橡胶坝泥沙淤积及工程运行模拟分析

国志鹏

(抚顺市江河流域管理局， 辽宁 抚顺 113006)

橡胶坝泥沙淤积及工程运行模拟分析

国志鹏

(抚顺市江河流域管理局， 辽宁 抚顺 113006)

以浑河沈阳浑南段为研究对象，对该河段泥沙淤积规律进行分析，并对橡胶坝工程运行进行模拟。结果表明：河右侧弯道处泥沙沉积量较小，右侧回水区域泥沙沉积量较大，建设橡胶坝后的泥沙沉积量相比天然条件下要小得多，最大沉积量不超过0.03m；因此，需要适当设置橡胶坝，确保其有效阻挡泥沙，降低其对河岸的冲刷。该研究对合理规划、建设和运行橡胶坝有参考价值。

水利工程； 泥沙淤积； 橡胶坝工程； 防洪工程

在不同水文条件下，泥沙具体特征表现不同，对河道和河床的冲刷作用也存在差异[1-2]。浑河流域沈阳段降水季节变化显著，枯水期泥沙沉积、汛期水位上涨会携带大量泥沙，从而对两岸尤其是右岸市区安全造成威胁。本文以浑河沈阳浑南河段为研究对象，对该河段泥沙淤积规律进行分析；在此基础上，对橡胶坝运行状态进行模拟，从而更加深刻认识橡胶坝在阻挡泥沙、提升城市河段防洪能力方面的功能。本研究对提升橡胶坝的设计和建设，使其更好发挥功能有积极意义。

1 工程概况

1.1 河段简介

浑河为大辽河支流，位于中国辽宁省中东部(北纬 122°～125 °, 东经 40 .7°～ 42 .2°), 源头位于抚顺市清原县境内，发源地属于长白山支脉滚马岭, 流经沈阳市并在海城市与太子河汇合后流入大辽河,浑河全长为416km , 流域面积高达 11531km2。浑河上游多为低山丘陵, 海拔为500～800m，上游流域占流域总面积的70 %左右, 此处植被丰茂，植被覆盖率高达50%；中下游为平原地区,占流域面积30%左右。在沈阳段，河床比降均值为2.0%，高程均值为134.00m。从土层性质来看，河床以砾石层为主，厚度在5～7.3m之间，且干密度均值为1.69g/cm3。在对河床的沙粒直径进行初步分析发现，粒径均值在28～33mm之间，最大部分粒径超过300mm。

1.2 橡胶坝工程

为了更加科学、合理地利用浑河，沈阳市决定在浑南区修筑蓄水防洪工程。如图1所示，工程采用橡胶坝。左岸(靠近城区)堤防长度为16.5km，设计防洪标准为50年一遇；右岸(非城区)堤防长度为15.2km，设计防洪标准为30年一遇。

图1 浑南区橡胶坝工程示意图

按照工程规划，浑南区共要设置6座橡胶坝，呈梯级分布。右表为1号—7号橡胶坝的主要设计参数。从表中可知，各个橡胶坝长均为327.5m，坝袋长度(单个)均为100m，隔墩个数均为2，坝袋个数均为3；各个橡胶坝在坝底高程、堤顶高程以及正常蓄水位等参数方面存在差异。

浑南沈阳浑南段橡胶坝工程主要设计参数表

2 橡胶坝泥沙淤积分析模型

2.1 泥沙浆体流变特性计算

在对橡胶坝泥沙特性进行分析时，需要对粒径不均匀的泥沙沉降特性进行分析，并绘制不同浑水浓度曲线。浑水浓度曲线图包含低浓度(Sa)曲线、高浓度曲线(Sb)以及清/浑交界线(2/3Sb)三个部分；水域泥沙浆体浓度也被相应地分为三个等级。在计算Sa和Sb时，可分别按下式进行：

Sa=0.0024e0.605d50Δp

(1)

(2)

式中Sa、Sb——单位体积浑水所含沙的体积，即沙体积浓度；

d50——中值粒径，mm；

p——级配中粒径在0.007mm以上的沙粒所占比例，%。

2.2 橡胶坝运行模型

本研究运用2D Weir对泥沙淤积状态下橡胶坝的运行进行模拟。在模拟分析过程中，用能量损失来描述泥沙淤积对水流的影响，其计算公式[3]：

(3)

式中Ew——坝体上游总水头。

如果工程局部水流为超临界流，坝前流量会受到影响，而超临界流计算公式：

(4)

式中Eup——堰上游水流的总水头，其计算公式[4]：

(5)

