床为沙粒或淤泥的渠道不淤流速公式： (1)式中u为不淤流速(m/s)；f为系数；d为泥沙中值粒径(cm) ；R为水力半径(m)；取d=0.0013cm,R=4.5m (R取值与河道规划设计部门相同)，计算结果u=0.58m/s。2.1.2由数个我国北方渠系的实测资料和室内水槽试验资料总结出来的不淤流速公式： (2)式中r为悬沙含沙量(kg/m3)，w为泥沙加权平均沉速(m/s)，其余符号同上。取r=0.153kg/m（汛期平均含沙量），R=4.5m；按表1中泥沙级配资料计算悬沙加权平均沉速，其中级配分组粒径的悬沙沉速，由常用的武汉水利电力学院公式进行计算，w=0.097cm/s，计算得 u=0.53 m /s 。2.1.3河流、渠道不淤流速公式：(3) 式中A为系数，对于有冲有淤的河渠 A=7.6，其余符号同上，但w以 cm/s计，计算结果 u=0.44m/s。以上公式，虽然形式不同，但是计算得到的结果却相差不太大，说明上述估算有一定的参考意义。此外，我们还搜集到一些类似的公式，但因使用条件相差太大而没有采用。2.2 水槽试验研究2. 2.1试验设备与试验方法 蕉门延伸段悬沙不淤流速水槽试验在长22m 、宽50cm的活动玻璃水槽上进行，考虑到该水槽设备的循环水体须经过量水堰、蓄水池、平水塔几个水流流速缓的水域，不宜作整个水体的浑水试验，我们采用水槽首部均匀加沙的方式。 试验中，固定一个流量，关小尾门的开度，使水槽中水流缓慢、水体中悬沙淤积明显，然后，逐渐地开启尾门，使水槽水深下降，流速加快，直至上、下游两个检测断面（两断面距加沙断面分别为6.5m、12.5m）测到的悬沙浓度基本相同，泥沙淤积停止，此时的流速便是此水深条件下的悬沙不淤流速。变换不同的流量，重复试验，便得到一系列不同水深下的不淤流速。 水槽试验用沙为取自蕉门延伸段滩地悬沙新淤的表层细沙，经孔径为0.15mm的细筛（河道悬沙最大粒径为0.15mm）去掉其中的粗沙及杂质，使其粒径大小与河道悬沙粒径大小相近（中值粒径接近为0.0131mm）。此外，取天然河床的床沙在水槽的底部铺上厚约1.2cm的底沙，近似地代表河道床面。2.2.2试验结果分析经过多组试验，其结果如表2。在试验中发现，对应于一定的流量、水深及来沙条件，悬沙不淤积的水流流速事实上存在着一个许可的变化范围。在这个流速范围内悬沙都不会发生淤积，这与河流的饱和挟沙存在上限与下限相似。但是，由于试验设备及检测仪器的局限性，难以保证有足够的试验精度来确定每一个试验水深所对应的不淤流速许可范围，而只能给出不淤流速许可范围中的一个值；因而，在表2给出的结果中，水深与不淤流速的关系有些散乱，但多点试验资料所形成的总的趋势还是明确的（如图1）。图1 不淤流速u水深H关系图表2 悬沙不淤流速试验结果H(cm)4.099.4410.4912.77.6011.3913.088.719.9011.4712.8914.42U(cm/s)9.3312.3113.6114.6010.8212.4714.899.6911.1411.8412.9213.69试验的水深为414cm，其变幅相对于天然河流的水深（4.5m）不够大，不足以由此确定一个不淤流速水槽试验公式，目前，我们只能参照现有的不淤流速公式的结构形成，根据试验的结果调整其中的一些参数，推算蕉门延伸段的不淤流速大小。比较不淤流速经验公式（1）、（2）、（3）式，可知不淤流速与水力半径R的关系相差不大，R的指数分别为0.33、0.38、0.5，我们取其平均为0.4。针对蕉门延伸段的来沙条件，可以把公式中其它参数看作常数，简单地设定：，K为待定综合系数。由试验资料按最小二乘原理确定系数，K=0.305（近似地取R=H，H为试验水深）；由此形成了一个针对蕉门延伸段的悬沙不淤流速简单计算式：0.4(4)取R=4.5m，得u=0.56m/s。