臨沂柳青河岳塢橡膠壩沖排沙系統設計探討

吳海峰

(山東省臨沂市水利勘測設計院，山東 臨沂 276000)

1 工程概況

臨沂柳青河是臨沂市北城新區內的季節性河流，流域面積264.1km2，河流全長35.1m，從上游至下游分別為山洪河道和平原河道，流域平均比降為1.72%。河道內岳塢攔河閘建設于1963年，運行至今各部分均存在不同程度的滲漏，已全然沒有維修的必要，為此，管理部門決定進行拆除并在閘址處新建橡膠壩，閘址處河道寬154.5m，新建橡膠壩壩址在柳青河、沂河和祊河三條河流的交匯處，橡膠壩設計壩長97.8m，壩高4.5m，設計擋水位68.7m，工程等級為Ⅳ級，橡膠壩主要建筑物為4級，設計洪水標準為30a一遇。由于新建橡膠壩所處的地理位置特殊，所以施工環境狹小，增大了工程建設難度。

按照對柳青河岳塢攔河閘閘址處的地質勘探結果，岳塢大壩地層主要為夾帶河床相沉積層的河流沖積相地層，由上至下①層為素填土和雜填土，②層為黏土，③層為粉質黏土和粉土，④層為硬塑性黏土。所設計的新建岳塢橡膠壩壩基建造在②層為黏土層上，該土層物理力學性能參數具體見表1。

表1 岳塢橡膠壩壩基黏土層物理力學性能參數

2 沖排沙系統設計

岳塢橡膠壩沖排沙系統設計按照束水攻沙、沖擊凹岸、淤積凸岸的原則，充分利用橡膠壩拆卸方便的特征，使流域內泥沙向位于河岸一側的沉沙池中淤積，提升水庫使用性能和壽命的同時，還能采掘和利用沉沙池中的淤積泥沙作為建筑原材料。

2.1 橡膠壩沖排沙系統的構成

岳塢橡膠壩沖排沙系統由3個部分構成，具體如下：第一部分為基于束水攻沙原則所對稱設置的長×寬為30cm×5cm的橡膠壩，向橡膠壩沖水后會擠占原河床斷面面積使河道變窄，河流流速增大，為合理提升水流流速，必須結合河道尺寸、沙礫粒徑及原水流流速進行橡膠壩結構設計，以達到不同粒徑泥沙均因沖擊而均勻流動的目的[1]。第二部分主要基于彎道水流沖擊凹岸泥沙淤積凸岸的原理，在第一部分以下15cm的位置設置長×寬為20cm×8cm的橡膠壩，并將其與河岸之間的夾角控制在30°[2]。原水流在橡膠壩和原河岸所形成彎道的影響下由直流變為彎流，從而使河道內泥沙大量淤積在橡膠壩和原河岸所形成彎道凸岸處，可實現泥沙的集中性處理。第三部分主要在凸岸修筑與河床平齊的底板，其設計尺寸為長×寬40cm×30cm，并在其長度向設置開口，并將開口中心線設置在第二部分橡膠壩沉沙池，定期采掘清理沉沙池內的淤積泥沙。

2.2 性能試驗

按照上述設計制作岳塢橡膠壩沖排沙系統試驗模型，待第一部分橡膠壩沖水后隨著河床橫截面面積的持續縮小，試驗河道內水流流速增大，下游泥沙也在高速水流運動的影響和帶動下，逐漸到達模型第二部分的人為彎道處，且有80%的泥沙淤積于凸岸位置，其余泥沙則沉積在沉沙池內，使河道內泥沙量驟減，達到了沖沙排沙、防止河道淤積的目的。

2.3 沖排沙系統優勢

岳塢橡膠壩沖排沙系統以橡膠壩為載體，沖排沙效果十分顯著，凸岸及沉沙池內淤積的泥沙可采掘后應用于建筑工程，此外，還具有以下方面的應用優勢：①拆卸方便，沖排沙系統以橡膠壩為載體，既有利于原材料的獲得和運輸，更能實現方便拆卸，并根據河道河床橫截面尺寸、河流流速等調整和改變橡膠壩沖水量，以便實現各種粒徑泥沙的沖擊和運移；②兼具沖排沙效果，充分利用水流流速驟變的束水排沙原則將河道內泥沙大量收集后集中運移至下游指定位置，使其堆積位置發生人為改變，有效防止泥沙淤積河道；③實現所淤積泥沙的綜合利用，即通過在凸岸處設置沉沙池的方式將河水中大量泥沙收集，為建筑用沙的采掘提供便利。

