橡膠壩泥沙淤積及工程運(yùn)行模擬分析

國志鵬

(撫順市江河流域管理局， 遼寧 撫順 113006)

橡膠壩泥沙淤積及工程運(yùn)行模擬分析

國志鵬

(撫順市江河流域管理局， 遼寧 撫順 113006)

以渾河沈陽渾南段為研究對(duì)象，對(duì)該河段泥沙淤積規(guī)律進(jìn)行分析，并對(duì)橡膠壩工程運(yùn)行進(jìn)行模擬。結(jié)果表明：河右側(cè)彎道處泥沙沉積量較小，右側(cè)回水區(qū)域泥沙沉積量較大，建設(shè)橡膠壩后的泥沙沉積量相比天然條件下要小得多，最大沉積量不超過0.03m；因此，需要適當(dāng)設(shè)置橡膠壩，確保其有效阻擋泥沙，降低其對(duì)河岸的沖刷。該研究對(duì)合理規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)行橡膠壩有參考價(jià)值。

水利工程； 泥沙淤積； 橡膠壩工程； 防洪工程

在不同水文條件下，泥沙具體特征表現(xiàn)不同，對(duì)河道和河床的沖刷作用也存在差異[1-2]。渾河流域沈陽段降水季節(jié)變化顯著，枯水期泥沙沉積、汛期水位上漲會(huì)攜帶大量泥沙，從而對(duì)兩岸尤其是右岸市區(qū)安全造成威脅。本文以渾河沈陽渾南河段為研究對(duì)象，對(duì)該河段泥沙淤積規(guī)律進(jìn)行分析；在此基礎(chǔ)上，對(duì)橡膠壩運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行模擬，從而更加深刻認(rèn)識(shí)橡膠壩在阻擋泥沙、提升城市河段防洪能力方面的功能。本研究對(duì)提升橡膠壩的設(shè)計(jì)和建設(shè)，使其更好發(fā)揮功能有積極意義。

1 工程概況

1.1 河段簡(jiǎn)介

渾河為大遼河支流，位于中國遼寧省中東部(北緯 122°～125 °, 東經(jīng) 40 .7°～ 42 .2°), 源頭位于撫順市清原縣境內(nèi)，發(fā)源地屬于長(zhǎng)白山支脈滾馬嶺, 流經(jīng)沈陽市并在海城市與太子河匯合后流入大遼河,渾河全長(zhǎng)為416km , 流域面積高達(dá) 11531km2。渾河上游多為低山丘陵, 海拔為500～800m，上游流域占流域總面積的70 %左右, 此處植被豐茂，植被覆蓋率高達(dá)50%；中下游為平原地區(qū),占流域面積30%左右。在沈陽段，河床比降均值為2.0%，高程均值為134.00m。從土層性質(zhì)來看，河床以礫石層為主，厚度在5～7.3m之間，且干密度均值為1.69g/cm3。在對(duì)河床的沙粒直徑進(jìn)行初步分析發(fā)現(xiàn)，粒徑均值在28～33mm之間，最大部分粒徑超過300mm。

1.2 橡膠壩工程

為了更加科學(xué)、合理地利用渾河，沈陽市決定在渾南區(qū)修筑蓄水防洪工程。如圖1所示，工程采用橡膠壩。左岸(靠近城區(qū))堤防長(zhǎng)度為16.5km，設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇；右岸(非城區(qū))堤防長(zhǎng)度為15.2km，設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇。

圖1 渾南區(qū)橡膠壩工程示意圖

按照工程規(guī)劃，渾南區(qū)共要設(shè)置6座橡膠壩，呈梯級(jí)分布。右表為1號(hào)—7號(hào)橡膠壩的主要設(shè)計(jì)參數(shù)。從表中可知，各個(gè)橡膠壩長(zhǎng)均為327.5m，壩袋長(zhǎng)度(單個(gè))均為100m，隔墩個(gè)數(shù)均為2，壩袋個(gè)數(shù)均為3；各個(gè)橡膠壩在壩底高程、堤頂高程以及正常蓄水位等參數(shù)方面存在差異。

渾南沈陽渾南段橡膠壩工程主要設(shè)計(jì)參數(shù)表

2 橡膠壩泥沙淤積分析模型

2.1 泥沙漿體流變特性計(jì)算

在對(duì)橡膠壩泥沙特性進(jìn)行分析時(shí)，需要對(duì)粒徑不均勻的泥沙沉降特性進(jìn)行分析，并繪制不同渾水濃度曲線。渾水濃度曲線圖包含低濃度(Sa)曲線、高濃度曲線(Sb)以及清/渾交界線(2/3Sb)三個(gè)部分；水域泥沙漿體濃度也被相應(yīng)地分為三個(gè)等級(jí)。在計(jì)算Sa和Sb時(shí)，可分別按下式進(jìn)行：

Sa=0.0024e0.605d50Δp

(1)

(2)

式中Sa、Sb——單位體積渾水所含沙的體積，即沙體積濃度；

d50——中值粒徑，mm；

p——級(jí)配中粒徑在0.007mm以上的沙粒所占比例，%。

2.2 橡膠壩運(yùn)行模型

本研究運(yùn)用2D Weir對(duì)泥沙淤積狀態(tài)下橡膠壩的運(yùn)行進(jìn)行模擬。在模擬分析過程中，用能量損失來描述泥沙淤積對(duì)水流的影響，其計(jì)算公式[3]：

(3)

式中Ew——壩體上游總水頭。

如果工程局部水流為超臨界流，壩前流量會(huì)受到影響，而超臨界流計(jì)算公式：

(4)

