橡膠壩沖排沙系統設計及應用分析

田 婧，熊 進

(宜昌市水利水電勘察設計院，湖北 宜昌 443001)

隨著我國水土流失現象的加劇，流入江河、河道淤積大量泥沙，洪澇災害頻發。在含沙量較大的河流上修建水庫，水庫庫底淤積大量的泥沙，影響了其泄洪調節作用，運營出現眾多問題。解決河道泥沙淤積問題，是水利運營維護者的關注熱點，如何排沙沖沙具有現實的研究意義。

為了解決含沙量大的河道泥沙淤積的現象，本文對“束水攻沙”與“沖擊凹岸、淤積凸岸”的理念有效結合，以橡膠壩為實現載體，設計出橡膠壩沖排沙系統。詳細介紹橡膠壩沖排沙系統設計原理、組成部分及試驗過程、模型公式等，試驗驗證沖沙排沙效果。

1 橡膠壩淤積情況解析

中國含沙量高的河流大部分流經黃土高原，地貌多為干旱氣候，表面植被較少，因暴雨或者風力侵蝕，水土流失現象嚴重。泥沙流入河流中，泥沙在河道中大量淤積，常常造成水患決堤等災害，具體災害分析如下：

(1)在河流上修筑電站水庫，含沙量較大的河水進入庫區，水流速度較小，大量泥沙淤積在庫底，導致水庫使用壽命減小。

(2)在沿河耕田灌溉時，因河水含沙量大，泥沙淤積在灌溉水道，造成灌溉水系癱瘓，影響著沿河地區的農業生產活動。

(3)在河道上修建的水利發電站，因含沙量大，對水輪機與泄流機械沖擊較大，磨耗巨大，同時引起攔污柵堵塞。

(4)當含沙量較大的河流進行航運時，河道淤積問題需要著重處理。

(5)當河水含沙量高時，中下游河道淤積泥沙現象嚴重，削弱江河泄洪性能，若不及時增高加固防護堤，極易造成決堤洪災。為了加固防護堤，每年需要投入大量人力與財力。典型案例就是黃河，黃河中下游河道因泥沙淤積造成河道增高，每年汛期防洪工作消耗大量人力與財力。

在當今最常見的沖沙排沙策略是修筑大壩，降低水流速度，將泥沙淤積在壩底。汛期借助異重流沖沙排沙，僅可以降低水庫庫區泥沙淤積，仍無法解決河流下游河道泥沙淤積的災害。

本文以多年水利工作經驗為基礎，結合當下流行的橡膠壩特點，以橡膠壩為載體，設計橡膠壩沖排沙系統。具體設計三維立體圖如圖1所示。

圖1 橡膠壩沖排沙系統三維示意圖

2 沖排沙系統設計

2.1 設計理念

本文沖排沙系統設計是基于“束水攻沙”與“沖擊凹岸、淤積凸岸”的理念并使之充分結合，借助拆卸方便的橡膠壩，把河流中的泥沙淤積到河岸側的沉砂池里。有效提升水庫使用壽命，避免河道泥沙淤積現象，不僅如此，還能凈化河水，利于灌溉與飲用。依據河水含沙量及質量，對于沉沙池中的泥沙進行采掘，用作建筑原料，降低采砂工作難度，減少建筑項目資金投入。沖排沙系統所用設備獲取方便，生產及運輸費用較小，對于河水及周圍生態系統沒有任何污染，達到國家提倡的綠色水利與生態水利的要求。基于上述分析，本沖排沙系統具有推廣的可行性與實用性。

2.2 結構組成及介紹

橡膠壩沖排沙系統分為3個部分，具體如下：

第1部分，借助束水攻沙的理念，設定河床寬度為200mm，對稱裝設橡膠壩，其規格為長300mm，寬50mm，具體布置如圖2所示。橡膠壩內沖水后擠占原來河床斷面面積，河水在流經該斷面河道時，因河道變窄其水流速度增大。橡膠壩內的水要結合河道具體尺寸、水流速度大小、沙粒粒徑等情況合理改變，達到水流速度提升適當合理，完成粒徑大小不一的泥沙沖擊流動的目的。

圖2 系統第一部分布置圖

第2部分，借助彎道河流沖擊凹岸淤積凸岸的理念，在距離第1部分下游150mm處鋪設橡膠壩。其規格為長200mm，寬80mm，并且其鋪設與河岸成30°角，形成彎道河道，具體布設位置如圖3所示。該彎道河道將直流變成彎流，這樣將河流內泥沙淤積在人為制造的彎道凸岸處，便于集中處理。

圖3 系統第二部分布置圖

第3部分，在人為制造的凸岸修筑一個底板，其位置與河床水平平齊，其規格是長400mm，寬300mm。其長度方向另一側設置開口，開口中心線位于第2部分橡膠壩的沉沙池。在水流沿著第2部分的人為河床彎道，泥沙轉向沉降到沉沙池中。定期對沉沙池內淤積泥沙采掘處理后即可獲得建筑沙原材料。其具體布設位置如圖4所示。

