倪 洋

(遼寧省沈陽(yáng)水文局,沈陽(yáng) 110000)

1 概 述

遼河16座生態(tài)蓄水工程—橡膠壩,距離壩體遠(yuǎn)近不同,塌壩放流時(shí)對(duì)各水文要素影響不同,為全方位監(jiān)測(cè)各位置水文要素變化,分別在該橡膠壩上游300m、100m、50m及下游100m布設(shè)4個(gè)臨時(shí)監(jiān)測(cè)斷面,在各個(gè)臨時(shí)監(jiān)測(cè)斷面架設(shè)過(guò)河索,每個(gè)斷面設(shè)立一組水尺。

主要實(shí)施對(duì)各斷面泥沙、流量、測(cè)點(diǎn)流速、垂線流速、斷面平均流速、斷面面積、斷面形狀及變化、水位等各要素的監(jiān)測(cè)[1-5]。流量監(jiān)測(cè)采用ADCP,即多普勒拋面流速儀監(jiān)測(cè),泥沙采樣采用拉式瞬時(shí)采樣器,顆粒級(jí)配采用光電顆分儀監(jiān)測(cè),斷面采用GPS和自動(dòng)測(cè)深儀聯(lián)合監(jiān)測(cè)。分別按橡膠壩逐級(jí)塌壩和一次塌壩兩種方式。橡膠壩放流時(shí),分4組人員分別對(duì)4個(gè)斷面各水文要素同步進(jìn)行監(jiān)測(cè)。汛前和汛后各一次。

在該橡膠壩上游300m臨時(shí)監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)8條采樣垂線,在每條采樣垂線上采用兩點(diǎn)法、三點(diǎn)法用拉式采樣器進(jìn)行采樣,即每條采樣垂線的0.2、0.8位置或0.2、0.6、0.8位置采樣,在橡膠壩上游100米和50米臨時(shí)監(jiān)測(cè)斷面分別布設(shè)10條采樣垂線,橡膠壩下游100米臨時(shí)監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)8條采樣垂線。

2020年7月23日、9月23日進(jìn)行了兩次懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn),在4個(gè)臨時(shí)監(jiān)測(cè)斷面采用同步實(shí)測(cè)的方法,利用4臺(tái)ADCP在各個(gè)臨時(shí)監(jiān)測(cè)斷面測(cè)流的同時(shí)進(jìn)行懸移質(zhì)輸沙率采樣,采樣位置根據(jù)各個(gè)臨時(shí)監(jiān)測(cè)斷面的斷面寬均勻布設(shè),利用ADCP航行中的起點(diǎn)距確定采樣位置,讀取采樣位置的水深、采樣點(diǎn)的流速、垂線平均流速。

7月23日,在橡膠壩蓄水最高位置進(jìn)行了懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)1次,然后在橡膠壩充水袋降落20cm左右,水位穩(wěn)定后進(jìn)行懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn),進(jìn)行了7次落水測(cè)驗(yàn),共進(jìn)行了8次測(cè)驗(yàn);9月23日,在橡膠壩蓄水最高位置進(jìn)行了懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)1次,然后在橡膠壩充水袋逐漸降落過(guò)程中進(jìn)行懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn),進(jìn)行了4次落水測(cè)驗(yàn),共進(jìn)行了5次測(cè)驗(yàn)。

2 泥沙顆粒分析

2.1 泥沙顆粒分析規(guī)定

遼河泥沙分析的測(cè)次布置根據(jù)河流的寬度,在4個(gè)測(cè)流斷面上分別布置了8～10條垂線。遼河泥沙分析取樣點(diǎn)的設(shè)置根據(jù)每條垂線位置的水深,分別為一點(diǎn)法、二點(diǎn)法和三點(diǎn)法。采樣日期分別為7.23日與9月23日兩次。泥沙分析采樣的數(shù)量為每個(gè)水樣容積分別為1000毫升,使用采樣器進(jìn)行采樣。根據(jù)遼河泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范,顆粒級(jí)配采用0.004mm、0.008mm、0.016mm、0.031mm、0.062mm、0.125mm、0.25mm、0.50mm共8個(gè)粒徑級(jí)。

2.2 泥沙顆粒分析方法

2.2.1 泥沙顆粒分析方法的適用范圍

由于河流泥沙顆粒粒徑的變化范圍很大,選用一種或多種方法配合完成分析任務(wù)[6-8]。本次遼河泥沙顆粒分析采用的方法為篩分析與光電顆分儀法。

2.2.2 篩上顆粒級(jí)配計(jì)算

將渾液倒在篩孔上大下小的的篩子組上,然后用比重瓶法逐層稱出每個(gè)粒徑以上的沙重,在得到小于各篩孔徑的干沙重,再除以總沙重,就得到篩上顆粒級(jí)配。

2.2.3 斷面平均顆粒級(jí)配的計(jì)算

計(jì)算公式為:

(1)

遼河泥沙分析流量2、4、6、7為全斷面混合,分析流量2為全斷面混合,其顆分成果即為斷面平均顆粒級(jí)配。見(jiàn)表1和表2。

表1 遼河泥沙單樣顆粒級(jí)配成果表(7.23)

表2 遼河泥沙單樣顆粒級(jí)配成果表(9.23)

2.2.4 斷面平均粒徑和平均沉速的計(jì)算

2.2.4.1 斷面平均粒徑的計(jì)算

其計(jì)算公式為:

(2)

2.2.4.2 斷面平均沉速的計(jì)算

其計(jì)算公式為:

(3)

根據(jù)泥沙的自然地理?xiàng)l件及性質(zhì),顆粒分析的方法和條件,基于顆粒分析結(jié)果,泥沙顆粒的平均沉速在 0.3178～2.7801 cm/s之間。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3、表4。

