橡膠壩沖排沙系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用分析

田 婧，熊 進(jìn)

(宜昌市水利水電勘察設(shè)計(jì)院，湖北 宜昌 443001)

隨著我國水土流失現(xiàn)象的加劇，流入江河、河道淤積大量泥沙，洪澇災(zāi)害頻發(fā)。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(diào)節(jié)作用，運(yùn)營出現(xiàn)眾多問題。解決河道泥沙淤積問題，是水利運(yùn)營維護(hù)者的關(guān)注熱點(diǎn)，如何排沙沖沙具有現(xiàn)實(shí)的研究意義。

為了解決含沙量大的河道泥沙淤積的現(xiàn)象，本文對(duì)“束水攻沙”與“沖擊凹岸、淤積凸岸”的理念有效結(jié)合，以橡膠壩為實(shí)現(xiàn)載體，設(shè)計(jì)出橡膠壩沖排沙系統(tǒng)。詳細(xì)介紹橡膠壩沖排沙系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理、組成部分及試驗(yàn)過程、模型公式等，試驗(yàn)驗(yàn)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(jīng)黃土高原，地貌多為干旱氣候，表面植被較少，因暴雨或者風(fēng)力侵蝕，水土流失現(xiàn)象嚴(yán)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(zāi)害，具體災(zāi)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(jìn)入庫區(qū)，水流速度較小，大量泥沙淤積在庫底，導(dǎo)致水庫使用壽命減小。

(2)在沿河耕田灌溉時(shí)，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(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)。

(3)在河道上修建的水利發(fā)電站，因含沙量大，對(duì)水輪機(jī)與泄流機(jī)械沖擊較大，磨耗巨大，同時(shí)引起攔污柵堵塞。

(4)當(dāng)含沙量較大的河流進(jìn)行航運(yùn)時(shí)，河道淤積問題需要著重處理。

(5)當(dāng)河水含沙量高時(shí)，中下游河道淤積泥沙現(xiàn)象嚴(yán)重，削弱江河泄洪性能，若不及時(shí)增高加固防護(hù)堤，極易造成決堤洪災(zāi)。為了加固防護(hù)堤，每年需要投入大量人力與財(cái)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(cái)力。

在當(dāng)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(qū)泥沙淤積，仍無法解決河流下游河道泥沙淤積的災(zāi)害。

本文以多年水利工作經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，結(jié)合當(dāng)下流行的橡膠壩特點(diǎn)，以橡膠壩為載體，設(shè)計(jì)橡膠壩沖排沙系統(tǒng)。具體設(shè)計(jì)三維立體圖如圖1所示。

圖1 橡膠壩沖排沙系統(tǒng)三維示意圖

2 沖排沙系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)理念

本文沖排沙系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jié)合，借助拆卸方便的橡膠壩，把河流中的泥沙淤積到河岸側(cè)的沉砂池里。有效提升水庫使用壽命，避免河道泥沙淤積現(xiàn)象，不僅如此，還能凈化河水，利于灌溉與飲用。依據(jù)河水含沙量及質(zhì)量，對(duì)于沉沙池中的泥沙進(jìn)行采掘，用作建筑原料，降低采砂工作難度，減少建筑項(xiàng)目資金投入。沖排沙系統(tǒng)所用設(shè)備獲取方便，生產(chǎn)及運(yùn)輸費(fèi)用較小，對(duì)于河水及周圍生態(tài)系統(tǒng)沒有任何污染，達(dá)到國家提倡的綠色水利與生態(tài)水利的要求?；谏鲜龇治?，本沖排沙系統(tǒng)具有推廣的可行性與實(shí)用性。

2.2 結(jié)構(gòu)組成及介紹

橡膠壩沖排沙系統(tǒng)分為3個(gè)部分，具體如下：

第1部分，借助束水攻沙的理念，設(shè)定河床寬度為200mm，對(duì)稱裝設(shè)橡膠壩，其規(guī)格為長300mm，寬50mm，具體布置如圖2所示。橡膠壩內(nèi)沖水后擠占原來河床斷面面積，河水在流經(jīng)該斷面河道時(shí)，因河道變窄其水流速度增大。橡膠壩內(nèi)的水要結(jié)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(dá)到水流速度提升適當(dāng)合理，完成粒徑大小不一的泥沙沖擊流動(dòng)的目的。

圖2 系統(tǒng)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(shè)橡膠壩。其規(guī)格為長200mm，寬80mm，并且其鋪設(shè)與河岸成30°角，形成彎道河道，具體布設(shè)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(nèi)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(tǒng)第二部分布置圖

第3部分，在人為制造的凸岸修筑一個(gè)底板，其位置與河床水平平齊，其規(guī)格是長400mm，寬300mm。其長度方向另一側(cè)設(shè)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(zhuǎn)向沉降到沉沙池中。定期對(duì)沉沙池內(nèi)淤積泥沙采掘處理后即可獲得建筑沙原材料。其具體布設(shè)位置如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)第二部分布置圖

