浅谈黄河河口拦门沙疏浚综合技术

摘要:黄河口拦门沙淤积发育变化对河口河段的发展演变有着显著的影响,拦门沙是造成河口河段泄水泄沙不畅、淤积加快、水位抬高和流路摆动的主要因素,特别是拦门沙发育到后期,门槛效应更加明显。拦门沙治理是黄河河口治理的重要组成部分,挖河疏浚作为黄河综合治理的一项措施,正日益受到重视。根据黄河疏浚的历史及近期工程实践经验,通过对黄河口拦门沙疏浚技术措施进行分析比较,提出具体对策技术措施。

关键词:黄河口;拦门沙;疏浚技术

中图分类号:TV851文献标识码:B文章编号:1672-1683(2010)03-0142-04

Analysis of Comprehensive Dredging Technology of Yellow River Delta Sandbar

DONG Wei1,WEI Wei2,ZHOU Qian1

(1.Design, Research and Reconnaissance Institute of Shandong Yellow River, Ji′nan 250013,China;

2.The Office of the SNWDP Construction Commission of the State Council,Beijing 100053,China)

Abstract: Sediment transport and deposition has obvious effects on the development evolution of the Yellow River estuary.The sediment bar in estuary cause sedimentation growing at a faster rate,that is the main reason why the flow moving and the flow velocity is sluggish.The harness of sediment bar is one important part of the Yellow River estuary improvement.River dredging as a comprehensive management measures draws increasing attention from the society.The paper mainly analyzes the development and evolution of sediment bar,taking comparison for sediment bar dredging technology and measures according to Yellow River dredging practice,and the countermeasures are presented.

Key words: Yellow River Delta;sandbar;dredging technology

黄河水含沙量之高举世闻名,大量的泥沙沉积在主河槽中,使下游河道不断淤积抬高成为地上悬河。黄河的主要问题是水少沙多,泥沙淤积严重,黄河口拦门沙是河海动力相互作用后径流能量锐减,咸淡水混合,泥沙絮凝加速沉积而成的堆积体,是造成河口河段泄水泄沙不畅、淤积加快、水位抬高和流路摆动的主要因素[1]。

1 黄河河口拦门沙近期情况及分析

黄河河口流路见图1。黄河河口拦门沙位于黄河口门段,这一区域介于东经118°10′～119°15′、北纬37°10′～38°05′之间,拦门沙位于河口河段的河流与海洋双向动力作用的平衡位置——滞流点附近。

1.1 拦门沙的发育演变

黄河河口流路的不断摆动,导致拦门沙的发育,分为形成、中期、末期三个阶段。第一阶段是河口摆动初期,拦门沙刚形成,顶部有河道与海相通,沙嘴前缘海岸线不甚突出,水流入海畅通,输沙情况良好,海域等深线分布较均匀;第二阶段是河口摆动后的中期,拦门沙横卧于门前,顶部设有河槽与海相通,拦门沙前沿海岸线比较突出,但水流仍较集中,拦门沙上游河道断面较大;第三阶段是尾闾行水的末期,拦门沙与两侧海域连成一片,拦门沙上游河道萎缩,拦门沙前沿海岸线突出较多,水流分汊入海,出流不畅,海域前坡陡峻[2]。

图1 黄河河口流路示意图

1.2 近期河口段河道冲淤变化

利津站是黄河下游最后一个水文站,也是河口地区的水沙控制站,利津以下为河口尾闾段,河道长为104 km,自上而下分为:利津—清1至清8—汊1至汊3—拦门沙坎,拦门沙位于河口尾闾段的最末端。2002年5月-2005年4月河口河段淤积情况见表1,由表1可见利津以下河道共冲刷1 876.9万m3,其中利津—清6河段冲刷1 948.9万m3,清6以下尾闾河段淤积72万m3。从河口段年内冲淤变化看,总体表现为汛期冲刷,非汛期淤积。但从各河段的年内冲淤变化看,上下冲淤变化不尽一致。利津—清6河段为汛期冲刷,非汛期淤积,而清6—汊2河段则非汛期冲刷,汛期有冲有淤。2002年-2004年进行调水调沙,其中2003年、2004年利津—汊2河段发生了全线冲刷,从河道的冲淤强度看,上游大、下游小,明显为沿程冲刷表现的特征。2004年调水调沙期间,利津—清6河段冲刷703.4万m3,而清6—汊2河段却淤积了299.8万m3,淤积强度高达20.68万m3/km,上游冲刷下来的泥沙强烈堆积在尾闾河段。实际上,汊2至口门还有10余km长的河道,只是因为受观测条件的限制而无法观测到淤积状况。