表3 遼河泥沙斷面平均顆粒級(jí)配成果表(7.23)

3 成果分析

3.1 輸沙量分析法

根據(jù)4個(gè)臨時(shí)測(cè)驗(yàn)斷面進(jìn)行試驗(yàn)可知,分析了包括輸沙率隨流量的變化、平均含沙量隨流量的變化、平均輸沙率隨流速的變化、平均含沙量與流速的變化、平均含沙量隨斷面之間的變化、平均含沙量隨測(cè)量次數(shù)的變化及各臨時(shí)斷面的沖淤變化, 通過(guò)以上分析,測(cè)得的原始數(shù)據(jù)符合水文試驗(yàn)規(guī)范和精度要求,與試驗(yàn)期間河水流入和橡膠壩垮塌的運(yùn)行規(guī)律一致。分析表明,7月23日每個(gè)臨時(shí)監(jiān)測(cè)斷面的平均沖刷和淤積量(每分鐘)都比9月23日大,原因是上游流入量大,而9月23日后流入量小,河道輸沙能力下降,導(dǎo)致該斷面在試驗(yàn)期間出現(xiàn)淤積。詳見(jiàn)表5。

表5 橡膠壩各監(jiān)測(cè)斷面沖淤變化分析表

3.2 相關(guān)分析法

3.2.1 斷面流量與平均顆粒級(jí)配關(guān)系

該橡膠壩的水沙輸送實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,各時(shí)段各斷面的流速與平均粒徑的關(guān)系趨勢(shì)一致,7月23日第1斷面的情況如表6所示。

表6 遼河泥沙斷面平均顆粒級(jí)配成果表(7.23)

對(duì)表6的分析表明,隨著流量的增大,細(xì)沙的比例相應(yīng)增加,泥沙粒徑相應(yīng)減小。

3.2.2 斷面平均粒徑與平均沉速

7月23日流量1為例,說(shuō)明該橡膠壩壩上300m斷面流量來(lái)看,每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的每條垂直線的平均粒徑與直線上的平均沉降速度呈正相關(guān)關(guān)系。遼河泥沙顆粒全沙成果表,見(jiàn)表7。

表7 遼河泥沙顆粒全沙成果表(7.23)

表7顯示,平均粒徑對(duì)著平均沉降的增大而增大,趨勢(shì)大致相同。

3.2.4 垂線流速與含沙量

根據(jù)7月23日該橡膠壩300m處懸沙量實(shí)測(cè)結(jié)果,分析了第一次測(cè)量時(shí)垂向流速與含沙量的關(guān)系。由計(jì)算結(jié)果可知,300m流速與壩體上含沙量關(guān)系不明顯,在流速較小時(shí)(0～1m/s),平均含沙量隨流速的增大有增大的趨勢(shì),流速較大時(shí),關(guān)系點(diǎn)分散。根據(jù)7月23日和9月23日該橡膠壩4個(gè)垂線的數(shù)據(jù),各垂線的最大流速與平均粒徑的關(guān)系為:

根據(jù)7月23日和9月23日該橡膠壩四條垂線的數(shù)據(jù),分析各垂線的最大流速與平均粒徑之間的關(guān)系為:最大垂線流速和平均沉積物粒徑之間沒(méi)有穩(wěn)定的關(guān)系,這意味著,盡管流速在0.5～2.0m/s之間變化,然而,水中懸浮物的顆粒大小基本上穩(wěn)定在0.05～1.5mm之間。對(duì)各個(gè)要素的變化過(guò)程的分析表明,輸沙率并不隨著流量的增加而發(fā)生明顯變化。斷面的含沙量隨著流量的增加而減少。斷面的含沙量分布在整個(gè)斷面上,在大壩下300m和100m處含沙量較大,兩岸含沙量較小。受橡膠壩回水影響,100m、50m對(duì)大壩的影響規(guī)律不明顯,兩側(cè)與中洪差異不大。在測(cè)量方向上,橫斷面的含沙量在開(kāi)始時(shí)很低,隨著排放時(shí)間的增加而逐漸增加。在各斷面的試驗(yàn)過(guò)程中,7月23日期間,在距離大壩300m、100m和50m處,隨著時(shí)間的推移發(fā)生了一些沖刷,而在大壩下100m處沒(méi)有觀察到任何變化。9月23日,這一過(guò)程出現(xiàn)了輕微但不明顯的破壞。

4 結(jié) 語(yǔ)

1)從輸沙量分析方法看,7月23日實(shí)驗(yàn),壩下100m496min時(shí)段內(nèi)輸沙量3890t,壩上300m輸沙量3570t,兩者差值290t;9月23日實(shí)驗(yàn),壩下100m191min時(shí)段內(nèi)輸沙量237t,壩上300m輸沙量191t,兩者差值58t;說(shuō)明通過(guò)橡膠壩塌壩放流的方法,可以沖走一定量的泥沙。

2)通過(guò)試驗(yàn),逐級(jí)塌壩的泄洪時(shí)間為496分鐘,一次性塌壩的泄洪時(shí)間為191min。橡膠壩懸浮物粒徑為0.05～0.15mm,沉降速率為0.1～3.0cm/s,泄流速度為0.1～1.6m/s。剖面平均含沙量在0～0.45kg/m3之間。

3)在試驗(yàn)過(guò)程中,7月23日大壩上300m、100m、50m斷面出現(xiàn)一定沖刷現(xiàn)象,但壩下100m斷面變化不明顯。9月23日,每個(gè)斷面都有一點(diǎn)沖刷,但并不嚴(yán)重。

4)從調(diào)水沖刷效果來(lái)看,上游來(lái)水與橡膠壩放水相結(jié)合的沖砂效果較好,上游沒(méi)有水,只有橡膠壩放流沖沙效果一般。