吳海峰

(山東省臨沂市水利勘測設(shè)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(qū)內(nèi)的季節(jié)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(nèi)岳塢攔河閘建設(shè)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(shè)計壩長97.8m，壩高4.5m，設(shè)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(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)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(huán)境狹小，增大了工程建設(shè)難度。

按照對柳青河岳塢攔河閘閘址處的地質(zhì)勘探結(jié)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(zhì)黏土和粉土，④層為硬塑性黏土。所設(shè)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(xué)性能參數(shù)具體見表1。

表1 岳塢橡膠壩壩基黏土層物理力學(xué)性能參數(shù)

2 沖排沙系統(tǒng)設(shè)計

岳塢橡膠壩沖排沙系統(tǒng)設(shè)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(nèi)泥沙向位于河岸一側(cè)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(tǒng)的構(gòu)成

岳塢橡膠壩沖排沙系統(tǒng)由3個部分構(gòu)成，具體如下：第一部分為基于束水攻沙原則所對稱設(shè)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(jié)合河道尺寸、沙礫粒徑及原水流流速進行橡膠壩結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)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?yōu)閺澚?，從而使河道?nèi)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(xiàn)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(shè)計尺寸為長×寬40cm×30cm，并在其長度向設(shè)置開口，并將開口中心線設(shè)置在第二部分橡膠壩沉沙池，定期采掘清理沉沙池內(nèi)的淤積泥沙。

2.2 性能試驗

按照上述設(shè)計制作岳塢橡膠壩沖排沙系統(tǒng)試驗?zāi)Ｐ停谝徊糠窒鹉z壩沖水后隨著河床橫截面面積的持續(xù)縮小，試驗河道內(nèi)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(nèi)，使河道內(nèi)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(tǒng)優(yōu)勢

岳塢橡膠壩沖排沙系統(tǒng)以橡膠壩為載體，沖排沙效果十分顯著，凸岸及沉沙池內(nèi)淤積的泥沙可采掘后應(yīng)用于建筑工程，此外，還具有以下方面的應(yīng)用優(yōu)勢：①拆卸方便，沖排沙系統(tǒng)以橡膠壩為載體，既有利于原材料的獲得和運輸，更能實現(xiàn)方便拆卸，并根據(jù)河道河床橫截面尺寸、河流流速等調(diào)整和改變橡膠壩沖水量，以便實現(xiàn)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(nèi)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(fā)生人為改變，有效防止泥沙淤積河道；③實現(xiàn)所淤積泥沙的綜合利用，即通過在凸岸處設(shè)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(tǒng)參數(shù)標(biāo)定

在以上所設(shè)計和構(gòu)建的岳塢橡膠壩沖排沙系統(tǒng)中，主要進行以下方面的參數(shù)標(biāo)定。

3.1 河床侵占系數(shù)

臨沂柳青河岳塢橡膠壩對河床的侵占系數(shù)k按下式計算：

(1)

式中：k為橡膠壩對河床的侵占系數(shù)，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(biāo)定，防止所設(shè)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(shè)計，沉沙池開口按照喇叭形設(shè)計，以增強過流的平緩性，防止渦流發(fā)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(tài)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(guān)設(shè)計規(guī)范，無黏性沙的起動流速v0應(yīng)按照以下公式確定：

泥沙粒徑在0.15-0.20mm范圍內(nèi)：

(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(shè)計斷面泥沙密度，kg/m3；p為設(shè)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(shè)計流量，m3/h；ε為河道側(cè)收縮系數(shù)；其余參數(shù)含義同前。

為達到臨沂柳青河岳塢橡膠壩沖排沙系統(tǒng)的設(shè)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(yīng)通過調(diào)整橡膠壩壩體截面過水面積以實現(xiàn)沖排沙目的，

3.4 橡膠壩壩高

(5)

式中：φ為反應(yīng)河流流速的常數(shù)，根據(jù)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(dǎo)流墻范圍內(nèi)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(biāo)定。

3.5 彎道半徑、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角及泄流槽寬度之間存在以下關(guān)系：

(6)

(7)

式中：θ為岳塢橡膠壩轉(zhuǎn)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(shù)。

4 結(jié) 論

臨沂柳青河岳塢橡膠壩充分應(yīng)用束水排沙、沖擊凹岸和淤積凸岸的原理，設(shè)計出橡膠壩沖排沙系統(tǒng)，通過試驗進行了沖排沙系統(tǒng)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(jié)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(dāng)侵占過水?dāng)嗝婷娣e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(shè)計出的沖排沙系統(tǒng)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(jié)合河道實際對模型參數(shù)所進行的標(biāo)定。橡膠壩采用可拆卸式設(shè)計，運輸安裝方便，資金投入小，可在流域沖排沙、水庫、農(nóng)業(yè)水利工程領(lǐng)域推廣應(yīng)用。