基于辽河某橡胶坝冲排沙效果应用分析

2023-07-31倪洋

黑龙江水利科技 2023年7期

倪洋

(辽宁省沈阳水文局,沈阳 110000)

1 概述

辽河16座生态蓄水工程—橡胶坝,距离坝体远近不同,塌坝放流时对各水文要素影响不同,为全方位监测各位置水文要素变化,分别在该橡胶坝上游300m、100m、50m及下游100m布设4个临时监测断面,在各个临时监测断面架设过河索,每个断面设立一组水尺。

主要实施对各断面泥沙、流量、测点流速、垂线流速、断面平均流速、断面面积、断面形状及变化、水位等各要素的监测[1-5]。流量监测采用ADCP,即多普勒抛面流速仪监测,泥沙采样采用拉式瞬时采样器,颗粒级配采用光电颗分仪监测,断面采用GPS和自动测深仪联合监测。分别按橡胶坝逐级塌坝和一次塌坝两种方式。橡胶坝放流时,分4组人员分别对4个断面各水文要素同步进行监测。汛前和汛后各一次。

在该橡胶坝上游300m临时监测断面布设8条采样垂线,在每条采样垂线上采用两点法、三点法用拉式采样器进行采样,即每条采样垂线的0.2、0.8位置或0.2、0.6、0.8位置采样,在橡胶坝上游100米和50米临时监测断面分别布设10条采样垂线,橡胶坝下游100米临时监测断面布设8条采样垂线。

2020年7月23日、9月23日进行了两次悬移质输沙率测验,在4个临时监测断面采用同步实测的方法,利用4台ADCP在各个临时监测断面测流的同时进行悬移质输沙率采样,采样位置根据各个临时监测断面的断面宽均匀布设,利用ADCP航行中的起点距确定采样位置,读取采样位置的水深、采样点的流速、垂线平均流速。

7月23日,在橡胶坝蓄水最高位置进行了悬移质输沙率测验1次,然后在橡胶坝充水袋降落20cm左右,水位稳定后进行悬移质输沙率测验,进行了7次落水测验,共进行了8次测验;9月23日,在橡胶坝蓄水最高位置进行了悬移质输沙率测验1次,然后在橡胶坝充水袋逐渐降落过程中进行悬移质输沙率测验,进行了4次落水测验,共进行了5次测验。

2 泥沙颗粒分析

2.1 泥沙颗粒分析规定

辽河泥沙分析的测次布置根据河流的宽度,在4个测流断面上分别布置了8～10条垂线。辽河泥沙分析取样点的设置根据每条垂线位置的水深,分别为一点法、二点法和三点法。采样日期分别为7.23日与9月23日两次。泥沙分析采样的数量为每个水样容积分别为1000毫升,使用采样器进行采样。根据辽河泥沙测验规范,颗粒级配采用0.004mm、0.008mm、0.016mm、0.031mm、0.062mm、0.125mm、0.25mm、0.50mm共8个粒径级。

2.2 泥沙颗粒分析方法

2.2.1 泥沙颗粒分析方法的适用范围

由于河流泥沙颗粒粒径的变化范围很大,选用一种或多种方法配合完成分析任务[6-8]。本次辽河泥沙颗粒分析采用的方法为筛分析与光电颗分仪法。

2.2.2 筛上颗粒级配计算

将浑液倒在筛孔上大下小的的筛子组上,然后用比重瓶法逐层称出每个粒径以上的沙重,在得到小于各筛孔径的干沙重,再除以总沙重,就得到筛上颗粒级配。

2.2.3 断面平均颗粒级配的计算

计算公式为:

(1)

辽河泥沙分析流量2、4、6、7为全断面混合,分析流量2为全断面混合,其颗分成果即为断面平均颗粒级配。见表1和表2。

表1 辽河泥沙单样颗粒级配成果表(7.23)

表2 辽河泥沙单样颗粒级配成果表(9.23)

2.2.4 断面平均粒径和平均沉速的计算

2.2.4.1 断面平均粒径的计算

其计算公式为:

(2)

2.2.4.2 断面平均沉速的计算

其计算公式为:

(3)

根据泥沙的自然地理条件及性质,颗粒分析的方法和条件,基于颗粒分析结果,泥沙颗粒的平均沉速在 0.3178～2.7801 cm/s之间。

计算结果见表3、表4。

表3 辽河泥沙断面平均颗粒级配成果表(7.23)

3 成果分析

3.1 输沙量分析法

根据4个临时测验断面进行试验可知,分析了包括输沙率随流量的变化、平均含沙量随流量的变化、平均输沙率随流速的变化、平均含沙量与流速的变化、平均含沙量随断面之间的变化、平均含沙量随测量次数的变化及各临时断面的冲淤变化, 通过以上分析,测得的原始数据符合水文试验规范和精度要求,与试验期间河水流入和橡胶坝垮塌的运行规律一致。分析表明,7月23日每个临时监测断面的平均冲刷和淤积量(每分钟)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,河道输沙能力下降,导致该断面在试验期间出现淤积。详见表5。

表5 橡胶坝各监测断面冲淤变化分析表

3.2 相关分析法

3.2.1 断面流量与平均颗粒级配关系

该橡胶坝的水沙输送实验结果表明,各时段各断面的流速与平均粒径的关系趋势一致,7月23日第1断面的情况如表6所示。

表6 辽河泥沙断面平均颗粒级配成果表(7.23)

对表6的分析表明,随着流量的增大,细沙的比例相应增加,泥沙粒径相应减小。

3.2.2 断面平均粒径与平均沉速

7月23日流量1为例,说明该橡胶坝坝上300m断面流量来看,每个时间点的每条垂直线的平均粒径与直线上的平均沉降速度呈正相关关系。辽河泥沙颗粒全沙成果表,见表7。

表7 辽河泥沙颗粒全沙成果表(7.23)

表7显示,平均粒径对着平均沉降的增大而增大,趋势大致相同。

3.2.4 垂线流速与含沙量

根据7月23日该橡胶坝300m处悬沙量实测结果,分析了第一次测量时垂向流速与含沙量的关系。由计算结果可知,300m流速与坝体上含沙量关系不明显,在流速较小时(0～1m/s),平均含沙量随流速的增大有增大的趋势,流速较大时,关系点分散。根据7月23日和9月23日该橡胶坝4个垂线的数据,各垂线的最大流速与平均粒径的关系为:

根据7月23日和9月23日该橡胶坝四条垂线的数据,分析各垂线的最大流速与平均粒径之间的关系为:最大垂线流速和平均沉积物粒径之间没有稳定的关系,这意味着,尽管流速在0.5～2.0m/s之间变化,然而,水中悬浮物的颗粒大小基本上稳定在0.05～1.5mm之间。对各个要素的变化过程的分析表明,输沙率并不随着流量的增加而发生明显变化。断面的含沙量随着流量的增加而减少。断面的含沙量分布在整个断面上,在大坝下300m和100m处含沙量较大,两岸含沙量较小。受橡胶坝回水影响,100m、50m对大坝的影响规律不明显,两侧与中洪差异不大。在测量方向上,横断面的含沙量在开始时很低,随着排放时间的增加而逐渐增加。在各断面的试验过程中,7月23日期间,在距离大坝300m、100m和50m处,随着时间的推移发生了一些冲刷,而在大坝下100m处没有观察到任何变化。9月23日,这一过程出现了轻微但不明显的破坏。