苏北沿海挡潮闸下淤积的原因及其对策

苏北沿海挡潮闸下淤积的原因及其对策1、 前言江苏省国营淮海农场位于淮河下游，苏北灌溉总渠尾闸两岸，东临黄海。淡水源主要依靠电力抽水站提引五岸干渠、通济干渠和里下河水，排水主要依靠已建成的10座挡潮闸。由于沿岸土壤成土母质系由长江、淮河、黄河冲积物宣泄入海，在沿海沉积成陆，其中粉砂泥质海岸占90%以上。由于沿岸淤积细粒泥沙具有较强的流动性，在风浪和潮流的作用下，造成沿海挡潮闸下淤积严重，大部分挡潮闸闸下河床淤积1.0m以上，河床断面较建闸初期缩小了20%〜30%以上。如东滩中心河闸下游引河长1.5km，河床底普遍淤积至1.0m以上，河床断面较建闸初期缩小20%以上；夸套河闸下游引河长3.5km，河床底普遍淤积至1.2m以上，河床断面较建闸初期缩小了30%以上。由于闸下淤积影响了工程效益的充分发挥，随着淤积量的逐年增加，清淤保港工作始终十分重要。在工程逐渐老化、存在问题增多的情况下，如何进一步总结过去的工作，吸取经验教训，进行试验研究，深入开展减淤防淤工作，以充分发挥工程效益，具有十分重要的意义。2、 闸下淤积的原因2.1自然原因潮流的涨落运动产生强大的输沙能量，并将大量泥沙带入闸下河道。如东滩中心河闸于1996年7月20日〜21日、25日〜26日在夸套港的周日水文泥沙观测表明：落潮历时大于涨潮历时，闸下涨落历时差达4.06h，涨潮历时3h16min，落潮历时8h51min，涨潮流速大于落潮流速，涨潮含沙量大于落潮含沙量，涨=1.41m/s，落=0.62m/s，涨=2.03g/L，落=0.84g/L.落潮是一个沿程冲刷的过程，但对于细粒泥沙而言，起动流速大于落潮流速，落潮含沙量明显小于涨潮含沙量，泥沙逐渐淤积。2.2历史原因黄河夺淮后在江苏省海岸留下大量细粒泥沙，自黄河北徙，淮河、里下河等地沿海冲淤水源不足，80年代中期以来，国家实施南水北调计划，淮水和长江的水资源大量调入淮北地区，进入淮河和里下河下游的水量仅为60年代的20%，用于沿海挡潮闸冲淤水源更是奇缺。2.3工程原因沿海河口兴建挡潮闸后，加快了闸下引河的淤积，主要表现在以下几个方面。2.3.1建闸后河流径流量减小及径流分配过程改变建闸前由于上游有水必排，能随时冲淤，建闸后控制了上游水源，排水量减少，汛期将多余的涝水排放，非汛期则蓄水灌溉，这样难以有足够的水量保证“冲淤量年平衡”。2.3.2潮流速的变化建闸前涨潮流速过程相对匀称，同时上游河道有部分径流加入，落潮流速还略大于涨潮流速；建闸后涨潮流前峰突出，流速大，落潮历时延长，流速减弱，平均流速比涨潮流速减悬一半。如中八滩河闸建闸前实测平均涨潮流速为0.62m/s，平均落潮流速为0.73m/s，平均落潮历时3h30min；建闸后实测平均涨潮流速为0.58m/s，平均落潮流速为0.33m/s，平均落潮历时7h45min.2.3.3潮流量减少由于闸身截断了上溯到潮区界的潮流量，潮棱柱体相应减少，纳潮容量相对变小，造成落潮平均流量（包括上游下泄径流量）也随之相应减少。2.3.4潮波变形建闸后，挡潮闸下近闸河段的潮流由推进波变为驻波，改变了水力条件，是导致闸下泥沙进一步淤积的重要原因。2.4潮汐水道变化当潮汐水道发育稳定时，闸下淤积就较轻微，当潮汐水道萎缩改道时，闸下淤积就严重。