引航道防淤措施的研究与优化

引航道内的泥沙淤积主要原因之一是异重流引起，而异重流是由引航道防淤隔流堤口门外的挟沙水流与引航道口门内的清水间的密度差所导致。因此，解决异重流淤积的主要途径是设法阻止异重流进入引航道内，将异重流拦截在引航道口门外。曾研究以下3种措施：引客水破异重流；在口门处利用射流破异重流，其中包括口门处设置水帘、气帘和近底射流破异重流；以及在口门处设置潜坝拦阻异重流。

（一）引客水破异重流

本项措施是设想在引航道上游端引进清水（亦称客水），使引航道内的水体形成向口门外流动的状态。其运动方向与异重流流动方向相反，以阻止异重流从引航道口门处潜入，达到防止引航道内泥沙淤积的目的。

1.引客水破异重流的机理［12］

异重流水槽试验表明，在异重流水槽封闭的一端加入客水时，随着所加客水平均流速不同，出现两种异重流破坏现象。其一是在客水流量较小时，异重流头部运行速度开始时略低于加客水前异重流头部运行速度，且异重流头部层层削薄呈三角形状态，随着异重流运动距离的增加，头部运行的速度迅速减小；其二是当客水流量较大时，异重流头部很快呈破碎状态，并全断面掺混扩散，异重流不能潜入清水水槽内。

在其他条件相同的情况下，加客水时异重流头部运行速度远小于不加客水情况下的速度。这主要是在不加客水情况下，异重流运动仅需克服沿程阻力，故其头部运行速度沿程变化不大；而加入客水情况下，异重流头部的运行不仅需克服沿程阻力，还需克服客水反向运动的阻力，因而其头部运行速度沿程迅速减小。当客水流速达到异重流头部运行速度时，异重流头部运动被破坏，而无法继续向前运动。

因此，引客水破异重流的关键是确定异重流头部运行速度与客水流速之间的关系，亦即确定引入多大流量的客水，异重流就恰好不再向引航道口门内运动。

根据水槽中观察的异重流破坏现象，其运动的概化图形如图4-50所示。对于1～2段水体，从能量平衡原理中的势能和动能转化过程，以及应用动量方程，均可推导出：

式中：u1和u2分别为上层清水和异重流速度；Δρ为浑水和清水的密度差，即Δρ=ρ'-ρ，ρ'和ρ分别为浑水和清水的密度；H为水深。

图4-50　异重流运动的概化图形

假定异重流头部厚度h为水深H的一半，以此为2～3段水体的起始边界条件。进一步对2～3段水体进行分析，用动量变化描绘该水体的运动，从而推导出临界流速u3与异重流头部速度u2的关系。其边界条件是当异重流潜入清水槽后，由槽的尾端加入客水，假设客水平均流速为u3，当t=0时刻，起始断面2上的u1、u2为已知；当t=t1时刻，断面3的上层清水瞬时速度假定为u1+u3，而底层异重流被客水阻挡停止前进，其速度为零，此时即为临界状态。取2～3段水体为研究对象，作用在水体上的合外力为：

2～3段水体中包括清浑水两部分，因此动量的增量为两者之和，即：

式中：m为水体的质量；Δm1、u1为清水动量增量；Δm2、u2为浑水动量增量。

假设以u2方向为x向坐标，则：

其中

式中：upj为清浑水的平均相对速度。

令

则

2～3段水体的动量方程式为：

当底层异重流速度为零，而断面3的上层清水u1=0时的边界条件下，解得K值为1.54。由以上推导分析可以看出，不同边界条件的K值亦不相同。由于清浑水两种流体密度不同，单位体积的浑水质量大于清水质量，因此最小K值应大于1。

引客水破异重流试验在长10m、宽深各为0.5m的平底玻璃水槽中进行。该玻璃水槽外连浑水水槽。试验开始前浑水水槽有浑水循环流动，玻璃水槽内充满清水且呈静止状态。当清浑水的水位齐平时，抽出浑水水槽与玻璃水槽交界处的闸板，浑水即潜水玻璃水槽中形成异重流，客水由专门容器加入，客水流速用激光流速仪测量。模型沙为精煤粉，容重为1.33t/m3，中值粒径为0.008～0.01mm。试验过程中观测异重流停止前进时的客水流速，即为临界流速值。

