橡胶坝冲排沙系统设计及应用分析

田 婧，熊 进

(宜昌市水利水电勘察设计院，湖北 宜昌 443001)

随着我国水土流失现象的加剧，流入江河、河道淤积大量泥沙，洪涝灾害频发。在含沙量较大的河流上修建水库，水库库底淤积大量的泥沙，影响了其泄洪调节作用，运营出现众多问题。解决河道泥沙淤积问题，是水利运营维护者的关注热点，如何排沙冲沙具有现实的研究意义。

为了解决含沙量大的河道泥沙淤积的现象，本文对“束水攻沙”与“冲击凹岸、淤积凸岸”的理念有效结合，以橡胶坝为实现载体，设计出橡胶坝冲排沙系统。详细介绍橡胶坝冲排沙系统设计原理、组成部分及试验过程、模型公式等，试验验证冲沙排沙效果。

1 橡胶坝淤积情况解析

中国含沙量高的河流大部分流经黄土高原，地貌多为干旱气候，表面植被较少，因暴雨或者风力侵蚀，水土流失现象严重。泥沙流入河流中，泥沙在河道中大量淤积，常常造成水患决堤等灾害，具体灾害分析如下：

(1)在河流上修筑电站水库，含沙量较大的河水进入库区，水流速度较小，大量泥沙淤积在库底，导致水库使用寿命减小。

(2)在沿河耕田灌溉时，因河水含沙量大，泥沙淤积在灌溉水道，造成灌溉水系瘫痪，影响着沿河地区的农业生产活动。

(3)在河道上修建的水利发电站，因含沙量大，对水轮机与泄流机械冲击较大，磨耗巨大，同时引起拦污栅堵塞。

(4)当含沙量较大的河流进行航运时，河道淤积问题需要着重处理。

(5)当河水含沙量高时，中下游河道淤积泥沙现象严重，削弱江河泄洪性能，若不及时增高加固防护堤，极易造成决堤洪灾。为了加固防护堤，每年需要投入大量人力与财力。典型案例就是黄河，黄河中下游河道因泥沙淤积造成河道增高，每年汛期防洪工作消耗大量人力与财力。

在当今最常见的冲沙排沙策略是修筑大坝，降低水流速度，将泥沙淤积在坝底。汛期借助异重流冲沙排沙，仅可以降低水库库区泥沙淤积，仍无法解决河流下游河道泥沙淤积的灾害。

本文以多年水利工作经验为基础，结合当下流行的橡胶坝特点，以橡胶坝为载体，设计橡胶坝冲排沙系统。具体设计三维立体图如图1所示。

图1 橡胶坝冲排沙系统三维示意图

2 冲排沙系统设计

2.1 设计理念

本文冲排沙系统设计是基于“束水攻沙”与“冲击凹岸、淤积凸岸”的理念并使之充分结合，借助拆卸方便的橡胶坝，把河流中的泥沙淤积到河岸侧的沉砂池里。有效提升水库使用寿命，避免河道泥沙淤积现象，不仅如此，还能净化河水，利于灌溉与饮用。依据河水含沙量及质量，对于沉沙池中的泥沙进行采掘，用作建筑原料，降低采砂工作难度，减少建筑项目资金投入。冲排沙系统所用设备获取方便，生产及运输费用较小，对于河水及周围生态系统没有任何污染，达到国家提倡的绿色水利与生态水利的要求。基于上述分析，本冲排沙系统具有推广的可行性与实用性。

2.2 结构组成及介绍

橡胶坝冲排沙系统分为3个部分，具体如下：

第1部分，借助束水攻沙的理念，设定河床宽度为200mm，对称装设橡胶坝，其规格为长300mm，宽50mm，具体布置如图2所示。橡胶坝内冲水后挤占原来河床断面面积，河水在流经该断面河道时，因河道变窄其水流速度增大。橡胶坝内的水要结合河道具体尺寸、水流速度大小、沙粒粒径等情况合理改变，达到水流速度提升适当合理，完成粒径大小不一的泥沙冲击流动的目的。

图2 系统第一部分布置图

第2部分，借助弯道河流冲击凹岸淤积凸岸的理念，在距离第1部分下游150mm处铺设橡胶坝。其规格为长200mm，宽80mm，并且其铺设与河岸成30°角，形成弯道河道，具体布设位置如图3所示。该弯道河道将直流变成弯流，这样将河流内泥沙淤积在人为制造的弯道凸岸处，便于集中处理。

图3 系统第二部分布置图

第3部分，在人为制造的凸岸修筑一个底板，其位置与河床水平平齐，其规格是长400mm，宽300mm。其长度方向另一侧设置开口，开口中心线位于第2部分橡胶坝的沉沙池。在水流沿着第2部分的人为河床弯道，泥沙转向沉降到沉沙池中。定期对沉沙池内淤积泥沙采掘处理后即可获得建筑沙原材料。其具体布设位置如图4所示。

