馬 猛

(遼寧省本溪水文局，遼寧 本溪 117000)

當(dāng)前，受極端氣候事件影響，中小河流已經(jīng)成為防汛關(guān)注的焦點(diǎn)[1]，水文測報(bào)是防汛決策的重要基礎(chǔ)，其時(shí)效性對(duì)于防汛決策至關(guān)重要[2]。遼寧省已建設(shè)中小河流站點(diǎn)97處，站點(diǎn)分布廣，且大多數(shù)位于山區(qū)。由于站點(diǎn)分布較為偏遠(yuǎn)，汛期主要采用巡測方式進(jìn)行流量監(jiān)測，但中小河流源短流急，汛期流量監(jiān)測的時(shí)效性很難得到保證[3]。目前，中小河流雨量、水位已經(jīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測，但流量還主要依靠傳統(tǒng)方式進(jìn)行測驗(yàn)，這種方式存在自動(dòng)化程度低、時(shí)效性差以及人身安全無法保障的缺點(diǎn)[4]，隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，對(duì)于中小河流流量監(jiān)測方式的改革迫在眉睫。當(dāng)前，對(duì)于中小河流流量自動(dòng)監(jiān)測也得到國內(nèi)許多學(xué)者的關(guān)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(shí)現(xiàn)流量監(jiān)測。為此，提出一種斷面固化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)中小河流流量監(jiān)測斷面穩(wěn)定后，結(jié)合遙測水位或者雷達(dá)測掃儀器[12- 15]，實(shí)現(xiàn)流量的自動(dòng)監(jiān)測。研究成果對(duì)于中小河流流量監(jiān)測具有推廣和應(yīng)用前景。

1 斷面固化方案設(shè)計(jì)

基于管樁填砂防護(hù)的斷面固化技術(shù)，其原理為在河道觀測斷面上立埋混凝土管，管內(nèi)空隙填筑河道砂礫形成管樁?？紤]斷面在豐水季節(jié)時(shí)流量較大，可能淘刷管樁基礎(chǔ)，因此在固化斷面的上下游采用綠濱墊作為過渡性防護(hù)，保證觀測斷面穩(wěn)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(jié)限制。具體設(shè)計(jì)方案如下。

(1)管樁設(shè)計(jì)：考慮抗沖穩(wěn)定性和管內(nèi)外孔隙充填砂礫料方便，設(shè)計(jì)混凝土管立放河床，具有樁基固化基礎(chǔ)效應(yīng)、抗沖穩(wěn)定性。

(2)管徑和管長：固化同等面積，管徑小，用管多，抗沖穩(wěn)定性好，但造價(jià)高，糙率變化大；管徑大，用管少，造價(jià)低，糙率變化較小，但單個(gè)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(zhì)量，設(shè)計(jì)采用預(yù)制混凝土管，為了選材方便和降低造價(jià)、并考慮抗凍要求，本次設(shè)計(jì)選用常用規(guī)格混凝土管：直徑φ1.0m，長度為2.0m。管道埋深2.0m。

(3)斷面設(shè)計(jì)：固化設(shè)計(jì)主要目的是方便枯水季節(jié)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(shí)具有防沖能力，保持?jǐn)嗝娣€(wěn)定性。因此，河底小流量斷面是重點(diǎn)加固對(duì)象。根據(jù)枯水季節(jié)觀測流量的需要，將河床設(shè)置為寬淺型梯

圖1 各斷面固化方案物理模型試驗(yàn)場景

形斷面，設(shè)計(jì)底寬為20m，兩側(cè)為緩坡與擋墻相接。綜合考慮斷面穩(wěn)定并降低造價(jià)的原則，在梯形底設(shè)置三排混凝土管樁，兩側(cè)邊坡只設(shè)一排管樁。根據(jù)相關(guān)規(guī)程要求，按大于50年一遇洪水?dāng)嗝媪魉龠M(jìn)行防護(hù)，保護(hù)斷面穩(wěn)定，利于觀測，采用300mm厚綠濱墊。

2 物理模型試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 物理模型試驗(yàn)方案設(shè)定

