灌河地涵淤積泥沙起動規(guī)律研究

(江蘇省淮沭新河管理處，江蘇 淮安 223001)

灌河地涵淤積泥沙起動規(guī)律是泥沙研究的重要內(nèi)容。對于處理淤積泥沙問題，可從上游的河道引水幫助通航，通過下游的地下涵洞進行泄洪和運輸淤積泥沙的工作，安裝一個調(diào)節(jié)流量和流速的裝置，有效避免通航與泄流相互之間的負面影響，盡量減少河流交匯口兩端設置的閘門數(shù)量，是經(jīng)濟、有效的途徑[1]。為了確保地下涵洞能夠安全地實現(xiàn)泄洪并順利地將泥沙輸送過涵洞，解決灌溉和泄洪等一系列的問題，本文依據(jù)地下涵洞淤積泥沙起動的參數(shù)進行了試驗，初步探討了灌河地涵淤積泥沙起動規(guī)律。

1 灌河地涵淤積泥沙起動參數(shù)計算公式

灌河地涵設計流量50m3/s，4孔，單孔總長約550m。主涵管采用4根內(nèi)徑3.50m鋼筋混凝土預制頂管，單孔長450m，頂管中心距為9m，頂管中心高程為-15.55m。上下游鋼筋混凝土沉井兼做頂管施工的工作井和接收井，平面尺均為37m×22.5m，井底高程均為-21.6m，井深分別為25.6m和25.1m，井內(nèi)布置鋼筋混凝土斜管段。洞首與沉井間采用15m長的擴散段(收縮段)涵管連接。上下洞首長均為10m，孔徑均為3.5m,4孔。地涵上游引河利用黃響河閘下段擴挖而成，長180m；下游引河為新開河道，接灌北泵站，長96m。上下游河道均為漿砌石護底護坡，邊坡均為1∶3，上游護坡2.00～3.50m高程改為預制干壘塊直立擋墻。

在傳統(tǒng)的泥沙疏通過程中，根據(jù)對泥沙起動規(guī)律的研究成果進行分析，繪制出了Shields曲線，這條曲線以及泥沙起動時產(chǎn)生的拖拽力的參數(shù)公式廣泛應用到實踐當中，被當作泥沙的初始運動準則[3]。盡管Shields曲線對泥沙起動狀態(tài)受到近壁層流層的隱蔽作用方面考慮得比較客觀，但是在實際應用中并不適用于黏性細顆粒起動情況。Shields 曲線在選取坐標方面存在一定的問題，在實際應用中，縱橫坐標的變化比例不協(xié)調(diào)，不能夠直觀、準確地反映客觀事實，顯而易見Shields曲線的在實際應用中的價值不高[4]，因此，要進一步優(yōu)化使其更加切合實際。經(jīng)過多次實地檢測以及數(shù)據(jù)對比，得出了以下粗顆粒泥沙起動流速公式：

(1)

式中v——水流速度；

α——泥沙的淤積厚度；

λ——泥沙的流動距離。

該公式是以實測泥沙流動情況為基礎，通過對不同條件下的情況進行監(jiān)測而得出的，符合實際情況。該公式主要針對粗流沙，極大程度地減小了計算誤差。

由于客觀條件的不同，對于不同的泥沙狀況和水流速度下的計算公式需要進一步的研究。筆者選擇遼河的支流進行監(jiān)測，對不同的水流狀況和泥沙粗細狀態(tài)進行驗證，得出了以下公式：

(2)

式中c——泥沙起動波速；

k——泥沙起動波數(shù)；

n——波浪的衰減速度；

H——水槽的高度。

2 灌河地涵淤積泥沙起動控制方法研究

灌河地涵上游引河利用黃河閘下段擴挖而成，下游引河為新開河道，接灌北泵站。泥沙來源主要為通榆河泥沙。因引水閘上游為通榆河船閘，清淤較為頻繁，且引水閘至灌河地涵河道約為4km，泥沙沉淀情況突出，故泥沙含量較低。灌河地涵工程主要任務是在薔薇河送水線向連云港城市供水遭遇突發(fā)污染事故時進行應急輸水，因而水閘運行較少，除正常每月試機運行外，每年開啟次數(shù)有限。為了更好地提高研究準確性，對黃河下游的灌河區(qū)域進行了考查。由于該流域的泥沙起動速度時快時慢，為此設計出了以下的研究方案，對泥沙的流動速度等數(shù)據(jù)進行記錄。在流速較慢、底層淤積的泥沙較為穩(wěn)定表面較為平整時，試驗器材內(nèi)壁收到的阻力隨著水流速度的逐漸加大也呈現(xiàn)出緩慢遞增的趨勢，因此，泥沙的起動情況也隨之增強。反觀沒有采取措施的流域，由于泥沙淤積的表面受到水流的沖刷而產(chǎn)生起伏，在沖刷后形成泥沙淤積層，不利于淤積泥沙的排泄和疏通。在流域內(nèi)水流流速較慢時，可以透過光源的照射觀察泥沙的狀態(tài)，河道中淤積的泥沙保持靜止不動的狀態(tài)，并且淤積的泥沙表面覆蓋著薄薄一層看上去光滑而又堅固的薄沙膜。