2.3 河口水流挟沙力分析蕉门延伸段上没设水文站，但其上游有南沙水文站，下游有伶仃洋海区各水文站，分析伶仃洋及附近各水文站历年来的水文泥沙资料，包括南沙、大虎、冯马庙、横门、赤湾、内伶仃和金星门等7个水文站及伶仃洋中间的几个垂线共850组资料，根据实测的流量、水深、含沙量数据，总结出水流挟沙力经验公式，对于汛期落潮情况有：(5)式中S为水流挟沙力(kg/m3) ，u为水流流速(m/s)，H为水深(m)。将（5）式近似地用于蕉门延伸段，取S为河道汛期平均含沙量，H为4.5m，反算输沙平衡时所需的水流流速，这个流速也可理解为输沙时的悬沙不淤流速。计算结果：u=0.54m/s，与试验研究结果0.56m/s相近。2.4 综合分析确定蕉门延伸段悬沙不淤流速河道平均流速大于床沙起动流速时，河床通常要被冲刷；而作为判断河道悬沙是否淤积的不淤流速一般应小于河床泥沙的起动流速。蕉门延伸段河床泥沙中值粒径为0.06mm，采用沙玉清起动流速公式进行计算，计算得出蕉门延伸段床沙起动流速为0.6m/s，大于本文试验得出的悬沙不淤流速值。综合分析本文对蕉门延伸段悬沙不淤流速所进行的各方面研究：水槽试验得出的不淤流速值为0.56m/s；按伶仃洋挟沙力资料分析得出的不淤流速为0.54m/s；按悬沙不淤流速经验公式计算得出不淤流速分别为0.58、0.53、0.44m/s，平均值为.0.52m/s。另一方面，蕉门延伸段的床沙起动流速为0.6m/s，限定了不淤流速不应超过的上限。因此，我们认为蕉门延伸段悬沙不淤流速在0.50.6m/s之间。3 在河口治理中的应用3.1应用于蕉门口治理方案比选 为研究蕉门口综合治理方案，珠江水利委员会科研所开展了河口定床物理模型试验，模型平面比尺为600，垂直比尺为80，上边界为流溪河的老鸦岗，下边界为内伶仃岛以外6KM，模型包括了伶仃洋四个口门（虎门、蕉门、洪奇门、横门）以及整个伶仃洋。 模型主要模拟的潮型为中水大潮水文组合（78年7月6日，常遇洪水碰大潮），试验观测工程前及各治理方案南沙等水位站的水位变化情况，观测凫洲水道、蕉门延伸段的流速、分流比等水力要素变化，由此比较选择工程采用方案。试验结果表明：在河口整治前，蕉门延伸段在常遇洪水情况下落潮平均流速为0.380.43m/s，河道分流比仅占南沙站的12.3%，落潮流速明显小于悬沙不淤流速0.50.6m/s的界限，由此说明蕉门延伸段淤积的原因。为阻止蕉门延伸段的进一步淤积萎缩，应当减少凫洲水道的过流量、增加蕉门延伸段的分流比，而过多限制凫洲水道的过流会引起南沙水位上升，故只能适当限制凫洲水道的过流，结合其它辅助工程措施，以达到蕉门延伸段落潮平均流速略大于悬沙不淤流速，河道不淤或微冲的工程效果。经试验反复比较各种整治方案，形成蕉门口整治采用方案（如图2所示），主要工程措施为：Page: 448AAaaA、束窄凫洲水道进口至1200m，分别在水道进口、中段及出口断面修建三条防冲锁坝，其高程与河床相同； 、开挖整治蕉门延伸段中水河槽，并理顺岸线； 、在下横沥出口至南沙断面修建一条导流顺坝，坝高平河岸，坝长2.6km。 试验结果表明：采用方案实施后蕉门延伸段的落潮平均流速比工程前有较大增加，提高为0.63m/s，略大于悬沙不淤流速，其分流比提高为30.8%，由此推断采用工程实施后蕉门延伸段将由现状淤积状态转变为冲淤基本平衡。.应用于蕉门延伸段中水河槽设计为提高蕉门延伸段过流排沙能力，对蕉门延伸段实施了开挖整治中水河槽及理顺岸线的整治措施，其中理顺岸线是以蕉门延伸段洪水治导线规划为依据，使整治后的岸线与规划的洪水治导线基本相符；开挖整治中水河槽是以中水河床整治规划为依据。潮汐河口的中水河槽设计，一般采用河床最小活动性假说进行推导设计，其中将蕉门延伸段悬沙不淤流速作为一个重要参数（取V=0.55 m /s），经公式推导及对蕉门南沙以上较稳定的河段进行比较验算，确定蕉门延伸段中水河槽在进口处宽500 m，往下游扩率为1.3%，平均水深5m，其轴线走向如图2所示。 图2 蕉门口整治采用方案示意图4结语为了保持蕉门延伸段的畅通，应满足河道落潮平均流速大于悬沙不淤流速的条件，确定蕉门延伸段悬沙不淤流速的大小是蕉门口整治规划的一