CN117626906A - 一种复式河槽内控制河床大幅冲淤的液压坝群运行方法 - Google Patents

一种复式河槽内控制河床大幅冲淤的液压坝群运行方法 Download PDF

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倪玉芳
陈端
黄卫
黄明海
郭辉
杨青远
魏思奇
夏沁雪
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Abstract

本发明提供一种复式河槽内控制河床大幅冲淤的液压坝群运行方法,包括:年际交替采用汛期塌坝非汛期升坝、主槽升坝滩地塌坝的运行方式,同时对位于上游的液压坝的上游河段以及液压坝结构物表面进行清淤。本发明全年汛期塌坝非汛期升坝的运行方式可以保证在相对缺水的非汛期期间涵养水源,而在水量相对充沛的汛期不采取人工干预,让河道相对自然地泄洪及冲沙,既保证了河道全年水量较为可观,又利用自然手段保证河床淤积不过度发展;全年主槽升坝滩地塌坝的运行方式保证在平水年或枯水年时水源得到保留,同时对易淤积的滩地部分进行过水冲刷。采用本发明提出的液压坝群运行方式,有利于缓解河床大幅冲淤。

Description

一种复式河槽内控制河床大幅冲淤的液压坝群运行方法
技术领域
本发明涉及水利工程水力排沙技术领域,具体是一种复式河槽内控制河床大幅冲淤的液压坝群运行方法。
背景技术
修建拦河闸是中小河流治理中常用的工程手段,发挥防洪、供水灌溉功能的同时,形成景观效应并改善水系生态环境。近年来,我国涌现出一批新型低水头拦河闸,如钢坝闸、翻板闸、气盾闸、液压坝、合页坝等,其中,翻板闸、液压坝和合页坝的每扇闸门可单独升降,可多种组合方式运行。以液压坝为例,截止2018年,国内已建成800余座液压坝工程,并于2019年入选了水利部科技推广目录。从河流生境健康角度论,在冲积河流上修建和运行新型拦河闸必然破坏长期形成的水沙平衡,进而引起河床演变规律的改变。水沙运动规律的改变不但可能影响河道行洪安全与拦河闸运行安全,还可能对河道生境产生影响。
区别于非溢流、底开式排水排沙的高水头坝及传统固定拦河闸,新型拦河闸属于转动式平面闸门,可以快速升坝实现蓄水并溢流过水,或放倒全部(塌坝)或部分闸门(分片塌坝)与河底齐平实现泄洪与冲沙。因此,冲积河流可能表现出不同于传统拦河闸作用下的河床演变特性,但目前对于运行方案的相关研究很少。以液压坝为例,国内对液压坝群运行方式有初步研究:(1)针对汾河中游干流洪水过程提出液压坝群运行方式建议(任春平,李海军,梁荣荣.2020.汾河中游液压坝群对洪水演进的影响[J].水电能源科学,38(2):76-79);(2)通过矩形水槽实验,分析三座液压坝不同组合运行方式下流速、水位等水力特性,但仍未考虑河床演变过程(梁荣荣.2019.液压坝群对变曲率河道水力特性及冲游的影响研究[D].太原理工大学硕士学位论文);(3)基于数值研究分析了四种液压坝群运行方案下的淤积总量和淤积高度,但没有明确子河段或者河道局部区域的冲淤情况(张小雅,任春平,杨帆.2022.汾河二坝-义棠段液压坝群对河道冲淤变化影响的数值研究[J].长江科学院院报,网络首发);(4)分析了四种不同液压坝群运行方案下河道冲淤情况,但是没有对运行方式提出建议并验证(Ni Y.,Cao Z.,Qi W.,et al.2021.Morphodynamic processes inrivers with cascade movable weirs-A case study of the middle Fen River[J].Journal ofHydrology,603:127133)。
上述已有研究仅初步探索了液压坝群对河道内洪水演进、流速水位、或河床总淤积量的影响,但是并没有深入系统地研究液压坝群以及不同运行方式对泥沙运动、河床不同时空尺度冲淤的影响;而事实上,局部的河床淤积将影响河道的防洪安全、液压坝局域附近的河床冲淤关系到液压坝的正常安全运行。因此需要充分研究液压坝群不同运行方式下的河床冲淤情况,不论是全河段或者是局部重点区域,并基于对河道防洪安全、液压坝运行安全的考虑,提出一种控制河床大幅冲淤的液压坝群运行方式。
发明内容