結合上述情況，設計一個長2.1m、寬0.5m、高0.3m的有壓流有機玻璃地下涵洞，兩邊設置可調(diào)節(jié)接口，并設計一個矩形的過水斷面，以模擬水流和泥沙淤積狀況，為了保證研究的準確性，讓研究結果更加接近實際情況，需要對器材做進一步的調(diào)整，將玻璃邊打磨成不規(guī)則狀，在內(nèi)側覆上顆粒狀玻璃碎屑。此外，還需要在矩形斷面的左右兩側做原始的玻璃狀態(tài)，方便工作人員監(jiān)測研究狀態(tài)。在模擬河流的上游和下游放置可調(diào)節(jié)流速和流量的裝置，見圖1。

圖1 可調(diào)節(jié)流速和流量的裝置模擬

試驗泥沙取自自然河道中淤積的表層泥沙，對顆粒的直徑和成分進行分析后得出結果。該樣本泥沙中的沙粒直徑平均0.0546mm，其中最大沙粒的粒徑為0.15mm，有50%的泥沙粒徑小于0.051mm，屬于粉沙和黏土，這類粉沙和黏土在樣本中占了絕大多數(shù)，還有一部分直徑小于0.005mm的黏土，在樣沙中大致占6%。

為使試驗環(huán)境更加貼近實際情況，需要模擬不同淤積歷時條件下底層淤積泥沙受到的水力沖刷狀況，因此，要將采集到的泥沙樣本適當摻水后攪拌均勻，然后將混合物倒入試驗器具內(nèi)，均勻地鋪平，放置在準備好的水池中，靜止片刻使泥沙沉積下去，沉積厚度約達到5cm左右即可。

結合獲取的起動規(guī)律數(shù)據(jù)分析，沉積泥沙的河段上游流速緩慢，沙含量少；中游水質(zhì)較混濁，出現(xiàn)輕微泥沙淤積趨勢，下游水流緩慢，泥沙淤積嚴重。因此，針對不同起動時期規(guī)律，提出了相應的控制流程(見圖2)。

圖2 泥沙起動疏通流程

對泥沙起動規(guī)律的研究雖然考慮到了諸多因素，但是，由于還未大規(guī)模的使用，因此還需要作進一步的檢驗，要想使其通過監(jiān)測，還需要有大量的試驗結果做支撐。就目前情況來看，這個方法最為理想，實踐起來也比較容易。

3 模擬仿真試驗

為了對處理泥沙淤積問題的準確性進行科學的檢測，在黃河的中下游地區(qū)選取一處水流較為平穩(wěn)、泥沙淤積情況較為嚴重的河段進行試驗。

為了檢驗設計方案，還需要有很多數(shù)據(jù)和試驗結論做支撐，為此，要以不同角度，在不同環(huán)境和條件下對設計方案的效果進行監(jiān)測，并與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)作橫向比較，最終確定檢測方案是否值得推廣和發(fā)展。選擇相同的自然條件，保證水的流速、壓力、泥沙的淤積厚度以及泥沙的粗細程度相同，在相同的氣候條件下，對自然條件下的泥沙淤積狀況和在經(jīng)過設計方案處理的泥沙淤積狀況進行實時監(jiān)測，要記錄同一時段內(nèi)，兩種背景下的泥沙流動速度，還要對同一時間段內(nèi)兩個試驗流域不同流段的泥沙起動數(shù)據(jù)進行監(jiān)測。將得出的數(shù)據(jù)做成線形圖，用最直觀的方法將兩組數(shù)據(jù)進行對比，用對比結果來證明設計方案是否對解決泥沙的淤積問題有效果。選擇不同的淤積歷時的泥沙試驗樣本，將試驗器具與兩端的裝配連接完畢，將樣本放好，待研究模型的兩端開始同步緩慢地注入水流并將研究器材淹沒后，再逐步增強上游進水口的水流量和水流速度，重點是要使試驗容器內(nèi)始終為有壓流的狀態(tài)，在進行水力沖刷淤積泥沙的研究過程中要時刻注意泥沙的動向，密切記錄研究數(shù)據(jù)，并將得出的數(shù)據(jù)做成圖(見圖3)。

