基于馬虎山橡膠壩調(diào)水沖沙實驗分析

李思辰

（遼寧江河水利水電新技術(shù)設(shè)計研究院，遼寧沈陽110003）

基于馬虎山橡膠壩調(diào)水沖沙實驗分析

李思辰

（遼寧江河水利水電新技術(shù)設(shè)計研究院，遼寧沈陽110003）

馬虎山橡膠壩蓄滿水情況下，通過輸沙量分析和斷面流量與平均顆粒級配關(guān)系、斷面平均粒徑與平均沉速的關(guān)系、平均含沙量隨流量變化情況、垂線流速與含沙量的關(guān)系等方面的實驗數(shù)據(jù)，研究分析采取逐級塌壩放流和一次性塌壩放流等方式可否達到調(diào)水沖沙的作用，為橡膠壩安全穩(wěn)定運行收集資料和積累經(jīng)驗。

含沙量；流速；流量；輸沙量；沉速

D OI：10.3969/j.i s s n.1008_1305.2015.06.033

1 概述

馬虎山橡膠壩位于遼寧省新民市三道崗子鎮(zhèn)關(guān)家店村，距上游馬虎山大橋1196m。河道平均河寬200～300m，河床比降上游為0.24‰，下游為0.16‰，河道彎曲系數(shù)1.5～1.66，寬深比3.86～12.06。橡膠壩總長137m，高程為33.18m，壩高2m，回水長度約3.7km，由攔河橡膠壩、管理房等組成。控制室位于壩址左岸。

2 勘測和分析方法

橡膠壩水下地形勘測方法，主要采用G P S和自動測深儀相結(jié)合，采用機船做載體，采用密集S型走航式進行施測，精度高且點據(jù)密集；岸上部分采用全站儀施測。

橡膠壩調(diào)水調(diào)沙實驗施測，在橡膠壩上300m、100m、50m、下100m分別設(shè)4個斷面，架設(shè)4條過河索，橡膠壩放流時用機船同步對水位、流量、含沙量、泥沙顆粒級配、流速、斷面等要素進行監(jiān)測，汛前汛后各監(jiān)測一次，流量流速等監(jiān)測采用A D C P，顆粒級配取樣1100次，化驗分析305次，采用篩分和光電顆分儀聯(lián)合監(jiān)測和分析。垂線采用等寬均勻布設(shè)，測點布設(shè)多以三點法為主，流量監(jiān)測43次。

3 輸沙量分析

利用4個臨時監(jiān)測斷面同時進行的懸移質(zhì)輸沙率測驗成果，7月23日，在懸移質(zhì)輸沙率測驗時段（第1次到第8次間隔496m i n）內(nèi)，橡膠壩上游300m臨時監(jiān)測斷面時段輸沙量為3570t，橡膠壩上游100m臨時監(jiān)測斷面時段輸沙量為3650t，橡膠壩上游50m臨時監(jiān)測斷面時段輸沙量為3750t，橡膠壩下游100m臨時監(jiān)測斷面時段輸沙量為3860t，以相鄰上游臨時監(jiān)測時段輸沙量為來沙量，橡膠壩上游100m臨時監(jiān)測斷面時段沖刷量為80t，橡膠壩上游50m臨時監(jiān)測斷面時段沖刷量為100t，橡膠壩下游100m臨時監(jiān)測斷面時段沖刷量為110t。

9月23日，在懸移質(zhì)輸沙率測驗時段（第1次到第5次間隔191m i n）內(nèi)，橡膠壩上游300m臨時監(jiān)測斷面時段輸沙量為179t，橡膠壩上游100m臨時監(jiān)測斷面時段輸沙量為207t，橡膠壩上游50m臨時監(jiān)測斷面時段輸沙量為243t，橡膠壩下游100m臨時監(jiān)測斷面時段輸沙量為237t，以相鄰上游臨時監(jiān)測時段輸沙量為來沙量，橡膠壩上游100m臨時監(jiān)測斷面時段沖刷量為28t，橡膠壩上游50m臨時監(jiān)測斷面時段沖刷量為36t，橡膠壩下游100m臨時監(jiān)測斷面時段淤積量為6t。

通過以上分析，7月23日上游來水量比較大，各臨時監(jiān)測斷面時段平均沖淤量（每分鐘）比9月23日偏大，9月23日橡膠壩下游100m臨時監(jiān)測斷面由于河道來水量比較小，河道輸水及輸沙能力減小，造成測驗時段內(nèi)斷面淤積，見表1。

表1 馬虎山橡膠壩各監(jiān)測斷面沖淤變化分析表

4 相關(guān)分析法

4.1 斷面流量與平均顆粒級配關(guān)系

馬虎山橡膠壩調(diào)水調(diào)沙實驗結(jié)果表明，各時段各斷面流量與平均顆粒級配關(guān)系呈現(xiàn)大致一致的趨勢，以馬虎山7月23日斷面1（壩上300m）為例說明，如圖1所示。

