引航道清淤措施研究探讨

结合葛洲坝水利枢纽工程实践，对引流冲沙、引流结合松动冲沙、机械挖泥等清淤措施进行了研究。

（一）引流冲沙

通过冲沙闸或冲沙隧洞引流入引航道，利用水力冲刷引航道的淤积物，应考虑如下因素：

（1）冲沙时引航道流速大于泥沙淤积物的起动流速，且悬浮指标（z=，式中：ω为泥沙沉速；k为卡门常数；u*为摩阻流速）较小，以便泥沙处于充分悬浮状态；

（2）单位水量的冲沙量力求最大，即冲沙的耗水量力求最小；

（3）冲沙速率力求较高，即冲沙历时尽量缩短。

引流冲沙是解决葛洲坝枢纽船闸引航道泥沙淤积的主要措施，20年来通航实践表明，每年汛期及汛后运用冲沙闸引流泄沙，辅以少量机械清淤，有效地保持了三江和大江航道畅通。以三江航道1981年两次冲沙实测资料为例^[16]，冲沙量沿程各断面主流线最大表面流速可达5.9～6.7m/s，下游引航道出口处含沙量可达10.9～11.2kg/m3（表4-24、图4-56）；三江航道总淤积量为285.5万m3，两次冲沙总量253.5万m3，冲沙率达88.8%。冲沙共用水量37600万m3，冲走1m3沙耗水148.5m3。

表4-24　1981年葛洲坝枢纽三江航道冲沙的情况

图4-56　葛洲坝枢纽三江航道冲沙过程中含沙量的变化

根据三江航道运行20年的资料分析，对三江航道的冲沙效率、冲沙流量、冲沙历时、冲沙时机有如下认识。

1.冲沙效率

影响冲沙效率的主要因素是冲沙流量、冲沙时机、冲沙历时和冲沙次数等。1981～1985年，葛洲坝枢纽坝前水位60～63.5m，三江航道每年总冲沙量为175.9万～282.9万m3。三江航道的总冲沙率为52.9%～85.7%，下引航道的冲沙率大于上引航道。1986年坝前水位抬高至66.0m，但冲沙闸的调度运行规程更为完善，年总冲沙量为145.0万～253.9万m3，冲沙率为27.5%～52.6%（表4-14）。冲走1m3沙耗水量平均为199.2m3。

三江引航道冲沙前后的地形变化表明（图4-42、图4-43），冲沙后大部分当年的淤积物可以被冲走，但局部河段须机械清淤，包括上引航道的王家沟边滩、口门内左边滩，2号船闸上闸首右边滩；下引航道的3号船闸下闸首左边滩、口门区左边滩和右边滩等处。年机械清淤量为7.6万～51.3万m3（表4-14），上引航道机械清淤量一般大于下引航道。

2.冲沙流量

冲沙时航道内的流速是影响冲沙效果的主要因素。冲沙流量须综合考虑航道内形成较强冲刷能力的流速、坝前水位、坝下游水位、航道护坡工程的安全，以及发电用水等因素来确定。葛洲坝枢纽坝前水位年内变动不大，坝下游水位则取决于枢纽下泄总流量。电站机组全部运行时需流量约1.8万m3/s，因此，汛末在长江流量2.4万m3/s左右冲沙时，冲沙流量控制在6000m3/s左右。当长江流量超过2.4万m3/s时，冲沙流量适当加大至8000～9000m3/s。

3.冲沙历时

冲沙历时与冲沙流量、冲沙次数、航道淤积量等因素有关，还须尽量避免对航运的影响。根据冲沙过程中引航道含沙量变化过程观测（图4-56），开闸后3～4h，下引航道出口断面含沙量增至最大值，冲沙效果最好。随着航道冲刷，过水断面扩大，流速和含沙量逐渐减小，至开闸后10～12h，冲沙效果已明显减弱。因此，一次冲沙的历时以10～12h为宜。

4.冲沙时机

冲沙时机与各年上游水沙情况、航道淤积量、冲沙次数等因素有关。航道淤积量较大的年份，需要进行多次冲沙。冲沙时机宜选在汛末最后一次洪峰过程中。过早则冲沙后又来洪峰，航道回淤；过晚则错过末次洪峰，冲沙与发电用水难以协调。一般宜在每年汛末9月份长江流量2.4万m3/s左右时进行冲沙，冲沙次数一般为2～3次。