其中ζw——坝上监测水深；

Hi,j——橡胶坝高程；

Uw——橡胶坝局部监测点水流速度。

3 橡胶坝泥沙淤积特性分析

3.1 天然条件下泥沙沉积模拟

如图2所示，通过对泥沙分布进行模拟可以发现，在天然条件下，泥沙的沉积量最大值不超过0.08m，多数区域在0.02m以下；河流右侧弯道处泥沙沉积量较小，右侧回水区域泥沙沉积量较大。

图2 天然条件下浑河沈阳段泥沙沉积量(单位：m)

3.2 建坝条件下泥沙沉积模拟

在建设橡胶坝工程后，河道、水流速度、水位等都会发生变化。如图3所示，模拟结果表明，建设橡胶坝后的泥沙沉积量相比天然条件下要小得多，最大沉积量不超过0.03m，多数区域沉积量在0.017m以下。

图3 建坝后的泥沙沉积量(单位：m)

4 泥沙淤积工况下橡胶坝运行模拟

4.1 橡胶坝运行时的泥沙特性

橡胶坝正常运行时，可以将水流速度、泥沙浓度控制在一定范围内。此时，可以有效减轻泥沙对河道、河床的冲刷，从而保护浑河两岸人民的生产和生活安全。如图4所示，通过2D Weir软件，当橡胶坝正常运行时，将水流流量均值控制为335.5m3/s，将泥沙浓度最大值控制在75.5kg/m3以内。此时，区域S(x=1750,y=1870)的泥沙沉积量达到0.85m，其他区域的泥沙沉积量也多在0.2m以上，泥沙沉积显著。

图4 橡胶坝正常运行时的泥沙分布(单位：m)

4.2 橡胶坝塌坝后的泥沙特性

本研究中，通过2D Weir软件模拟橡胶坝塌坝后的泥沙特性。如图5所示，塌坝后的泥沙沉积厚度分布更加不均匀，主要集中在坝后、河流弯道处，最大值超过0.8m。此时，河道受到的冲刷较为严重，防洪能力降低。

图5 橡胶坝塌坝后的泥沙分布(单位：m)

5 结 语

在河流治理过程中，保持水道畅通、河道安全是重要的任务。然而，受降水冲击、地质活动及土壤疏松等因素的影响，泥沙进入河道的现象十分普遍。进入河道的泥沙会在水流速度较慢的河段沉淀下来，从而形成泥沙淤积现象；当汛期来临，如果泥沙不能够有效阻挡，则可能冲刷河岸及河床，对岸边居民造成威胁。经过研究，浑河右侧弯道处泥沙沉积量较小，右侧回水区域泥沙沉积量较大，建设橡胶坝后的泥沙沉积量相比天然条件下要小得多，最大沉积量不超过0.03m。因此，需要适当设置橡胶坝，确保其有效阻挡泥沙，降低其对河岸的冲刷；同时，有效发挥橡胶坝防洪抗旱功能，根据降水变化调节水位。希望本文对类似水利工程的规划和运行有借鉴作用。

[1] 杨佳栋,周政民.滦河梯级橡胶坝群建设水电站探讨[J].中国水能及电气化,2013(7):20-22,4.

[2] 李宏军,杨佳栋.城市河流生态景观与橡胶坝设计运用探讨[J].水利建设与管理,2014(5):27-29,22.

[3] 焦蓓.从橡胶坝到水力自控翻板闸的应用分析——以灵宝市河道治理工程为例[J].水利建设与管理,2016(2):68-71.

[4] 张维涛.关于平度市城区水环境发展思路设想[J].水资源开发与管理,2016(1):27-30,26.

Simulation analysis on rubber dam sediment deposition and project operation

GUO Zhipeng

(FushunRiverBasinAdministration,Fushun113006,China)

Hunhe River Shenyang Hunnan section is regarded as a research object for analyzing the law of river sediment deposition in the river section and simulating the operation of rubber dam project. The results show that sediment deposition is smaller in the bend on the right side of the river. The sediment deposition is larger in the backwater area on the left side, the sediment deposition after construction of rubber dam is much smaller than that under natural condition. The maximum deposition is not more than 0.03m. Thereby, rubber dam should be installed suitably for ensuring effective blockage of silt and lowering its scouring on the river bank. The research has reference value for the rational plan, construction and operation of rubber dam.

water conservancy project; sediment deposition; rubber dam project; flood control project

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.02.022

TV149

A

1005-4774(2017)02- 0080- 04