圖4 系統第二部分布置圖

2.3 試驗過程介紹

依照上述描述位置，對橡膠壩沖排沙系統進行模型制作。當第1部分橡膠壩沖水后，河床橫截面積縮小，水流速度提升。其下游泥沙隨著高速水流運動，一定距離后到達第2部分，因人為制造的彎道河道，80%左右的泥沙會淤積在凸岸處。在人為凸岸處設置沉沙池，泥沙沉降到沉沙池內，河道內泥沙含量銳減，避免了淤積在河道內，實現沖沙排沙的目的，同時避免大量泥沙淤積河道誘發的決堤洪災等情況的發生。通過試驗效果，可以看出沖沙排沙效果顯著。沉沙池中泥沙采掘后可以應用于建筑工程中，有效利用了泥沙。

3 系統優勢分析

橡膠壩沖排沙系統以橡膠壩為載體，具有如下3個方面的應用優勢。

3.1 可變式

選擇橡膠壩為載體，不僅其原材料易于獲取運輸，更重要的是橡膠壩便于拆卸。能依據原有河道河床橫截面大小，河流流速通過改變橡膠壩沖水量改變河床橫截面，將各種粒徑大小的泥沙沖擊搬運。投入小，安裝拆卸便捷，環保性高。

3.2 沖排沙雙效

“束水攻沙”理念是利用水流速度的驟變，搬運河流中泥沙至下游，因高速水流的影響范圍受限，河流中泥沙僅做了一個位置上的改變。本文排沙系統先將泥沙收集后才集體搬運到指定位置，從根本上避免了河道泥沙淤積現象。

3.3 綜合應用

凸岸處設置沉沙池，將大部分泥沙收集到沉沙池內，方便于建筑用砂的采掘工作。這樣不僅節約采砂成本，而且避免了泥沙浪費。將沉沙池承包給建筑單位，可提高泥沙利用率，并有效增加當地政府稅收。

4 沖排沙系統模型公式

在搭建沖排沙系統時，部分參數標定需要涉及到如下8個公式。

4.1 河床侵占指數

河床侵占指數計算公式見式(1)：

(1)

式中，k—河床侵占指數，其數值范圍是30%～80%；B—是橡膠壩壩體所占過水面積，cm3；H—原有河床的過水面積cm3。

式(1)可以標定橡膠壩壩體初始面積，保證過水能力不至太低，有效防止了橡膠壩造成的水位過高逆流現象的發生。橡膠壩設置為流線型，沉沙池開口設置為喇叭形，保障過流平緩，降低旋渦產生的概率。

4.2 含沙量與流速的關系公式

含沙量低，泥沙淤積視作自由沉降；含沙量高，粒徑較大的泥沙非自由沉降，分散狀沉降對水流流速下降影響較大。為了簡化計算，泥沙統計為均勻無黏性沙，將其平均流速代替起動底速。無黏性勻質沙起動流速計算方法有兩種，依次公式見式(2)、式(3)。

(2)

式中，h—水深度，mm；d—沙的粒徑，mm；ps—泥沙密度，kg/m3；p—河水密度，kg/m3。

式(2)主要應用于泥沙粒徑介于0.14～0.21mm之間的情況。

當泥沙粒徑在0.14～0.21mm之外時，選擇式(3)計算。

(3)

4.3 束窄段水流速度均值

束窄段水流的平均速度值計算公式見式(4)：

(4)

式中，Q—設計流量，m3/h；ε—側收縮常數。

4.4 上游水面計算公式

上游水面計算公式見式(5)：

(5)

式中，φ—流速常數，其值大小與圍堰平面型布置相關，矩形其值范圍0.7～0.8，梯形其值范圍0.75～0.85，有導流墻范圍0.85～0.9；g—重力加速度，為定值。

利用上述式(5)可標定橡膠壩壩高。

4.5 標定第一部分與第二部分

通過大量試驗數據分析，可獲得其變化規律。

4.6 彎道半徑、轉角、泄槽寬度間的函數關系式

利用基礎數學知識可以得到3者關系式如下：

(6)

(7)

(8)

式中，H—平均勢能，J；b—泄槽的寬度，m；rx—泄槽彎曲段半徑值，m；β—波角，°；Fr—弗勞德系數。

5 結語

為了解決含沙量大的河道泥沙淤積的現象，本文有效結合“束水攻沙”與“沖擊凹岸、淤積凸岸”的理念，以橡膠壩為實現載體，設計出橡膠壩沖排沙系統，并試驗驗證沖沙排沙效果。最終可以得到如下4個結論：

(1)在一定范圍內橡膠壩侵占過水面積與流速提升幅度、沖沙效果呈正相關；在侵占過水面積為定值時，沙粒粒徑大小與流速提升幅度，沖沙效果成負相關。

(2)該橡膠壩沖排沙系統可以適用于各種流速，其沖沙排沙均有效，可用于汛期防汛泄洪,推廣應用意義較大，但其實際應用中必須結合實際情況標定其參數。

(3)橡膠壩取材方便，利于運輸，拆卸方便，施工簡潔，資金投入小。可應用于平緩多沙河流、水庫、農業水利工程中。

(4)在模型建立過程中，部分假設仍需考證。在實際應用中要結合實際情況靈活應用。

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