式中Eup——堰上游水流的總水頭，其計(jì)算公式[4]：

(5)

其中ζw——壩上監(jiān)測(cè)水深；

Hi,j——橡膠壩高程；

Uw——橡膠壩局部監(jiān)測(cè)點(diǎn)水流速度。

3 橡膠壩泥沙淤積特性分析

3.1 天然條件下泥沙沉積模擬

如圖2所示，通過對(duì)泥沙分布進(jìn)行模擬可以發(fā)現(xiàn)，在天然條件下，泥沙的沉積量最大值不超過0.08m，多數(shù)區(qū)域在0.02m以下；河流右側(cè)彎道處泥沙沉積量較小，右側(cè)回水區(qū)域泥沙沉積量較大。

圖2 天然條件下渾河沈陽段泥沙沉積量(單位：m)

3.2 建壩條件下泥沙沉積模擬

在建設(shè)橡膠壩工程后，河道、水流速度、水位等都會(huì)發(fā)生變化。如圖3所示，模擬結(jié)果表明，建設(shè)橡膠壩后的泥沙沉積量相比天然條件下要小得多，最大沉積量不超過0.03m，多數(shù)區(qū)域沉積量在0.017m以下。

圖3 建壩后的泥沙沉積量(單位：m)

4 泥沙淤積工況下橡膠壩運(yùn)行模擬

4.1 橡膠壩運(yùn)行時(shí)的泥沙特性

橡膠壩正常運(yùn)行時(shí)，可以將水流速度、泥沙濃度控制在一定范圍內(nèi)。此時(shí)，可以有效減輕泥沙對(duì)河道、河床的沖刷，從而保護(hù)渾河兩岸人民的生產(chǎn)和生活安全。如圖4所示，通過2D Weir軟件，當(dāng)橡膠壩正常運(yùn)行時(shí)，將水流流量均值控制為335.5m3/s，將泥沙濃度最大值控制在75.5kg/m3以內(nèi)。此時(shí)，區(qū)域S(x=1750,y=1870)的泥沙沉積量達(dá)到0.85m，其他區(qū)域的泥沙沉積量也多在0.2m以上，泥沙沉積顯著。

圖4 橡膠壩正常運(yùn)行時(shí)的泥沙分布(單位：m)

4.2 橡膠壩塌壩后的泥沙特性

本研究中，通過2D Weir軟件模擬橡膠壩塌壩后的泥沙特性。如圖5所示，塌壩后的泥沙沉積厚度分布更加不均勻，主要集中在壩后、河流彎道處，最大值超過0.8m。此時(shí)，河道受到的沖刷較為嚴(yán)重，防洪能力降低。

圖5 橡膠壩塌壩后的泥沙分布(單位：m)

5 結(jié) 語

在河流治理過程中，保持水道暢通、河道安全是重要的任務(wù)。然而，受降水沖擊、地質(zhì)活動(dòng)及土壤疏松等因素的影響，泥沙進(jìn)入河道的現(xiàn)象十分普遍。進(jìn)入河道的泥沙會(huì)在水流速度較慢的河段沉淀下來，從而形成泥沙淤積現(xiàn)象；當(dāng)汛期來臨，如果泥沙不能夠有效阻擋，則可能沖刷河岸及河床，對(duì)岸邊居民造成威脅。經(jīng)過研究，渾河右側(cè)彎道處泥沙沉積量較小，右側(cè)回水區(qū)域泥沙沉積量較大，建設(shè)橡膠壩后的泥沙沉積量相比天然條件下要小得多，最大沉積量不超過0.03m。因此，需要適當(dāng)設(shè)置橡膠壩，確保其有效阻擋泥沙，降低其對(duì)河岸的沖刷；同時(shí)，有效發(fā)揮橡膠壩防洪抗旱功能，根據(jù)降水變化調(diào)節(jié)水位。希望本文對(duì)類似水利工程的規(guī)劃和運(yùn)行有借鑒作用。

[1] 楊佳棟,周政民.灤河梯級(jí)橡膠壩群建設(shè)水電站探討[J].中國水能及電氣化,2013(7):20-22,4.

[2] 李宏軍,楊佳棟.城市河流生態(tài)景觀與橡膠壩設(shè)計(jì)運(yùn)用探討[J].水利建設(shè)與管理,2014(5):27-29,22.

[3] 焦蓓.從橡膠壩到水力自控翻板閘的應(yīng)用分析——以靈寶市河道治理工程為例[J].水利建設(shè)與管理,2016(2):68-71.

[4] 張維濤.關(guān)于平度市城區(qū)水環(huán)境發(fā)展思路設(shè)想[J].水資源開發(fā)與管理,2016(1):27-30,26.

Simulation analysis on rubber dam sediment deposition and project operation

GUO Zhipeng

(FushunRiverBasinAdministration,Fushun113006,China)

Hunhe River Shenyang Hunnan section is regarded as a research object for analyzing the law of river sediment deposition in the river section and simulating the operation of rubber dam project. The results show that sediment deposition is smaller in the bend on the right side of the river. The sediment deposition is larger in the backwater area on the left side, the sediment deposition after construction of rubber dam is much smaller than that under natural condition. The maximum deposition is not more than 0.03m. Thereby, rubber dam should be installed suitably for ensuring effective blockage of silt and lowering its scouring on the river bank. The research has reference value for the rational plan, construction and operation of rubber dam.

water conservancy project; sediment deposition; rubber dam project; flood control project

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.02.022

TV149

A

1005-4774(2017)02- 0080- 04