基于马虎山橡胶坝调水冲沙实验分析

李思辰

（辽宁江河水利水电新技术设计研究院，辽宁沈阳110003）

基于马虎山橡胶坝调水冲沙实验分析

李思辰

（辽宁江河水利水电新技术设计研究院，辽宁沈阳110003）

马虎山橡胶坝蓄满水情况下，通过输沙量分析和断面流量与平均颗粒级配关系、断面平均粒径与平均沉速的关系、平均含沙量随流量变化情况、垂线流速与含沙量的关系等方面的实验数据，研究分析采取逐级塌坝放流和一次性塌坝放流等方式可否达到调水冲沙的作用，为橡胶坝安全稳定运行收集资料和积累经验。

含沙量；流速；流量；输沙量；沉速

D OI：10.3969/j.i s s n.1008_1305.2015.06.033

1 概述

马虎山橡胶坝位于辽宁省新民市三道岗子镇关家店村，距上游马虎山大桥1196m。河道平均河宽200～300m，河床比降上游为0.24‰，下游为0.16‰，河道弯曲系数1.5～1.66，宽深比3.86～12.06。橡胶坝总长137m，高程为33.18m，坝高2m，回水长度约3.7km，由拦河橡胶坝、管理房等组成。控制室位于坝址左岸。

2 勘测和分析方法

橡胶坝水下地形勘测方法，主要采用G P S和自动测深仪相结合，采用机船做载体，采用密集S型走航式进行施测，精度高且点据密集；岸上部分采用全站仪施测。

橡胶坝调水调沙实验施测，在橡胶坝上300m、100m、50m、下100m分别设4个断面，架设4条过河索，橡胶坝放流时用机船同步对水位、流量、含沙量、泥沙颗粒级配、流速、断面等要素进行监测，汛前汛后各监测一次，流量流速等监测采用A D C P，颗粒级配取样1100次，化验分析305次，采用筛分和光电颗分仪联合监测和分析。垂线采用等宽均匀布设，测点布设多以三点法为主，流量监测43次。

3 输沙量分析

利用4个临时监测断面同时进行的悬移质输沙率测验成果，7月23日，在悬移质输沙率测验时段（第1次到第8次间隔496m i n）内，橡胶坝上游300m临时监测断面时段输沙量为3570t，橡胶坝上游100m临时监测断面时段输沙量为3650t，橡胶坝上游50m临时监测断面时段输沙量为3750t，橡胶坝下游100m临时监测断面时段输沙量为3860t，以相邻上游临时监测时段输沙量为来沙量，橡胶坝上游100m临时监测断面时段冲刷量为80t，橡胶坝上游50m临时监测断面时段冲刷量为100t，橡胶坝下游100m临时监测断面时段冲刷量为110t。

9月23日，在悬移质输沙率测验时段（第1次到第5次间隔191m i n）内，橡胶坝上游300m临时监测断面时段输沙量为179t，橡胶坝上游100m临时监测断面时段输沙量为207t，橡胶坝上游50m临时监测断面时段输沙量为243t，橡胶坝下游100m临时监测断面时段输沙量为237t，以相邻上游临时监测时段输沙量为来沙量，橡胶坝上游100m临时监测断面时段冲刷量为28t，橡胶坝上游50m临时监测断面时段冲刷量为36t，橡胶坝下游100m临时监测断面时段淤积量为6t。

通过以上分析，7月23日上游来水量比较大，各临时监测断面时段平均冲淤量（每分钟）比9月23日偏大，9月23日橡胶坝下游100m临时监测断面由于河道来水量比较小，河道输水及输沙能力减小，造成测验时段内断面淤积，见表1。