1.3 近期河口拦门沙淤积情况分析

从图2、图3对比近年来拦门沙海域地形可以看出,2000年-2004年海域发生的淤积主要发生在口门前侧,2004年的沙嘴比2000年向海中淤进了大约5 km,淤积最大处超过10 m,侵蚀主要发生在口门南侧,侵蚀厚度最大为2 m。其余大部分地区侵淤基本上保持平衡。观测范围面积为626.6 km²,其中发生淤积的范围面积为471.5 km²,占总面积的75.2%、发生侵蚀的范围面积为155.1 km²,占总面积的24.8%,发生淤积的范围是发生侵蚀范围的3倍。从2000年-2004年观测范围内的淤积量为5.06亿m3、侵蚀量为0.48亿m3,两者相减,总体表现为淤积,淤积量为4.58亿m3(合5.49亿t)。占同时期利津来沙量5.87亿t的93.5%。可以看出,利津来沙绝大多数淤积在口门附近[3]。

图2 2000年黄河口拦门沙海域地形图

图3 2004年黄河口拦门沙海域地形图

2 黄河河口疏浚实践

2.1 历史实践

黄河采用拖淤疏浚河道已有上千年的历史,代表性的拖淤事例有:宋神宗熙宁六年(1073年)李公义创铁龙爪扬泥车拖淤法,明嘉靖十四年(1535年)总河刘天和创平底舟长柄铁耙拖淤法,清乾隆八年(1743年)总河白钟山调用船190只“常川浚扒,收到明效”,清乾隆三十六年(1771年)河臣高晋利用铁扫帚乘船分段拖淤“使河底积淤松动,河道日见通深”等[4]。

2.2 近期河口拦门沙疏浚实践

建国后,黄河三角洲社会经济面貌发生了重大变化。河口入海流路变迁不定已成为严重影响黄河三角洲战略布局和全面开发建设的制约瓶颈因素,因此要求黄河入海流路相对稳定。1988年开始了黄河口疏浚治理实验。其中,疏通拦门沙是重点实验内容之一,其基本指导思想是:“打开拦门沙,调整归顺水流通道,减轻壅水影响,促成水沙顺利入海”。采取的主要工程技术措施有机械开挖、船舶拖淤和水力冲沙等。

为保持口门通畅、确保水沙顺利入海,国家“百船工程”为开展黄河口疏浚工作配备了海狸1600型绞吸式挖泥船。2004年进行了口门疏浚试验工程。试验工程的目的主要是检验海狸1600型绞吸式挖泥船能否适合当地的自然条件,及在复杂的海域和气象条件下,如何做好后勤、安全保障措施[5]。

3 黄河河口拦门沙疏浚技术措施分析及比较

黄河口拦门沙疏浚技术可以采用以下4种基本措施,其各自的特点如下。

3.1 采用船拖耙具和射流冲沙疏浚

其工作原理就是利用耙具扰动或高压水力冲击,将河底的泥沙扰起,然后再借助大河的水流动力,将扰起的泥沙输送到下游,以达到浚深河槽的目的。主要采用以下方案。①船只推进器冲沙:利用船只行进推进器推动水流的反作用力,冲起河底泥沙,借助水流的力量带至深海。②传统耙具拖淤:利用270 HP拖轮带动混江龙、铁扫帚、铁龙爪等传统耙具在河口进行拖淤。③喷水耙具拖淤:以传统耙具为基础,在每只耙齿中间,安设一只喷水嘴,该拖淤耙以270 HP拖轮在船尾甲板安装柴油机带动水泵提供高压水,使拖淤耙松泥沙、冲深液化和掀扬泥沙。④高压水枪射流:在拖轮两侧各布设5台17 kW电动高压水泵、以柴油发电机组作动力,每台泵供两只口径为25 mm水枪,由人工操作伸向河底冲沙。⑤射流拖淤船拖淤:该装置在拖驳上改装,由装在舱内的6160 A-13型柴油机带动10 EPN-30型水泵,提供高压水流,再由干管输送至各组水枪,在拖驳两侧和船头各布置口径为30 mm的水枪10只,船尾布置水枪8只,每组水枪都设悬挂提升装置。