（二）引流结合松动冲沙

1.引流结合松动冲沙的目的

在上述利用冲沙闸引流冲沙的过程中辅以机械松动措施，目的是提高冲沙效率，减小冲沙流量和耗水量。

在河道冲刷过程中，水流挟带泥沙从非饱和到饱和状态，需要通过一段河床的冲刷，而冲刷段的长短则取决于水流流速的大小、来水的含沙量和河床组成粗细。葛洲坝枢纽三江航道冲沙实测资料分析表明，冲沙过程中三江航道各段的水流挟沙力均远大于实际含沙量，两者之比最大可达数十倍，这些河段的挟沙水流处于次饱和状态。1995年在葛洲坝枢纽三江引航道进行了小流量冲沙现场试验［1］，从三江下游引航道实际水沙资料分析，并引用长江中游挟沙能力公式计算水流挟沙力：

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式中：S为水流挟沙能力；v为断面平均流速；H为平均水深；ω为泥沙沉降速度。实测水流含沙量与计算的水流挟沙力对照，后者大于前者，两者差值随流速增加而明显增大，特别是当流速大于2m/s时，由于水流挟沙力与流速3次方成正比，相差达3倍以上。详见表4-25和图4-57。可见在引流冲沙的过程中，若辅以机械松动河床淤积物，有可能提高引流冲沙的效果。

表4-25　葛洲坝枢纽三江下游引航道冲沙时的水沙实测值

注　实测时间为1995年9月25日。

2.射流松动冲沙措施的研究

图4-57　葛洲坝枢纽三江下游引航道流速和含沙量及挟沙力的沿程变化（流量为3220m3/s，1995年9月25日）

引航道引流冲沙过程中松动河底的方式有直接用机械在床面松动和用射流冲起河底泥沙两类。20世纪30年代，美国曾利用拖沙船把浅滩泥沙搅动后，随水流带到下游。我国20世纪70年代在海河河口利用带拖具的拖沙船进行过拖淤现场试验，结果认为，河口落潮时机船拖淤可使水流挟沙能力提高3～6倍，拖具的形式有垂直齿轮轴、束水板和液压动力转齿等。20世纪70年代，国内外开始研制和应用水力冲沙船，工作原理是用高压水喷头将河底的泥沙冲起，由水流带走。1980年，长江科学院、长江流域规划办公室荆江河床实验站等单位利用长江航道局“冲沙一号”冲沙船在长江枝城下游的百里洲支汊彩穴段和支流沮漳河进行了冲沙实验，冲沙效果较好，在河段流速为0.20～0.63m/s时，冲沙效率达1012～4586m3/h。1990～1994年，武汉水利电力大学机电排灌研究所研制了JET型系列冲吸式射流挖泥船，并用于珠江和菲律宾的宾加水库清淤。在菲律宾宾加水库静水条件下，中值粒径为0.1mm泥沙的最大水下输送距离为400～600m。20世纪70年代，日本建造了“亚洲一号”及“海龟号”大型射流挖泥船在海中采沙，进行填海造地。80年代，荷兰Volker Stevin公司按水射流扰动方式，研制了“Jetsed号”水力冲沙船，用于港口清淤。90年代，英国Alluvial公司研制了“Wing Dredger号”以水力冲沙为主的射流挖泥船。以上实例说明，在引流冲沙过程中辅以射流冲沙船松动河底在技术上是可行的。

（1）射流松动河床水槽试验。射流冲沙船进行松动冲沙的技术问题之一是射流入射角度。为此长江科学院进行了专门的试验研究［13］。射流动床冲刷试验在长3600cm、宽60cm、深90cm的水槽中进行，动床范围为200cm×60cm，厚度为40cm。选用株洲精煤模拟天然淤沙，其中值粒径为0.046mm。模型沙平铺前经过充分浸水密实，铺后缓慢充水使床面不出露水面，各组冲刷试验开始时，床面上水深均为30cm。喷嘴平面位置固定，且紧贴床面，然后按要求逐级调整喷嘴流量，并更换不同直径的喷嘴及变换角度进行试验，并测出冲刷地形。喷嘴直径为1.5mm、2.5mm和3.0mm3种。喷嘴出口流速分别为4.5m/s、6.7m/s和8.9m/s。试验过程中发现：从时间为0～2min的时段内，由于水流施加在床沙上的动力远大于床沙的有效重力和粘结力之和，喷嘴附近的床沙被松动掀起，冲刷剧烈。平坦的床面上很快形成冲刷坑；2min后冲刷强度减弱，冲刷坑形态逐渐趋于稳定。超过15min以后，由于冲刷坑边壁坍塌，坍塌物又被水流掀起带出冲刷坑，进一步扩大了冲刷坑范围，故为了便于研究，统一取冲刷历时为10min。