物理模型目的在于對(duì)最優(yōu)斷面固化方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，為此本文設(shè)置了4組固化方案，結(jié)合放水試驗(yàn)，分析各方案下固化斷面的沖淤變化及斷面水位～流量關(guān)系，各方案描述見表1，物理模型試驗(yàn)場景如圖1所示。

表1 斷面固化方案設(shè)定

2.2 斷面固化方案試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

結(jié)合放水試驗(yàn)對(duì)同方案下的斷面沖淤情況及水位～流量關(guān)系進(jìn)行試驗(yàn)分析，如圖2所示。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 不同方案下物理模型試驗(yàn)結(jié)果

從各斷面固化試驗(yàn)方案下其斷面沖淤變化情況可看出，前后設(shè)置兩個(gè)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(duì)斷面水位～流量關(guān)系影響程度較小。從斷面水位～流量變化關(guān)系可看出，方案一和方案四在中、高水時(shí)期總體可以達(dá)到單一變化關(guān)系曲線，其他方案水位～流量關(guān)系受到斷面沖淤變化影響，總體還呈現(xiàn)繩套變化，斷面固化效果不顯著。綜合對(duì)比4種斷面固化方案的沖淤變化及水位～流量關(guān)系，綜合選取方案4作為最優(yōu)的斷面固化方案。從圖中各斷面水位～流量關(guān)

圖2 各方案水位流量關(guān)系及地形變化試驗(yàn)結(jié)果

系分析結(jié)果可看出，當(dāng)達(dá)到中高水流量時(shí)，其斷面固化下的水位～流量關(guān)系較為穩(wěn)定，從其地形變化情況可看出，方案四其地形變化最為穩(wěn)定，其他方案地形均有不同程度的沖淤變化。

3 原型試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 原型試驗(yàn)概況

選取遼寧東部兩個(gè)中小河流站點(diǎn)作為原型試驗(yàn)站點(diǎn)，進(jìn)行斷面固化原型試驗(yàn)，并結(jié)合2018年汛期場次洪水?dāng)?shù)據(jù)，對(duì)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(shù)在中小河流流量自動(dòng)化監(jiān)測的適用性，兩個(gè)原型站點(diǎn)現(xiàn)場試驗(yàn)場景如圖3所示。

3.2 斷面沖淤變化

對(duì)比分析兩個(gè)原型試驗(yàn)站點(diǎn)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(jié)果如圖4所示。

從兩個(gè)試驗(yàn)站點(diǎn)分析結(jié)果可看出，采用斷面固化技術(shù)后，兩個(gè)原型站點(diǎn)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(duì)實(shí)測斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，1#原型試驗(yàn)站點(diǎn)最大沖淤量為0.05m，2#原型試驗(yàn)站點(diǎn)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(guān)系變化

對(duì)兩個(gè)原型試驗(yàn)站點(diǎn)汛后水位流量關(guān)系進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 兩個(gè)試驗(yàn)站點(diǎn)汛后水位～流量關(guān)系變化曲線

結(jié)合2018年汛期場次洪水過程，對(duì)兩個(gè)原型站點(diǎn)斷面水位～流量關(guān)系進(jìn)行分析，從圖中可看出，兩個(gè)原型站點(diǎn)水位～流量關(guān)系呈現(xiàn)較為明顯單一的變化關(guān)系，這主要是因?yàn)閿嗝鏇_淤變化影響，采用斷面固化技術(shù)后，其斷面沖淤變化較小，使得其水位～流量關(guān)系呈現(xiàn)較為明顯的單一變化關(guān)系，單一變化曲線可以通過中小河流站點(diǎn)的遙測水位實(shí)現(xiàn)流量的自動(dòng)推求。

4 主要結(jié)論

(1)本文提出斷面固化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)中小河流流量自動(dòng)監(jiān)測，為中小河流流量測驗(yàn)方式的創(chuàng)新提供一種新的思路。

(2)本文對(duì)斷面固化方案及具體施工設(shè)計(jì)進(jìn)行了表述，可為其他中小河流斷面固化方案設(shè)計(jì)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(qū)型河道，對(duì)于遼寧西部沖淤變化較大的河流適用性不高，還應(yīng)進(jìn)行其他流量自動(dòng)監(jiān)測方式的探討。