该方法其缺点是操作困难,耙具的方向掌握不准,扰沙效果差。船拖耙具由于需用船只拖带,受水深制约大,若不满足船只吃水要求,则无法进行疏浚。

3.2 采用绞吸式挖泥船疏浚

为保持口门通畅、确保水沙顺利入海,国家“百船工程”为开展黄河口疏浚配备了海狸1600型绞吸式挖泥船,其工作原理就是通过绞刀旋转切削土体,造成土体结构的瓦解和破坏,使切削下来的土颗粒与水混合形成泥浆,通过设在绞刀后的泥浆泵吸口吸入泥浆泵吸泥管,再通过排泥管道输送到堆沙区。海狸1600型绞吸式挖泥船主要参数和主要性能指标分别见表2、表3。

该方法具有在同样工况条件下,克服了疏浚时段的制约,工作效率得到较大提高。对坚硬土质,其效果比扰沙借助水力输送好,切削起的泥沙可通过管道输送到指定位置,也有利于泥沙资源的利用。

3.3 配合调水调沙,采用扰沙船扰沙、疏浚

2005年初,山东黄河工程局疏浚工程处根据黄河调水调沙需求,自行设计、改制了用于黄河泥沙人工扰动的超汽蚀螺旋桨河床扰动船。该船以江河FG 08号160 kW多用途工作船为载体,通过在船上安装动力装置、监控装置、扰沙装置等,形成新型泥沙扰动船(主要参数见表4)。扰沙装置主要包括一排超汽蚀螺旋桨4～5只(技术参数见表5)及与螺旋桨配套的潜水电机、安装于螺旋桨后方的整流板、用于安装和固定螺旋桨及潜水电机的臂架和横撑、用于升降扰沙装置的吊臂和电动绞车等。其工作原理是:作业时,降下安装在船尾部的扰沙装置,扰沙船带动扰沙装置逆流或顺流航行,沉入河床适当位置处的螺旋桨由潜水电机带动高速旋转,形成的高速水流将河底泥沙充分扰起,并经导流板向河水表层导引,从而使得大量的泥沙被扰起并随流速相对较大的表层河水尽可能向下游输送。

从各粒径泥沙的输移距离可以看出,粒径小于0.025 mm以下的泥沙可以输移较远的距离,0.05 mm泥沙输移距离为3 km左右。黄河口拦门沙区河床质的组成中,以0.05 mm以上的粉质砂土为主,中数粒径d50一般在0.05 mm左右。所以,大部分泥沙能够被输送到3 km以外的地方。

目前黄河调水调沙已成为生产运营,每年6月份都进行一次,时间15～20 d,因此,调水调沙期间在拦门沙段实施泥沙人工扰动,促进河床泥沙启动,借助调水调沙时期河水的动能,输沙入海是可取的方案。

3.4 采用脉冲射流技术

采用太阳能—浮体泵—压气筒—流体自控装置综合体,在黄河口及拦门沙段激扰水流,从而扬动泥沙输沙入海。

运行装置包括非自航浮体(简易专用船)、水泵、空气压缩机、太阳能光电转换器(或集热器或柴油发电机)、筒形压气储水罐、三通及水力启闭阀(该阀由潮流推动)、承流舵、射流振荡器、俯冲喷头、仰冲喷头等。落潮时承流舵施扭矩打开阀瓣使泵与射流振荡器接通,泵与压气水罐压出的水流直接供给射流振荡器,涨潮时潮流推动舵板扭转阀瓣,切断通向射流振荡器的水流,泵与压气机抽出的水与压出的气皆输给压气罐储存起来,以备落潮时供给射流振荡器。

此方法经济性较好,但实际施工时操作困难,疏浚方位不易控制。同时,此方法对于拦门沙口门附近的坚硬土质疏浚效果不好。

4 结语

根据近年来黄河河口疏浚的实践经验,通过对4种疏浚技术措施分析比较,得出采用绞吸式挖泥船和超汽蚀螺旋桨河床扰动船两种疏浚技术相结合,是实施黄河河口拦门沙疏浚较好的工程技术措施。

参考文献:

[1] 曾庆华,张世奇,胡春宏,等.黄河口演变规律及整治[M].郑州:黄河水利出版社,1997.

[2] 王开荣,茹玉英,王恺忱.黄河口研究及治理[M].郑州:黄河水利出版社,2007.

[3] 李永亮,张金良,魏军.黄河中下游水库群水沙联合调控技术研究[J].南水北调与水利科技,2008,6(5):56-59.

[4] 山东黄河河务局.山东黄河志[M].郑州:黄河水利出版社,1988.

[5] 沈玲,王跃峰,潘登宇.黄河龙口水利枢纽施工导流设计[J].南水北调与水利科技,2006,4(4):53-56.