图4-58　喷射角度的示意图

对射流与床面交角为90°、75°、50°、25°、15°共5个角度进行了冲刷试验（图4-58）。试验中观测到：除90°入射角外，其他角度由于冲刷坑后方水流强度的减弱，冲起的泥沙堆积下来形成沙垄；90°入射角冲刷坑形成的沙垄，因水流垂直向下，冲刷坑为圆形，故沙垄呈环状；从90°～15°所形成的冲刷坑形状随着喷射角度的变小，由圆形逐渐演变为油滴形，并随角度趋于15°而向勺状冲刷坑发展。入射角度愈小，冲刷量越大，相同试验条件下，入射角15°的冲刷量为入射角90°的1.6～4.2倍。原因是扬起的泥沙借助射流的水平流动而移动较大距离，而方向垂直于床面或近似于垂直床面的射流，向下冲击力较大，故冲刷深度最大，但扬起的泥沙移动不远，加剧了沙垄的快速形成，当水流无力将泥沙扬至沙垄最高点时，冲刷坑便趋于稳定。

综上所述，航道内设置水下喷射装置在引流冲沙的同时松动河床，能显著提高冲沙效果；射流冲刷坑的尺寸与喷射角度、喷嘴出口流速、喷嘴流量等因素有关，射流入射角度以15°为宜；相应试验条件的冲刷坑长度、宽度、深度分别为喷嘴直径的90～160倍、37～67倍和36～86倍。

（2）射流松动冲沙的现场试验。为研究射流松动冲沙的效果，1997年9月长江水利委员会三峡水文水资源勘测局和长江航道局在葛洲坝枢纽三江下游引航道进行了射流松动冲沙试验［2］。试验河段分两段，第一段长250m，位于枢纽坝轴线下游2600～2850m；第二段长200m，位于坝轴线下游3300～3500m（图4-59）。在松动冲沙试验期间，进行了水下地形、流速、流态、含沙量、水位、流量和冲沙船航迹线观测。射流松动冲沙的射流系统是利用长江航道局吸盘1号挖泥船的射流设备，包括两台清水流量为1080m3/h、压强为0.7MPa的高压水泵，每排24只直径22mm的喷嘴，共两排，排宽为8m。

图4-59　葛洲坝枢纽三江下游引航道射流松动冲沙试验的布置图

1997年9月23日进行第一段的冲沙，历时2h；实测平均流量1860m3/s；24日进行第二段的冲沙，前2h实测平均流量为1960m3/s，后1h实测流量为2680m3/s。冲沙过程中各断面的流速和含沙量列于表4-26。第一段的单位面积冲刷厚度为0.17m，其上、下游段分别为冲刷0.05m和0.09m；第二段的单位面积冲刷厚度为0.193m，其上、下游段分别为0.071m和0.21m。分析上述试验成果可以得出如下认识。

表4-26　松动冲沙过程中水流泥沙的特征值

1）松动段冲刷厚度大于其上、下游段，说明射流冲沙效果显著。第二次试验的下游段冲刷厚度大于松动段，是由于试验过程中流量增大，下游段冲刷增加所致。

2）河床冲刷过程中水流含沙量沿程逐渐增加，但实测断面含沙量小于水流挟沙力，说明引流冲沙的潜力很大，采取射流等机械松动方式来提高引流冲沙的效率是可行的。

3）本项试验所用的冲沙船和射流装置是非自航式吸盘挖泥船及其附属射流设备，其冲沙效果不够理想，有待进一步研制松动冲沙专用的船只和相关设备。

（三）机械挖泥

以上两种引航道清淤措施对清除引航道口门内的泥沙淤积物效果较优；但引航道防淤隔流堤口门外的清淤，以及引航道口门内的局部淤积物的清除，仍主要依靠机械挖泥解决。

通航建筑物上、下游引航道口门外的航宽较大，挖泥船清淤作业不至于影响通航。下游引航道内局部清淤，也因大量泥沙淤积主要在汛期发生，碍航情况则在枯季，故可在汛期末进行清淤作业，只要作好施工安排，亦不致造成挖泥施工与通航的相互干扰。

综上所述，通过葛洲坝水利枢纽船闸引航道防淤清淤的工程实践，以及对三峡工程通航建筑物引航道防淤清淤问题的研究，认为在通航建筑物引航道，采取引客水破异重流、射流破异重流、潜坝拦阻异重流等防淤措施，以及引流冲沙、引流结合松动冲沙、机械挖泥等清淤措施，都有一定的防淤、清淤效果，但在选定防淤清淤工程方案前须结合枢纽通航建筑物的特点，通过技术、经济和水资源综合利用比较加以选定。