如中八滩河闸的排水口门只经历了4年时间就已萎缩。因此，挡潮闸的兴建一般都选择较稳定的潮汐水道作为排水通道。2.5围垦减少滩面水随着滩面的不断淤高向海推进，为适应国民经济发展的需求，围垦扩大土地资源是必然趋势，但大面积围垦而减少甚至截断滩面归槽水，则加剧了闸下淤积的发展。3、减淤措施建闸后，由于灌溉面积的增加，内河水源相对减少。因此要充分利用水源，抓住有利的时机冲淤排沙，我们通过长期研究和实践，得出了如下实用性较强的水力冲淤方法。3.1.1逢大潮开闸冲淤根据大潮大淤，小潮小淤的特点，放水冲淤采用大潮大放、小潮小放的方法，尤其是大潮大放，冲淤效果极为显著。如1997年8月25日〜9月2日东滩中心河闸关闸淤积试验表明：大汛关闸7d，闸下低潮位增加0.59m，闸下港槽淤积量1.5万m3,而小汛关闸7d，闸下港槽淤积量0.3〜0.4万m3,淤积量大汛关闸是小汛关闸的4〜5倍。而大潮放同样的水，前者的效率是后者的10余倍。3.1.2涨潮时清顶浑根据一般潮水前峰挟沙量大的特点，涨潮前（特别是大潮汛前）开闸放水，顶住浑水，使清水先冲满闸下引河，一般在涨潮前2〜3h开闸放水，取得了较好的效果，大大减少了淤积量。3.1.3低高潮时开闸冲淤在一般情况下低高潮与高高潮相比，低高潮后落潮潮差较大，水位落到最低，落潮流速较大，选择大潮汛的低高潮后开闸，可以获得相对较小的河道水深和较大的势能，从而增加冲淤效果。同时，还可以顶住下一个潮差较大的涨潮，起到清顶浑的作用。3.1.4利用水头差开闸冲淤利用水头差开闸，由于势能的作用，可增加瞬时流速，加大瞬时流量。1998年6月〜9月，东滩中心河闸进行了不同水位差冲淤试验，共分3组，水头差分别为0.5m、1.0m和1.5m，试验结果见表1.试验结果表明：小水位差冲刷范围较近，中、大水位差冲刷范围较远，最大影响范围为2500m.结合其它挡潮闸放水冲淤的试验资料可知：最佳冲淤水位差在0.8〜1.0m左右，每次冲淤2〜3h，连续冲淤效果差，间隔时间至少2〜3d.3.1.5纳潮冲淤纳潮冲淤是解决河口水力冲淤水源不足的有效方法。1998年2月26日至4月3日，中心河闸进行过一次纳潮冲淤试验，先后纳潮5次，其中大潮3次，平常潮2次，纳潮总历时9h55min.纳潮水量154万m3，冲淤14h45min，冲淤水量205万m3.闸下冲刷土方2.32万m3,上淤河道冲刷土方0.61万m3,沉积土方1.35万m3,实际纳潮带进泥沙0.74万m3.试验结果表明，纳潮冲淤水源充沛，成本低，不与工农业生产争水，但上游淤积无法避免。纳潮冲淤必须具备一些条件：一是在农田不用水的时候；二是在盐水可能回溯的河段，各引水口建封闭闸，阻止盐水进入农田；三是纳潮闸须有反冲设施，上游需建控制潮水上溯的工程。另外，抓调度集中冲，大洪水连续冲，落潮顺风多冲，逆风少冲，大开（堰流）冲远、小开（孔流）冲近，雨后多冲、无雨少冲和冲淤量保平衡等，都是冲淤中应掌握的方法。3.2机械清淤一般讲在上游水源有限，闸下河床比较坚硬，靠水流难以冲动的情况下，或者是在上游水源紧缺顺流搅动以增加落潮或上游来水带去沙量的情况下，用机械清淤能得到最佳效果。