异重流水槽试验得出的K值为1.3～1.99（见表4-16），试验条件即为理论推导时K=1.54的边界条件，因此所得到的K值与动量方程推导结果基本一致。

表4-16　异重流水槽试验K值的成果

2.引客水防淤的效果

在异重流水槽中进行引客水的拦沙率试验，试验水槽系统包括清水玻璃水槽（长8m、宽0.3m、深0.4m）、浑水水槽和浑水池。模型沙为滑石粉，容重为2.65t/m3浑水水槽水流含沙量为1.5kg/m3，清水水槽水深为15cm和20cm，加入清水水槽的客水流量为0.3L/s，相应的客水断面平均流速分别为0.67cm/s和0.5cm/s。试验成果表明，水深20cm、客水流量0.3L/s时，拦沙率达81.7%；水深15cm、客水流量0.3L/s时，拦沙率为86.7%。亦即引客水破坏或阻止异重流进入盲肠河段，关键是客水流速与异重流头部速度的比值。

为结合三峡工程实际，在1∶150的正态坝区泥沙模型上进行了引客水的拦沙率试验［15］。模型模拟河段上起庙河，下迄莲沱，全长约31.5km，模型模拟泥沙包括悬移质和推移质，模型沙采用株洲精煤，容重为1.33t/m3。

模型上特设置小型平水塔一座，客水流量用液体LZB-80型浮子流量计控制，以保证所引客水的准确性和稳定性。在升船机下游引航道和船闸下游引航道交汇处河底设置出水管一排，在水管侧面开有一定数量出水口，使出水管的水流稳定均匀，流向与异重流潜入方向相反。进行了客水流量为200m3/s和400m3/s两组流量的试验，成果列于表4-17。

表4-17　三峡枢纽坝区泥沙模型引客水破异重流的试验成果

试验成果表明，流量200m3/s的客水拦沙效果较差，拦沙率仅为10%左右；流量400m3/s的客水拦沙效果较好。原因是航道内平均客水流速前者仅为0.07～0.09m/s，后者达0.15～0.18m/s。根据葛洲坝枢纽施工期三江下游段实测资料，异重流头部运行速度为0.1m/s左右，上述现象正是由于前者客水流速小于异重流头部上溯速度，而后者则大于该速度所致。

上述各项试验表明，引客水破异重流从而达到减少引航道口门内泥沙淤积的目的，是一种可行的工程措施，但对三峡工程船闸下游引航道而言，当加客水流量在200m3/s以下时，其拦沙效果甚微；当加客水流量在400m3/s以上时，拦沙效果较明显。

（二）射流破异重流

通航建筑物上下游引航道口门内泥沙淤积主要由异重流引起，设想在引航道隔流堤头附近利用射流来破坏异重流头部的上溯运行，阻止异重流进入引航道内，减小引航道内的泥沙淤积量。

1.水帘破异重流

在隔流堤口门附近引航道底部均匀布置管道，并在管道上设置均匀分布的小孔，压力水由管道小孔垂直向上喷出，在引航道口门形成垂直于河底的射流紊动区，相当于形成一个水帘，以阻止或减弱异重流头部潜入引航道口门内。

在异重流水槽中，进行了水帘破异重流机理的试验研究［15］。采用株洲精煤和滑石粉作模型沙。试验中观察到，设置水帘后，引航道内处于静止状态的水体，受到由水底向水面喷射高压水流的射流作用后，在喷孔断面的上、下游一定范围内形成一个水流结构复杂的、紊动强度很大的射流流场（图4-51），当异重流头部运行到该流场时，立刻被破坏。异重流所携带的泥沙迅速在全断面扩散，其中一部分浓度较低的浑水继续向口门内运动，形成次生异重流。同时由于水帘射出的清水增加了这一区间的水量，而且这部分水体流向口门外，具有加客水的作用，提高了水帘的拦沙效果。各种形式水帘的拦沙率为4.2%～25%，以横向三排水帘的拦沙率最高（表4-18）。