图4 系统第二部分布置图

2.3 试验过程介绍

依照上述描述位置，对橡胶坝冲排沙系统进行模型制作。当第1部分橡胶坝冲水后，河床横截面积缩小，水流速度提升。其下游泥沙随着高速水流运动，一定距离后到达第2部分，因人为制造的弯道河道，80%左右的泥沙会淤积在凸岸处。在人为凸岸处设置沉沙池，泥沙沉降到沉沙池内，河道内泥沙含量锐减，避免了淤积在河道内，实现冲沙排沙的目的，同时避免大量泥沙淤积河道诱发的决堤洪灾等情况的发生。通过试验效果，可以看出冲沙排沙效果显著。沉沙池中泥沙采掘后可以应用于建筑工程中，有效利用了泥沙。

3 系统优势分析

橡胶坝冲排沙系统以橡胶坝为载体，具有如下3个方面的应用优势。

3.1 可变式

选择橡胶坝为载体，不仅其原材料易于获取运输，更重要的是橡胶坝便于拆卸。能依据原有河道河床横截面大小，河流流速通过改变橡胶坝冲水量改变河床横截面，将各种粒径大小的泥沙冲击搬运。投入小，安装拆卸便捷，环保性高。

3.2 冲排沙双效

“束水攻沙”理念是利用水流速度的骤变，搬运河流中泥沙至下游，因高速水流的影响范围受限，河流中泥沙仅做了一个位置上的改变。本文排沙系统先将泥沙收集后才集体搬运到指定位置，从根本上避免了河道泥沙淤积现象。

3.3 综合应用

凸岸处设置沉沙池，将大部分泥沙收集到沉沙池内，方便于建筑用砂的采掘工作。这样不仅节约采砂成本，而且避免了泥沙浪费。将沉沙池承包给建筑单位，可提高泥沙利用率，并有效增加当地政府税收。

4 冲排沙系统模型公式

在搭建冲排沙系统时，部分参数标定需要涉及到如下8个公式。

4.1 河床侵占指数

河床侵占指数计算公式见式(1)：

(1)

式中，k—河床侵占指数，其数值范围是30%～80%；B—是橡胶坝坝体所占过水面积，cm3；H—原有河床的过水面积cm3。

式(1)可以标定橡胶坝坝体初始面积，保证过水能力不至太低，有效防止了橡胶坝造成的水位过高逆流现象的发生。橡胶坝设置为流线型，沉沙池开口设置为喇叭形，保障过流平缓，降低旋涡产生的概率。

4.2 含沙量与流速的关系公式

含沙量低，泥沙淤积视作自由沉降；含沙量高，粒径较大的泥沙非自由沉降，分散状沉降对水流流速下降影响较大。为了简化计算，泥沙统计为均匀无黏性沙，将其平均流速代替起动底速。无黏性匀质沙起动流速计算方法有两种，依次公式见式(2)、式(3)。

(2)

式中，h—水深度，mm；d—沙的粒径，mm；ps—泥沙密度，kg/m3；p—河水密度，kg/m3。

式(2)主要应用于泥沙粒径介于0.14～0.21mm之间的情况。

当泥沙粒径在0.14～0.21mm之外时，选择式(3)计算。

(3)

4.3 束窄段水流速度均值

束窄段水流的平均速度值计算公式见式(4)：

(4)

式中，Q—设计流量，m3/h；ε—侧收缩常数。

4.4 上游水面计算公式

上游水面计算公式见式(5)：

(5)

式中，φ—流速常数，其值大小与围堰平面型布置相关，矩形其值范围0.7～0.8，梯形其值范围0.75～0.85，有导流墙范围0.85～0.9；g—重力加速度，为定值。

利用上述式(5)可标定橡胶坝坝高。

4.5 标定第一部分与第二部分

通过大量试验数据分析，可获得其变化规律。

4.6 弯道半径、转角、泄槽宽度间的函数关系式

利用基础数学知识可以得到3者关系式如下：

(6)

(7)

(8)

式中，H—平均势能，J；b—泄槽的宽度，m；rx—泄槽弯曲段半径值，m；β—波角，°；Fr—弗劳德系数。

5 结语

为了解决含沙量大的河道泥沙淤积的现象，本文有效结合“束水攻沙”与“冲击凹岸、淤积凸岸”的理念，以橡胶坝为实现载体，设计出橡胶坝冲排沙系统，并试验验证冲沙排沙效果。最终可以得到如下4个结论：

(1)在一定范围内橡胶坝侵占过水面积与流速提升幅度、冲沙效果呈正相关；在侵占过水面积为定值时，沙粒粒径大小与流速提升幅度，冲沙效果成负相关。

(2)该橡胶坝冲排沙系统可以适用于各种流速，其冲沙排沙均有效，可用于汛期防汛泄洪,推广应用意义较大，但其实际应用中必须结合实际情况标定其参数。

(3)橡胶坝取材方便，利于运输，拆卸方便，施工简洁，资金投入小。可应用于平缓多沙河流、水库、农业水利工程中。

(4)在模型建立过程中，部分假设仍需考证。在实际应用中要结合实际情况灵活应用。

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