斷面固化技術在中小河流流量自動監測中的應用

馬 猛

(遼寧省本溪水文局，遼寧 本溪 117000)

當前，受極端氣候事件影響，中小河流已經成為防汛關注的焦點[1]，水文測報是防汛決策的重要基礎，其時效性對于防汛決策至關重要[2]。遼寧省已建設中小河流站點97處，站點分布廣，且大多數位于山區。由于站點分布較為偏遠，汛期主要采用巡測方式進行流量監測，但中小河流源短流急，汛期流量監測的時效性很難得到保證[3]。目前，中小河流雨量、水位已經實現自動監測，但流量還主要依靠傳統方式進行測驗，這種方式存在自動化程度低、時效性差以及人身安全無法保障的缺點[4]，隨著科學技術不斷發展，對于中小河流流量監測方式的改革迫在眉睫。當前，對于中小河流流量自動監測也得到國內許多學者的關注，并取得一定的研究成果[5- 11]，但效果不是很好，主要原因在于中小河流斷面沖淤變化大，其斷面面積變化性較大，很難實現流量監測。為此，提出一種斷面固化技術，實現中小河流流量監測斷面穩定后，結合遙測水位或者雷達測掃儀器[12- 15]，實現流量的自動監測。研究成果對于中小河流流量監測具有推廣和應用前景。

1 斷面固化方案設計

基于管樁填砂防護的斷面固化技術，其原理為在河道觀測斷面上立埋混凝土管，管內空隙填筑河道砂礫形成管樁?？紤]斷面在豐水季節時流量較大，可能淘刷管樁基礎，因此在固化斷面的上下游采用綠濱墊作為過渡性防護，保證觀測斷面穩定。管樁為剛性，具有抗沖刷不易變形特性，利用原河道砂礫回填空隙，斷面糙率接近天然條件；工期短，工藝簡單，不受施工季節限制。具體設計方案如下。

(1)管樁設計：考慮抗沖穩定性和管內外孔隙充填砂礫料方便，設計混凝土管立放河床，具有樁基固化基礎效應、抗沖穩定性。

(2)管徑和管長：固化同等面積，管徑小，用管多，抗沖穩定性好，但造價高，糙率變化大；管徑大，用管少，造價低，糙率變化較小，但單個管體重量大，施工不方便。為了使河床加固后盡量保持河床天然糙率，綜合考慮施工方便程度、工程質量，設計采用預制混凝土管，為了選材方便和降低造價、并考慮抗凍要求，本次設計選用常用規格混凝土管：直徑φ1.0m，長度為2.0m。管道埋深2.0m。

(3)斷面設計：固化設計主要目的是方便枯水季節小流量觀測，使水流集中，提高觀測精度，另外在汛期大流量時具有防沖能力，保持斷面穩定性。因此，河底小流量斷面是重點加固對象。根據枯水季節觀測流量的需要，將河床設置為寬淺型梯

圖1 各斷面固化方案物理模型試驗場景

形斷面，設計底寬為20m，兩側為緩坡與擋墻相接。綜合考慮斷面穩定并降低造價的原則，在梯形底設置三排混凝土管樁，兩側邊坡只設一排管樁。根據相關規程要求，按大于50年一遇洪水斷面流速進行防護，保護斷面穩定，利于觀測，采用300mm厚綠濱墊。

2 物理模型試驗結果分析

2.1 物理模型試驗方案設定

物理模型目的在于對最優斷面固化方案進行設計，為此本文設置了4組固化方案，結合放水試驗，分析各方案下固化斷面的沖淤變化及斷面水位～流量關系，各方案描述見表1，物理模型試驗場景如圖1所示。

表1 斷面固化方案設定

2.2 斷面固化方案試驗結果對比

結合放水試驗對同方案下的斷面沖淤情況及水位～流量關系進行試驗分析，如圖2所示。試驗結果見表2。

表2 不同方案下物理模型試驗結果

從各斷面固化試驗方案下其斷面沖淤變化情況可看出，前后設置兩個有坎斷面，可有效減少斷面淤積量，方案二和方案四下斷面的淤積量為0，斷面固化效果總體明顯。除方案一外，其他斷面固化方案具有一定程度的跌水影響，但對斷面水位～流量關系影響程度較小。從斷面水位～流量變化關系可看出，方案一和方案四在中、高水時期總體可以達到單一變化關系曲線，其他方案水位～流量關系受到斷面沖淤變化影響，總體還呈現繩套變化，斷面固化效果不顯著。綜合對比4種斷面固化方案的沖淤變化及水位～流量關系，綜合選取方案4作為最優的斷面固化方案。從圖中各斷面水位～流量關

圖2 各方案水位流量關系及地形變化試驗結果

系分析結果可看出，當達到中高水流量時，其斷面固化下的水位～流量關系較為穩定，從其地形變化情況可看出，方案四其地形變化最為穩定，其他方案地形均有不同程度的沖淤變化。

3 原型試驗結果分析

3.1 原型試驗概況

選取遼寧東部兩個中小河流站點作為原型試驗站點，進行斷面固化原型試驗，并結合2018年汛期場次洪水數據，對比洪水前和洪水后斷面的沖淤變化情況及水位～流量變化，從而分析固化斷面技術在中小河流流量自動化監測的適用性，兩個原型站點現場試驗場景如圖3所示。

3.2 斷面沖淤變化

對比分析兩個原型試驗站點2018年汛前和汛后斷面變化情況，從而分析其斷面固化前后斷面的沖淤變化，斷面沖淤變化分析結果如圖4所示。

從兩個試驗站點分析結果可看出，采用斷面固化技術后，兩個原型站點2018年汛前和汛后固化效果較為明顯，斷面沖淤總體變化不大，通過對實測斷面數據進行分析，1#原型試驗站點最大沖淤量為0.05m，2#原型試驗站點最大沖淤變化量為0.09m，總體沖淤變化較小，斷面固化效果較為明顯。

3.3 水位～流量關系變化

對兩個原型試驗站點汛后水位流量關系進行分析，分析結果如圖5所示。

圖5 兩個試驗站點汛后水位～流量關系變化曲線

結合2018年汛期場次洪水過程，對兩個原型站點斷面水位～流量關系進行分析，從圖中可看出，兩個原型站點水位～流量關系呈現較為明顯單一的變化關系，這主要是因為斷面沖淤變化影響，采用斷面固化技術后，其斷面沖淤變化較小，使得其水位～流量關系呈現較為明顯的單一變化關系，單一變化曲線可以通過中小河流站點的遙測水位實現流量的自動推求。

4 主要結論

(1)本文提出斷面固化技術，實現中小河流流量自動監測，為中小河流流量測驗方式的創新提供一種新的思路。

(2)本文對斷面固化方案及具體施工設計進行了表述，可為其他中小河流斷面固化方案設計提供參考借鑒。

(3)斷面固化方案總體適用于遼寧東部較為順直的山區型河道，對于遼寧西部沖淤變化較大的河流適用性不高，還應進行其他流量自動監測方式的探討。