图4-51　水帘喷孔附近的流场示意图

表4-18　水帘破异重流水槽试验的成果（模型沙为株洲精煤）

为结合三峡工程实际，在几何比尺为1∶150正态坝区泥沙模型上进行了水帘拦沙率试验［15］。模型沙为株洲精煤。为保证水帘所喷出水量的稳定性和准确性，特设小型平水塔一座，喷水量用液体LZB-50型浮子流量计控制。高压喷孔装置设在下游引航道口门，各项试验条件和成果见表4-19，拦沙率为11%～26%。

表4-19　三峡枢纽坝区泥沙模型水帘破异重流试验的成果

2.气帘破异重流

为研究气帘的拦沙效果，在异重流水槽进行了试验［15］，模型沙仍采用株洲精煤和滑石粉两种。各项试验成果见表4-20。试验成果表明，气帘拦阻异重流头部上溯运动的机理与水帘类似（图4-52）。压缩空气喷射进入静态水体后，由于喷孔出口处气流流速相当大，气流和水体未能充分渗混，而始终保持着气、液两相界面直到水面逸出。但是空气密度仅为水密度的1/1000左右，即使喷口处空气流速与水流流速相当，气帘所具有的动量也要小得多；气帘断面附近的水体没有增加，故不可能像水帘那样具有一股流向口门外的水流。并且当异重流在口门处遭气帘破坏后，形成次生异重流现象更明显，因此气帘的拦沙效果不如水帘。

表4-20　气帘破异重流水槽试验的成果

图4-52　气帘喷孔附近流场示意图

无论采用哪种气帘形式，都有一定的拦沙效果。与水帘一样，气帘形式不同，其拦沙效果也不同，纵向气帘拦沙效果优于横向气帘。另外，气帘的拦沙效果并不随气帘的喷气量增加而增加。当气帘的喷气量过大时，将引起口门附近水面上下起伏波动较大，使得泥沙易于扩散至口门内侧，再形成次生异重流，拦沙效果反而较差。

为结合三峡工程实际，在几何比尺为1∶150的正态坝区泥沙模型上进行了气帘拦沙率试验［15］。模型沙为株洲精煤。气帘的加气量需由流量比尺计算。由于模型水流加入空气流，故模型和原型的密度弗劳德数Frd必须相等。

式中：Δρ为密度差；ρ为水的密度；g为重力加速度；H为水深。

模型水流运动应遵守重力相似准则，故要求=1。因模型和原型两种流体均为水和空气，故气流流速和流量比尺与水流相应比尺相等。为了保证气帘喷气量的稳定性和准确性，选用3W-0.7/7-B型空压机，稳压加调压的双重全自动控制系统来控制压力，采用气体LZB-40型浮子流量计控制气量。高压喷气装置设在船闸下游引航道口门，试验成果见表4-21。试验成果表明，喷气量和喷孔布置形式不同，其拦沙效果也不同；气量太大，反而会加大泥沙扩散。各种气帘形式和气量都能在一定程度上减少口门内的泥沙淤积，但同时加大口门外的泥沙淤积。试验中口门内整体拦沙效果较水槽试验结果差，原因是由于坝区泥沙模型下游引航道口门外存在一回流区，并且引航道两侧坡面未设置气帘。

表4-21　三峡枢纽坝区泥沙模型气帘破异重流试验的成果

3.水平附壁射流破异重流

由于异重流是以近底的头部形式沿引航道上溯运动的，在引航道上端加入客水来破异重流，由于客水的流速沿垂线呈上大下小的分布形式，因此需要加入流量较大的客水才能取得较好的效果。若在引航道口门处靠近河底加入水平附壁紊动射流客水，射流向下游发展过程中，上部边界和自由射流一样卷吸周围流体，射流厚度逐渐增大，同时最大流速位置仍保持偏靠航道底部。只要在射流口下游一定距离处的射流厚度大于异重流头部的厚度，且射流断面流速等于或大于异重流头部运动速度，将有效阻止异重流自引航道口门上溯运动。

在异重流水槽进行了水平附壁射流破异重流的试验［13］。射流喷水器由钢管、有机玻璃制成，全箱分为三段，即进口段、均匀段、射流口门段。喷口宽度与水槽宽度相同，即b=30cm，喷口厚度b0为0.25cm、0.4cm、0.6cm，喷口下缘紧贴水槽底面。模型沙为株洲精煤，容重为1.33t/m3，中值粒径为0.046mm。浑水含沙量为1.0～6.0kg/m3，清水玻璃水槽水深为10～30cm，喷口流量为16～600L/h。