3 沖排沙系統參數標定

在以上所設計和構建的岳塢橡膠壩沖排沙系統中，主要進行以下方面的參數標定。

3.1 河床侵占系數

臨沂柳青河岳塢橡膠壩對河床的侵占系數k按下式計算：

(1)

式中：k為橡膠壩對河床的侵占系數，其取值在0.3-0.8之間；B為橡膠壩壩體截面過水面積，m3；H不原河床過水面積，m3。

通過式(1)可進行柳青河岳塢橡膠壩壩體初始面積的標定，防止所設計的橡膠壩過水能力過低而影響其沖排沙性能。該橡膠壩按照流線型設計，沉沙池開口按照喇叭形設計，以增強過流的平緩性，防止渦流發生[3]。

3.2 含沙量與水流流速

含沙量不高的泥沙淤積過程屬于自由沉降，含沙量較高且粒徑大的泥沙淤積則屬于非自由沉降和分散沉降，后者對河道水流流速、流量及形態等的影響較大。為簡化計算過程，將臨沂柳青河岳塢橡膠壩段泥沙均視為無黏性沙，以其流速均值作為起動底速，按照相關設計規范，無黏性沙的起動流速v0應按照以下公式確定：

泥沙粒徑在0.15-0.20mm范圍內：

(2)

泥沙粒徑在0.15-0.20mm范圍以外：

(3)

式中：h為河道水深，m；d為沙粒徑，mm；ps為河道設計斷面泥沙密度，kg/m3；p為設計斷面河水密度，kg/m3。

3.3 河道束窄段水流流速

(4)

式中：Q為臨沂柳青河河道設計流量，m3/h；ε為河道側收縮系數；其余參數含義同前。

為達到臨沂柳青河岳塢橡膠壩沖排沙系統的設計目的，其河道束窄段水流流速均值必須比起動流速大，如果相反，則應通過調整橡膠壩壩體截面過水面積以實現沖排沙目的，

3.4 橡膠壩壩高

(5)

式中：φ為反應河流流速的常數，根據河道圍堰平面布置型式，矩形型式下取0.7-0.8；梯形型式下取0.75-0.85；導流墻范圍內取0.85-0.95；g為重力加速度，m/s2，取9.81m/s2。

在確定出河道束窄段上游水面高度z后，便可進行橡膠壩壩高的標定。

3.5 彎道半徑、轉角及泄槽寬度

臨沂柳青河岳塢橡膠壩與河岸之間形成的人造彎道的半徑、轉角及泄流槽寬度之間存在以下關系：

(6)

(7)

式中：θ為岳塢橡膠壩轉角，°；Y為平均勢能，J；b為泄流槽寬，m；rx為泄流槽彎曲段半徑，m；β為波角，°；Fr為弗依德數。

4 結 論

臨沂柳青河岳塢橡膠壩充分應用束水排沙、沖擊凹岸和淤積凸岸的原理，設計出橡膠壩沖排沙系統，通過試驗進行了沖排沙系統沖沙效果的檢驗，能有效解決含沙量大的河道泥沙淤積問題，所得出的結論主要有：橡膠壩在一定程度上侵占流域過水面積后能提升水流流速，增強沖沙效果；而當侵占過水斷面面積一定時，沙礫粒徑與流速提升程度和沖沙效果反向變化。文章針對臨沂柳青河岳塢橡膠壩所設計出的沖排沙系統對于各類泥沙淤積嚴重的河道、汛期防洪泄洪等均較為適用，但是其效果在很大程度上取決于結合河道實際對模型參數所進行的標定。橡膠壩采用可拆卸式設計，運輸安裝方便，資金投入小，可在流域沖排沙、水庫、農業水利工程領域推廣應用。