临沂柳青河岳坞橡胶坝冲排沙系统设计探讨

吴海峰

(山东省临沂市水利勘测设计院，山东 临沂 276000)

1 工程概况

临沂柳青河是临沂市北城新区内的季节性河流，流域面积264.1km2，河流全长35.1m，从上游至下游分别为山洪河道和平原河道，流域平均比降为1.72%。河道内岳坞拦河闸建设于1963年，运行至今各部分均存在不同程度的渗漏，已全然没有维修的必要，为此，管理部门决定进行拆除并在闸址处新建橡胶坝，闸址处河道宽154.5m，新建橡胶坝坝址在柳青河、沂河和祊河三条河流的交汇处，橡胶坝设计坝长97.8m，坝高4.5m，设计挡水位68.7m，工程等级为Ⅳ级，橡胶坝主要建筑物为4级，设计洪水标准为30a一遇。由于新建橡胶坝所处的地理位置特殊，所以施工环境狭小，增大了工程建设难度。

按照对柳青河岳坞拦河闸闸址处的地质勘探结果，岳坞大坝地层主要为夹带河床相沉积层的河流冲积相地层，由上至下①层为素填土和杂填土，②层为黏土，③层为粉质黏土和粉土，④层为硬塑性黏土。所设计的新建岳坞橡胶坝坝基建造在②层为黏土层上，该土层物理力学性能参数具体见表1。

表1 岳坞橡胶坝坝基黏土层物理力学性能参数

2 冲排沙系统设计

岳坞橡胶坝冲排沙系统设计按照束水攻沙、冲击凹岸、淤积凸岸的原则，充分利用橡胶坝拆卸方便的特征，使流域内泥沙向位于河岸一侧的沉沙池中淤积，提升水库使用性能和寿命的同时，还能采掘和利用沉沙池中的淤积泥沙作为建筑原材料。

2.1 橡胶坝冲排沙系统的构成

岳坞橡胶坝冲排沙系统由3个部分构成，具体如下：第一部分为基于束水攻沙原则所对称设置的长×宽为30cm×5cm的橡胶坝，向橡胶坝冲水后会挤占原河床断面面积使河道变窄，河流流速增大，为合理提升水流流速，必须结合河道尺寸、沙砾粒径及原水流流速进行橡胶坝结构设计，以达到不同粒径泥沙均因冲击而均匀流动的目的[1]。第二部分主要基于弯道水流冲击凹岸泥沙淤积凸岸的原理，在第一部分以下15cm的位置设置长×宽为20cm×8cm的橡胶坝，并将其与河岸之间的夹角控制在30°[2]。原水流在橡胶坝和原河岸所形成弯道的影响下由直流变为弯流，从而使河道内泥沙大量淤积在橡胶坝和原河岸所形成弯道凸岸处，可实现泥沙的集中性处理。第三部分主要在凸岸修筑与河床平齐的底板，其设计尺寸为长×宽40cm×30cm，并在其长度向设置开口，并将开口中心线设置在第二部分橡胶坝沉沙池，定期采掘清理沉沙池内的淤积泥沙。

2.2 性能试验

按照上述设计制作岳坞橡胶坝冲排沙系统试验模型，待第一部分橡胶坝冲水后随着河床横截面面积的持续缩小，试验河道内水流流速增大，下游泥沙也在高速水流运动的影响和带动下，逐渐到达模型第二部分的人为弯道处，且有80%的泥沙淤积于凸岸位置，其余泥沙则沉积在沉沙池内，使河道内泥沙量骤减，达到了冲沙排沙、防止河道淤积的目的。

2.3 冲排沙系统优势

岳坞橡胶坝冲排沙系统以橡胶坝为载体，冲排沙效果十分显著，凸岸及沉沙池内淤积的泥沙可采掘后应用于建筑工程，此外，还具有以下方面的应用优势：①拆卸方便，冲排沙系统以橡胶坝为载体，既有利于原材料的获得和运输，更能实现方便拆卸，并根据河道河床横截面尺寸、河流流速等调整和改变橡胶坝冲水量，以便实现各种粒径泥沙的冲击和运移；②兼具冲排沙效果，充分利用水流流速骤变的束水排沙原则将河道内泥沙大量收集后集中运移至下游指定位置，使其堆积位置发生人为改变，有效防止泥沙淤积河道；③实现所淤积泥沙的综合利用，即通过在凸岸处设置沉沙池的方式将河水中大量泥沙收集，为建筑用沙的采掘提供便利。