射流从壁面孔口射出后，与周围静止的水体发生掺混后向前运动，射流的边界不断向外扩展，其过水断面相应扩大，流量也沿程增加，流速逐渐减小。当射流边界达到一定厚度后（在接近水面一定距离），边界线突然上扬，并伴随着涌泡产生微弱水跃，这是与无限水深情况附壁射流的显著区别之一。射流喷口至射流边界与水面交点（上扬点）之间，在射流上产生一横轴环流，环流方向下部与射流方向相同，上部与射流方向相反。横轴环流的范围和强度与水深H及射流初速U0有关。水深愈大，环流范围愈大，反之愈小。初速愈大，环流愈强，反之愈小。在射流喷口附近的水面存在一竖轴环流，分析其原因，横向环流是因为射流具有初始动量，动水与静水的摩擦造成的；竖轴环流是因为动量卷吸周围水体的结果（类似于水泵抽水时水面的漩涡）。另外，射流喷口至清水水槽内部，由于壁端固定，被卷吸的水体与静水摩擦也产生一横轴环流，由于被卷吸的水体动量非常小，故这一环流非常微弱。

图4-53　水平附壁射流场的纵断面示意图(www.xing528.com)

图4-53为水平附壁紊动射流在半无限静止流体中的运动图形。流体从喷口射出后，上部边界和自由射流一样卷吸周围流体，产生掺混作用向下发展，下部边界受固体壁面摩阻作用形成壁面边界层而向上发展。分析水平附壁紊动射流，用边界层理论简化，相应的运动方程组为［14］：

式中：τt为紊动切应力。

根据实验资料，光滑壁面上附壁紊动射流主体段的流动存在相似性，如以um为特征，流速断面上u=处的y值作为射流厚度b，则断面上流速分布的相似关系可写为：

并设

由基本方程得出水平附壁紊动射流近似关系：

取动量通量、密度和x为基本物理量，通过量纲分析，得各个特征量的关系式为：

式中：c1、c2为常数。

由水槽实验资料得出：

式中：b1为射流扩展厚度。

有以下关系：

若忽略b0，则：

射流主体段断面平均流速u与喷口流速u0的关系式为：

在异重流水槽中进行了水平附壁射流破异重流的试验，探求其拦沙效果（图4-54）。射流喷口位于清水水槽口门处。选取一种水深（15cm），两种含沙量（3.0kg/m3、4.1kg/m3），两种喷口厚度（0.25cm、0.4cm）及四种喷口流量（200L/h、300L/h、450L/h、600L/h）进行组合试验。每组试验历时8h，观察异重流头部被射流破坏的过程，测量清水水槽内的淤积量，并计算其拦沙率（表4-22）。当喷口流速较小时，异重流头部运行至射流影响范围内，头部厚度有所减小；而喷口流速较大时，异重流头部厚度明显减小，头部甚至后退。由表4-23可知，拦沙率与水深H、浑水含沙量S、喷口厚度b0及喷口流量Q0等因素有关。含沙量大时，拦沙率较低；含沙量小时，拦沙率较高。当含沙量及水深一定，喷口流量较大时，拦沙率较高；喷口流量较小时，拦沙率较低。拦沙率还与喷口厚度有关，b0较大，拦沙率较小；b0较小，拦沙率较大。但从总体情况看，当水深为15cm，含沙量为3～4.1kg/m3时，喷口流量Q0=200～600L/h（相应射流流速为4.6～22.2cm/s）时，拦沙率为71%～97%，说明水平附壁射流的拦沙效果较好。

图4-54　异重流潜入的纵断面示意图

表4-22　水平附壁射流拦沙效果的比较表

三峡枢纽船闸下游引航道长度为2722m（从船闸出口至隔流堤头部），口门宽200m。枢纽运用后，隔流堤口门内引航道年碍航回淤量最大达105万m3，其中大部分是异重流淤积物，口门处回流范围较小，回流淤积量不大。