表1 马虎山橡胶坝各监测断面冲淤变化分析表

4 相关分析法

4.1 断面流量与平均颗粒级配关系

马虎山橡胶坝调水调沙实验结果表明，各时段各断面流量与平均颗粒级配关系呈现大致一致的趋势，以马虎山7月23日断面1（坝上300m）为例说明，如图1所示。

图1 马虎山断面1平均粒径与流量关系

以上图表分析表明，流量增大，细沙所占比例较大，泥沙粒径越小。

4.2 断面平均粒径与平均沉速的关系

各时段各垂线的平均粒径与平均沉速呈正比例直线相关，现以马虎山7月23日断面1为例说明，如图2所示。

图2 马虎山断面1平均粒径与平均沉速关系

由以上图表分析表明，平均粒径越大，平均沉速越大，平均沉速随着平均粒径的变化而变化，趋势大致相同。

4.3 平均含沙量随流量变化情况

将马虎山橡胶坝7月23日各断面平均含沙量所对应的流量变化情况如图3所示。

以上结果表明，悬移质平均含沙量和断面流量总趋势成反比例关系，即含沙量随着流量增大而减小；但在流量小时，随流量的增加增大的趋势。

图3 马虎山断面1平均含沙量与流量关系

4.4 垂线流速与含沙量的关系

以马虎山7月23日橡胶坝坝上300m断面悬移质含沙量成果表为依据，分析测次1垂线流速与含沙量的关系，如图4所示。

图4 马虎山断面1平均含沙量与流速关系

由上图可以看出，坝上300m流速与含沙量之间没有出明显的关系，小流速时（0～1m/s）平均含沙量随着流速增大增加的趋势，流速较大时，关系点散乱。

以马虎山橡胶坝4个断面7月23日与9月23日各个垂线的资料进行分析，各垂线最大流速与平均粒径的关系如下。通过分析，垂线最大流速和泥沙平均粒径之间没有稳定的相关关系，也就是说，流速虽有所变化0.5～2.0m/s之间，水中所悬起的泥沙颗粒粒径基本稳定在0.05～1.5m m之间。

各要素变化过程分析表明，断面输沙率随流量的增加没有显著变化；断面含沙量随流量的增加呈减小的趋势；断面含沙量沿断面横向分布坝上300m和坝下100m呈现中泓大、两岸边小的规律；受橡胶坝壅水影响，坝上100m、坝上50m则规律不明显，两岸和中泓差异不大；断面含沙量沿测次走向，基本上开始小，随着放流时间增加而逐渐增加；各断面在实验过程中，7月23日过程坝上300m、100m、50m随着时间的变化，呈现一定的冲刷现象，坝下100m变化不明显；9月23日过程略有冲刷，但不明显。

5 结论

（1）从输沙量分析方法看，通过坝上和坝下两次实验可知，坝下的输沙量远远大于坝上的输沙量，说明通过橡胶坝塌坝放流的方法，可以挟带一定量的泥沙。

（2）采用逐级塌坝放流实验，如一次性塌坝放流用时191m i n；橡胶坝内悬移质泥沙粒径在0.05～0.15m m之间，沉速0.1～3.0c m/s之间，放流流速在0.1～1.6m/s之间；断面平均含沙量在0～0.45kg/m3之间。

（3）由上述分析可以得出断面含沙量随流量的增加而减小；断面平均输沙率随断面平均流速增大而增大；断面平均粒径随流量的增大而减小；泥沙平均粒径和平均沉速呈单一正相关关系；断面平均含沙量和断面平均流速在实验数据范围内无明显相关关系；垂线最大流速和平均粒径之间无明显相关关系。

（4）从调水冲刷效果看，有上游来水和橡胶坝放流相结合，冲沙效果比较好；没有上游来水，仅靠橡胶坝自行放流冲沙效果一般。

总之，马虎山橡胶坝运行中，通过放流等方法，已达到调水调沙（冲沙）的作用；为辽河下游河道泥沙冲淤变化、橡胶坝淤积防治等基础研究积累资料，为辽干及其支流生态建设提供依据。

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李思辰（1985年—），男，工程师。