圖3 泥沙起動水壓規(guī)律檢測

根據(jù)試驗得出的結果，不難發(fā)現(xiàn)，在將上游的來水量逐漸增加時，由于水壓增大，采用試驗方案的部分底部的少量未固結的淤積泥沙出現(xiàn)了小規(guī)模的起動現(xiàn)象，隨后出現(xiàn)了大規(guī)模的泥沙起動現(xiàn)象，而后由于泥沙的起動使細微的沙粒發(fā)生揚動，底部泥沙發(fā)生劇烈的沖刷現(xiàn)象。當我們把水流的壓力增加到0.4MPa時，傳統(tǒng)方法下河道淤積泥沙表面產(chǎn)生的光滑薄膜未被沖破，仍舊阻礙著泥沙的疏通，而在采用試驗方法的河道內(nèi)泥沙的表面與矩形的斷面兩側結合處，在水流流過的時候就會發(fā)生輕微的波動，促進河道邊壁上的淤積泥沙局部出現(xiàn)輕微起動情況。因此，灌河地涵泄流時，必須根據(jù)流量大小對閘門開啟數(shù)量進行控制。

持續(xù)增加水流的平均壓力使其達到0.8MPa時，試驗河道淤積泥沙表面的絕大部分淤積泥沙都能夠起動，呈現(xiàn)整體的揚動狀態(tài)，促使試驗河床淤積的泥沙開始出現(xiàn)沖刷現(xiàn)象，當泥沙受到?jīng)_刷揚起時，飛起的淤積泥沙顆粒跳起的高度始終保持在5cm左右，且始終在床面周圍1m2的范圍內(nèi)做有規(guī)則的懸移起動運動。

根據(jù)對泥沙的起動狀況密切的觀測，得出了如圖4所示趨勢圖。

圖4 泥沙起動幅度檢測

通過試驗結果發(fā)現(xiàn)，當水流的平均流速設置為6m/s時，河道中淤積的泥沙表面形成的薄膜開始出現(xiàn)不規(guī)則的大規(guī)模的撕裂的起動狀態(tài)，表面泥沙受到?jīng)_刷發(fā)生整體起動現(xiàn)象，逐漸形成了細細的溝壑狀的輕微剝蝕現(xiàn)象，一部分淤積泥沙顆粒會出現(xiàn)規(guī)模性的運動下移，一部分淤積泥沙出現(xiàn)了泥沙揚動現(xiàn)象，此時直徑小于0.50mm的泥沙均會產(chǎn)生起動現(xiàn)象。

當河道中淤積泥沙的表面沙塵被水流沖刷剝蝕開始起動后，因沉積的泥沙中具有一定黏性的土粒形成了固結的泥沙黏團，完全暴露于河床的表面，隨后，它們在固結的沙粒黏團周圍伴隨著水流和泥沙形成的繞流流動，直接導致了起動范圍周圍的局部直徑較小的淤積泥沙受到影響，發(fā)生較深較快的沖刷，這種被動沖刷造成的泥沙起動強度比河床淤積泥沙的平均沖刷狀況要大很多。從理論計算分析及水下檢查來看，灌河地涵泄流時水流挾沙力大于水流懸沙含沙量?？傮w上講，懸沙在通過地涵時不會產(chǎn)生淤積。在灌河地涵淤積不能通過水力沖淤完全解決時 ，可關閉上下洞首門 ，用人工清淤的方法對涵洞內(nèi)的淤泥進行徹底的清除。

而當水的流動速度調(diào)整到0.5m/s時，淤積泥沙的床面表面會普遍出現(xiàn)劇烈的沖刷泥沙現(xiàn)象，被掀起的泥沙會逐漸充滿整個試驗的矩形容器的過水斷面，最終以云霧狀向河道的下游逐漸懸移下去，使得淤積泥沙的床面高度也隨之下切。約經(jīng)20多分鐘后，再對試驗河道進行觀察，發(fā)現(xiàn)除了試驗器材的局部范圍仍舊黏附著極其微弱的少量淤泥和沙塵之外，絕大多數(shù)的淤積泥沙都已經(jīng)被水流沖刷干凈，逐漸向河道下游輸送。因此，通過試驗可以認為，方案能夠提供合適的水流條件，在這樣的水流條件下，地下涵洞的淤積泥沙能夠較為安全地輸送出去。

4 結 語

由于泥沙的淤積會影響洪水的排泄，不利于農(nóng)作物灌溉，會給人類生產(chǎn)生活帶來諸多不便，本文的試驗研究表明，對于困擾人類生產(chǎn)生活的泥沙淤積問題，已經(jīng)找到了目前為止最為合適的解決方案。在今后的實際應用過程中，還要繼續(xù)對這個方案的實際效果進行跟蹤調(diào)查，爭取早日將它完善為更加優(yōu)秀的泥沙淤積解決方案，造福人類。