圖1 馬虎山斷面1平均粒徑與流量關(guān)系

以上圖表分析表明，流量增大，細沙所占比例較大，泥沙粒徑越小。

4.2 斷面平均粒徑與平均沉速的關(guān)系

各時段各垂線的平均粒徑與平均沉速呈正比例直線相關(guān)，現(xiàn)以馬虎山7月23日斷面1為例說明，如圖2所示。

圖2 馬虎山斷面1平均粒徑與平均沉速關(guān)系

由以上圖表分析表明，平均粒徑越大，平均沉速越大，平均沉速隨著平均粒徑的變化而變化，趨勢大致相同。

4.3 平均含沙量隨流量變化情況

將馬虎山橡膠壩7月23日各斷面平均含沙量所對應(yīng)的流量變化情況如圖3所示。

以上結(jié)果表明，懸移質(zhì)平均含沙量和斷面流量總趨勢成反比例關(guān)系，即含沙量隨著流量增大而減小；但在流量小時，隨流量的增加增大的趨勢。

圖3 馬虎山斷面1平均含沙量與流量關(guān)系

4.4 垂線流速與含沙量的關(guān)系

以馬虎山7月23日橡膠壩壩上300m斷面懸移質(zhì)含沙量成果表為依據(jù)，分析測次1垂線流速與含沙量的關(guān)系，如圖4所示。

圖4 馬虎山斷面1平均含沙量與流速關(guān)系

由上圖可以看出，壩上300m流速與含沙量之間沒有出明顯的關(guān)系，小流速時（0～1m/s）平均含沙量隨著流速增大增加的趨勢，流速較大時，關(guān)系點散亂。

以馬虎山橡膠壩4個斷面7月23日與9月23日各個垂線的資料進行分析，各垂線最大流速與平均粒徑的關(guān)系如下。通過分析，垂線最大流速和泥沙平均粒徑之間沒有穩(wěn)定的相關(guān)關(guān)系，也就是說，流速雖有所變化0.5～2.0m/s之間，水中所懸起的泥沙顆粒粒徑基本穩(wěn)定在0.05～1.5m m之間。

各要素變化過程分析表明，斷面輸沙率隨流量的增加沒有顯著變化；斷面含沙量隨流量的增加呈減小的趨勢；斷面含沙量沿斷面橫向分布壩上300m和壩下100m呈現(xiàn)中泓大、兩岸邊小的規(guī)律；受橡膠壩壅水影響，壩上100m、壩上50m則規(guī)律不明顯，兩岸和中泓差異不大；斷面含沙量沿測次走向，基本上開始小，隨著放流時間增加而逐漸增加；各斷面在實驗過程中，7月23日過程壩上300m、100m、50m隨著時間的變化，呈現(xiàn)一定的沖刷現(xiàn)象，壩下100m變化不明顯；9月23日過程略有沖刷，但不明顯。

5 結(jié)論

（1）從輸沙量分析方法看，通過壩上和壩下兩次實驗可知，壩下的輸沙量遠遠大于壩上的輸沙量，說明通過橡膠壩塌壩放流的方法，可以挾帶一定量的泥沙。

（2）采用逐級塌壩放流實驗，如一次性塌壩放流用時191m i n；橡膠壩內(nèi)懸移質(zhì)泥沙粒徑在0.05～0.15m m之間，沉速0.1～3.0c m/s之間，放流流速在0.1～1.6m/s之間；斷面平均含沙量在0～0.45kg/m3之間。

（3）由上述分析可以得出斷面含沙量隨流量的增加而減小；斷面平均輸沙率隨斷面平均流速增大而增大；斷面平均粒徑隨流量的增大而減小；泥沙平均粒徑和平均沉速呈單一正相關(guān)關(guān)系；斷面平均含沙量和斷面平均流速在實驗數(shù)據(jù)范圍內(nèi)無明顯相關(guān)關(guān)系；垂線最大流速和平均粒徑之間無明顯相關(guān)關(guān)系。

（4）從調(diào)水沖刷效果看，有上游來水和橡膠壩放流相結(jié)合，沖沙效果比較好；沒有上游來水，僅靠橡膠壩自行放流沖沙效果一般。

總之，馬虎山橡膠壩運行中，通過放流等方法，已達到調(diào)水調(diào)沙（沖沙）的作用；為遼河下游河道泥沙沖淤變化、橡膠壩淤積防治等基礎(chǔ)研究積累資料，為遼干及其支流生態(tài)建設(shè)提供依據(jù)。

［1］李萬智，李啟升，等.南水北調(diào)來水后北京市調(diào)蓄系統(tǒng)布局新思路［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計，2013（03）.

［2］張志闊，劉本華.王河地下水庫調(diào)蓄能力分析［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計，2007（02）.

［3］席燕林，王小青.黃河沙坡頭水利樞紐運行方式與水庫淤積分析［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計，2006（02）.

［4］王平.孤東海堤泥沙沖淤數(shù)值模擬研究結(jié)果［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計，2009（04）.

［5］秦毅，曹如軒，等.處理水庫淤積問題的新途徑［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計，2009（06）.

T V 66

B

1008_1305（2015）06_0088_03

李思辰（1985年—），男，工程師。