3.2.1机船拖淤闸下引河落潮含沙量明显小于涨潮含沙量，落潮时借助于机械的搅动，在同样的水流条件下，原来未能起动的床面泥沙便能起动和悬浮，使落潮或下泄径流挟带更多的沙量向下输送，这对于解决泥质河口淤积问题是一种经济而可行的清淤措施，对引河短、水深小的河道效果更为显著。江苏省自60年代中期以来就推广了此法，影响拖淤效率的拖具经不断改进和创新，经历了拖动型、驱动型、掺气型三个阶段，其中以掺气型工效最高。其它如利用机船推进器搅动冲淤、高压水枪冲淤等都是行之有效的方法。如1994年9月，夸套河闸下游引河3.15km范围内，河床底普遍淤积1.2m以上，仅放水冲淤难以奏效，后用8台11KW柴油机，8台20.32cm混流泵装配成8条抽水冲淤机船，以出水管的出口处装束节进行抽水射流冲淤作业，10月1日至11月30日共30潮次，冲刷河床板结土1.1万m3，河底高程降低0.5m，效果明显。3.2.2机船挖淤机船挖淤是一种经常性措施，简易绞吸式挖泥船清淤，早在1990年就已使用，它利用刀轴带动主附刀片旋转，切割水下泥层，使之绞成泥浆状态，通过泥浆泵将泥浆送至岸上，最大泥水输送距离可达100m，扬程可达5m，这种挖泥船体积小，造价低，工效高，操作方便，正常1h可挖30〜40m3泥土，水下作业可深达2.2m，连续工效每昼夜可挖泥600〜800m3.它适用于清除闸下附近河段淤积，切滩及汛前开槽保港等方面。3.2.3水力冲塘1994年淮海农场把水力冲挖机组开挖鱼塘技术应用到河道清淤疏浚工程中，实行机械与人工相结合的办法，具有节省劳力、提高工效的优点，该技术在江苏省得到广泛推广应用。淮海农场已成功地应用该技术进行港道的裁弯取直、河道开挖、滩涂围垦和低滩吹填筑堤等。如1995年东滩中心河闸下游1.5km长的弯曲淤积港道，行水不畅，后组织2台机泵直靠型水力挖塘机组利用小潮汛突击施工，7月6日〜12日，共作业250台时，施工长度175m，口宽8〜10m，共挖土方0.25万m3,完工第2天已成行水主道，缩短下游引河港道流程1.1km，提高了冲淤效果和排涝能力。4、防淤措施4.1工程措施4.1.1修筑导堤依据河口特性，因势利导地拟定合理的工程措施，才能取得好的效果。在河口一侧或两侧修筑导堤，一是改变水流条件，切断由风浪掀起的海滩泥沙补给源，减少涨潮流挟带进入引河的沙量；二是约束和稳定下泄径流，束水攻沙，改善并稳定出口水深，从而达到减少引河淤积的目的。4.1.2正确确定闸下引河长度闸下引河类型可分为两类，一类是长引河——径流型，一类是短引河——潮流型。一般而言，长引河——径流型河口是以径流为主要动力的，当径流来量不足，极易导致水文泥沙的不平衡，造成严重淤积。短引河——潮流型河口则是以潮流为主要动力的，实践证明这种河口淤积就较轻微，如东滩中心河闸引河长度仅0.35km，闸下淤积相对较轻，港槽状况良好，而夸套河闸引河长达3.15km，由于淤积严重，工程效益衰减约为原设计的50%以上。因此，挡潮闸距离海口宜控制在0.8〜1.0km以内，可较好地解决闸下淤积。4.2植物措施由于废黄河口外以及浅海滩涂大量泥沙在风浪和潮流作用下的再分配，因而最好的防淤措施一是防止海滩产沙；二是切断涨潮流挟带泥沙进入河口。如南八滩河闸、北八滩河闸下游浅海滩涂上长有大片的大米草和至花米草等，闸下淤积就较轻。因此，在浅海滩涂大量种植