据以往研究，引航道口门处异重流头部厚度h与潜入断面水深H成比，即

异重流头部运动速度u'可用下式计算：

式中：γ和γ分别为浑水和清水的容重；g为重力加速度；k1和k2为系数。

根据葛洲坝枢纽施工期三江下游段资料，k1、k2分别为0.5和0.405，实测异重流头部运动速度为0.1m/s左右。

若在口门河底处设水平贴壁射流口，要求射流扩展一定距离后，断面平均流速u等于异重流头部速度u'；射流厚度应大于或等于异重流头部厚度，因异重流惯性作用，使其逾越障碍物的能力很强。根据试验资料，取射流厚度b1为水深H的0.8倍。即：

引航道口门处汛期6～9月平均水深H为11.4m，设射流口高度b0为0.1m，由式（4-20）得射流口处流速u0为：

射流流量：

射流口位于隔流堤堤头内的长度为：

实际设置的射流口并非水平贴壁射流口，而是一定孔距的多个孔口射流。根据研究［14］，孔口下游6.5倍孔距处，可视做水平附壁射流区。

（三）潜坝拦阻异重流

由于引航道内为静水，大江浑水以异重流形式潜入，导致口门内引航道大量泥沙淤积，因此设想在引航道口门处设置可以随时调整坝顶高程的潜坝，例如通用的橡胶坝，汛期大江水位高和含沙量大的时段，潜坝顶部水深仅需保持等于通航要求的水深，故可拦阻部分异重流潜入引航道口门内。

异重流运动的特点之一是重力作用大大减低。异重流的容重γ'为：

式中：γ为清水容重；γs为泥沙的容重；S'为异重流的含沙量。

异重流受周围清水的浮力作用，其有效容重Δγ为异重流的容重γ'和清水容重γ之差，即：

或

式中：ρ及ρ'分别为清水和异重流的密度；g为重力加速度。

若以g表示有效重力加速度，则异重流的有效容重应为：

或

因此

由于是小于1的数值，故异重流的重力作用较清水大大降低，惯性力的作用较之重力作用相对突出。若以异重流弗劳德数Fr'表示惯性力与重力作用的对比关系：

式中：U'为异重流的速度；h'为异重流深度。

由于异重流的弗劳德数Fr'较相同水力要素的一般明渠水流的弗劳德数Fr大倍，异重流翻越障碍物的能力较强。因此，为了解潜坝拦阻异重流的效果，进行了水槽试验［13］。异重流水槽的清水槽段长0.8m、宽0.30m、深0.40m。模型沙为滑石粉，容重为2.65t/m3，中值粒径为0.014mm。调整不同的浑水槽水流含沙量、清水槽水深和不同的潜坝高度，以观测潜坝拦阻异重流的效果。

试验表明，清水槽口门设置潜坝后，异重流抵达坝前，一部分爬高翻越坝顶进入清水槽内，另一部分与异重流相反方向流动，形成异重流界面上的浑水流；翻越坝顶进入清水槽的浑水，在清水槽内仍以异重流形式向前移动，至清水槽末端后，形成与此异重流相反方向而位于其界面上的反向流动，并可通过潜坝顶部向外流动（图4-55）。水槽试验成果见表4-23。可以看出，无论潜坝采用何种高度尺寸，都有一定的拦沙效果，当潜坝高度为0.8H时，拦沙率达68%～90%。

图4-55　潜坝拦阻异重流的示意图

表4-23　潜坝拦截异重流水槽试验的成果

根据葛洲坝枢纽工程一期导流施工期，三江下游修建下游围堰后，三江下游段1972年汛期观测的资料，三江下游段水深为5.0～6.3m，异重流速度约为0.1m/s，含沙量约为1kg/m3，异重流厚度约为水深的一半。由此可见，潜坝高度至少应为总水深的一半，才能发挥较大的拦沙作用。当异重流行进至潜坝前，受潜坝阻挡时，动能转化成势能，异重流爬高值Δh为：

采用上述葛洲坝工程施工期三江下游段异重流资料估算，U'=0.1m/s，含沙量S'=1kg/m3，泥沙容重为2.65t/m3，得出Δh值为0.82m。加上异重流首部处的厚度约为异重流厚度的1.33倍［19］，而且当其行进受潜坝阻挡时引起的局部混合现象，从而说明潜坝高度为水深0.6倍以上时，拦沙效果才相对较好。