3 冲排沙系统参数标定

在以上所设计和构建的岳坞橡胶坝冲排沙系统中，主要进行以下方面的参数标定。

3.1 河床侵占系数

临沂柳青河岳坞橡胶坝对河床的侵占系数k按下式计算：

(1)

式中：k为橡胶坝对河床的侵占系数，其取值在0.3-0.8之间；B为橡胶坝坝体截面过水面积，m3；H不原河床过水面积，m3。

通过式(1)可进行柳青河岳坞橡胶坝坝体初始面积的标定，防止所设计的橡胶坝过水能力过低而影响其冲排沙性能。该橡胶坝按照流线型设计，沉沙池开口按照喇叭形设计，以增强过流的平缓性，防止涡流发生[3]。

3.2 含沙量与水流流速

含沙量不高的泥沙淤积过程属于自由沉降，含沙量较高且粒径大的泥沙淤积则属于非自由沉降和分散沉降，后者对河道水流流速、流量及形态等的影响较大。为简化计算过程，将临沂柳青河岳坞橡胶坝段泥沙均视为无黏性沙，以其流速均值作为起动底速，按照相关设计规范，无黏性沙的起动流速v0应按照以下公式确定：

泥沙粒径在0.15-0.20mm范围内：

(2)

泥沙粒径在0.15-0.20mm范围以外：

(3)

式中：h为河道水深，m；d为沙粒径，mm；ps为河道设计断面泥沙密度，kg/m3；p为设计断面河水密度，kg/m3。

3.3 河道束窄段水流流速

(4)

式中：Q为临沂柳青河河道设计流量，m3/h；ε为河道侧收缩系数；其余参数含义同前。

为达到临沂柳青河岳坞橡胶坝冲排沙系统的设计目的，其河道束窄段水流流速均值必须比起动流速大，如果相反，则应通过调整橡胶坝坝体截面过水面积以实现冲排沙目的，

3.4 橡胶坝坝高

(5)

式中：φ为反应河流流速的常数，根据河道围堰平面布置型式，矩形型式下取0.7-0.8；梯形型式下取0.75-0.85；导流墙范围内取0.85-0.95；g为重力加速度，m/s2，取9.81m/s2。

在确定出河道束窄段上游水面高度z后，便可进行橡胶坝坝高的标定。

3.5 弯道半径、转角及泄槽宽度

临沂柳青河岳坞橡胶坝与河岸之间形成的人造弯道的半径、转角及泄流槽宽度之间存在以下关系：

(6)

(7)

式中：θ为岳坞橡胶坝转角，°；Y为平均势能，J；b为泄流槽宽，m；rx为泄流槽弯曲段半径，m；β为波角，°；Fr为弗依德数。

4 结 论

临沂柳青河岳坞橡胶坝充分应用束水排沙、冲击凹岸和淤积凸岸的原理，设计出橡胶坝冲排沙系统，通过试验进行了冲排沙系统冲沙效果的检验，能有效解决含沙量大的河道泥沙淤积问题，所得出的结论主要有：橡胶坝在一定程度上侵占流域过水面积后能提升水流流速，增强冲沙效果；而当侵占过水断面面积一定时，沙砾粒径与流速提升程度和冲沙效果反向变化。文章针对临沂柳青河岳坞橡胶坝所设计出的冲排沙系统对于各类泥沙淤积严重的河道、汛期防洪泄洪等均较为适用，但是其效果在很大程度上取决于结合河道实际对模型参数所进行的标定。橡胶坝采用可拆卸式设计，运输安装方便，资金投入小，可在流域冲排沙、水库、农业水利工程领域推广应用。