2.3 試驗(yàn)過程介紹

依照上述描述位置，對(duì)橡膠壩沖排沙系統(tǒng)進(jìn)行模型制作。當(dāng)?shù)?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(yùn)動(dòng)，一定距離后到達(dá)第2部分，因人為制造的彎道河道，80%左右的泥沙會(huì)淤積在凸岸處。在人為凸岸處設(shè)置沉沙池，泥沙沉降到沉沙池內(nèi)，河道內(nèi)泥沙含量銳減，避免了淤積在河道內(nèi)，實(shí)現(xiàn)沖沙排沙的目的，同時(shí)避免大量泥沙淤積河道誘發(fā)的決堤洪災(zāi)等情況的發(fā)生。通過試驗(yàn)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(yīng)用于建筑工程中，有效利用了泥沙。

3 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)分析

橡膠壩沖排沙系統(tǒng)以橡膠壩為載體，具有如下3個(gè)方面的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

3.1 可變式

選擇橡膠壩為載體，不僅其原材料易于獲取運(yùn)輸，更重要的是橡膠壩便于拆卸。能依據(jù)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(yùn)。投入小，安裝拆卸便捷，環(huán)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(yùn)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(gè)位置上的改變。本文排沙系統(tǒng)先將泥沙收集后才集體搬運(yùn)到指定位置，從根本上避免了河道泥沙淤積現(xiàn)象。

3.3 綜合應(yīng)用

凸岸處設(shè)置沉沙池，將大部分泥沙收集到沉沙池內(nèi)，方便于建筑用砂的采掘工作。這樣不僅節(jié)約采砂成本，而且避免了泥沙浪費(fèi)。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(dāng)?shù)卣愂铡?/p>

4 沖排沙系統(tǒng)模型公式

在搭建沖排沙系統(tǒng)時(shí)，部分參數(shù)標(biāo)定需要涉及到如下8個(gè)公式。

4.1 河床侵占指數(shù)

河床侵占指數(shù)計(jì)算公式見式(1)：

(1)

式中，k—河床侵占指數(shù)，其數(shù)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(biāo)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(xiàn)象的發(fā)生。橡膠壩設(shè)置為流線型，沉沙池開口設(shè)置為喇叭形，保障過流平緩，降低旋渦產(chǎn)生的概率。

4.2 含沙量與流速的關(guān)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(duì)水流流速下降影響較大。為了簡化計(jì)算，泥沙統(tǒng)計(jì)為均勻無黏性沙，將其平均流速代替起動(dòng)底速。無黏性勻質(zhì)沙起動(dòng)流速計(jì)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(yīng)用于泥沙粒徑介于0.14～0.21mm之間的情況。

當(dāng)泥沙粒徑在0.14～0.21mm之外時(shí)，選擇式(3)計(jì)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(jì)算公式見式(4)：

(4)

式中，Q—設(shè)計(jì)流量，m3/h；ε—側(cè)收縮常數(shù)。

4.4 上游水面計(jì)算公式

上游水面計(jì)算公式見式(5)：

(5)

式中，φ—流速常數(shù)，其值大小與圍堰平面型布置相關(guān)，矩形其值范圍0.7～0.8，梯形其值范圍0.75～0.85，有導(dǎo)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(biāo)定橡膠壩壩高。

4.5 標(biāo)定第一部分與第二部分

通過大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，可獲得其變化規(guī)律。

4.6 彎道半徑、轉(zhuǎn)角、泄槽寬度間的函數(shù)關(guān)系式

利用基礎(chǔ)數(shù)學(xué)知識(shí)可以得到3者關(guān)系式如下：

(6)

(7)

(8)

式中，H—平均勢(shì)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(shù)。

5 結(jié)語

為了解決含沙量大的河道泥沙淤積的現(xiàn)象，本文有效結(jié)合“束水攻沙”與“沖擊凹岸、淤積凸岸”的理念，以橡膠壩為實(shí)現(xiàn)載體，設(shè)計(jì)出橡膠壩沖排沙系統(tǒng)，并試驗(yàn)驗(yàn)證沖沙排沙效果。最終可以得到如下4個(gè)結(jié)論：

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

(2)該橡膠壩沖排沙系統(tǒng)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(yīng)用意義較大，但其實(shí)際應(yīng)用中必須結(jié)合實(shí)際情況標(biāo)定其參數(shù)。

(3)橡膠壩取材方便，利于運(yùn)輸，拆卸方便，施工簡潔，資金投入小?？蓱?yīng)用于平緩多沙河流、水庫、農(nóng)業(yè)水利工程中。

(4)在模型建立過程中，部分假設(shè)仍需考證。在實(shí)際應(yīng)用中要結(jié)合實(shí)際情況靈活應(yīng)用。

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