针对上述现有技术的不足,本发明所要解决的技术问题是:提供一种复式河槽内控制河床大幅冲淤的液压坝群运行方法,使得液压坝群运行过程中造成的河床冲淤对河流防洪、生境保护以及液压坝正常运行的影响最大程度上减少。
本发明采用的技术方案如下:
一种复式河槽内控制河床大幅冲淤的液压坝群运行方法,包括:
年际交替采用汛期塌坝非汛期升坝、主槽升坝滩地塌坝的运行方式,同时对位于上游的液压坝的上游河段以及液压坝结构物表面进行清淤。
进一步的,在运行期间若遭遇含沙量较大的洪水,发生局部或全河段区域泥沙显著淤积,则进行局部疏浚,或者在汛期采用全断面塌坝方式进行河槽内泥沙冲刷。
进一步的,所述年际交替采用汛期塌坝非汛期升坝、主槽升坝滩地塌坝的运行方式,具体包括:
运行第一年采用汛期塌坝非汛期升坝的运行方式;
运行第二年采用主槽升坝滩地塌坝的运行方式;
运行第三年采用汛期塌坝非汛期升坝的运行方式;
运行第四年采用主槽升坝滩地塌坝的运行方式;
后续年份运行方式依次类推。
本发明的有益效果体现在:液压坝群若持续塌坝运行则几乎无法发挥工程效益,若持续升坝运行则会造成河床淤积,尤其是上游液压坝所在的子河段淤积。全年汛期塌坝非汛期升坝的运行方式可以保证在相对缺水的非汛期期间涵养水源,而在水量相对充沛的汛期不采取人工干预,让河道相对自然地泄洪及冲沙,既保证了河道全年水量较为可观,又利用自然手段保证河床淤积不过度发展;全年主槽升坝滩地塌坝的运行方式保证在平水年或枯水年时水源得到保留,同时对易淤积的滩地部分进行过水冲刷;在此基础上,辅以对重点部位,即上游液压坝的坝前河段以及液压坝结构物表面进行人工清淤。因此,采用本发明提出的液压坝群运行方式,有利于缓解河床大幅冲淤。
附图说明
图1是下述工程分别采用不同单一运行方式情况下,通过数学模拟预测的累计河床冲淤体积:(a)全河段;(b)液压坝结构物表面;(c)滩地;(d)主槽;图中带空心圆圈的点划线表示连续采用塌坝的运行方式;带空心菱形的点划线表示连续采用升坝的运行方式;带加号的点划线表示连续采用汛期塌坝非汛期升坝的运行方式,带空心三角形的点划线表示采用主槽升坝滩地塌坝的运行方式;
图2是下述工程采用本发明实施例组合运行方式(即年际交替采用汛期塌坝非汛期升坝、主槽升坝滩地塌坝的运行方式)情况下,通过数学模拟预测的累计河床冲淤体积:(a)全河段;(b)液压坝结构物表面;(c)滩地;(d)主槽;图中带空心圆圈的点划线表示第一年采用汛期塌坝非汛期升坝、第二年采用主槽升坝滩地塌坝的运行方式;带加号的点划线表示第一年采用主槽升坝滩地塌坝、第二年采用汛期塌坝非汛期升坝的运行方式。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
以国内某具有复式断面的平原河流上修建的液压坝群(1#~15#液压坝,共计15座)为例,对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
上述15座液压坝分布在约80km长的河段。该河段蜿蜒曲折,弯道众多;为典型的复式河槽,其中主槽宽度约为20~80m,两岸滩地总宽度约为150~290m。汛期为六月到九月,非汛期为十月到次年五月。15座液压坝均由6m宽闸门串联而成,安装在主槽内的闸门高度为3.5~5m,滩地内的闸门高度均为2m,闸门厚度在0.12~0.40m之间不等。每座液压坝主要由主槽防护、上游铺盖段、液压坝段、消力池段以及下游海漫段组成。
干流水文站实测数据显示,该河段在相对自然(没有修建液压坝或者液压坝塌坝)的情况下呈现河床冲刷。然而,连续塌坝运行方式无法发挥液压坝群的蓄水功能。
通过建立平面二维数学模型并利用该河道的实测数据对模型进行参数率定与验证,后使用该模型对不同运行方式下的河床冲淤情况进行预测,并将复式河槽分成主槽、滩地、液压坝结构物表面这三个部分来考虑河道的横向具体冲淤分布情况。预测结果显示(见图1):
(1)采用连续塌坝的运行方式时,河道呈现净冲刷(最为显著),其中主槽冲刷(最为显著)、滩地淤积(最为显著)、液压坝结构物表面淤积(最为显著);
(2)采用连续升坝的运行方式时,河道呈现净淤积(最为显著),其中主槽淤积、滩地微淤、液压坝结构物表面微淤;
(3)采用汛期塌坝非汛期升坝的运行方式时,河床呈现净冲刷,其中主槽冲刷、滩地淤积、液压坝结构物表面淤积(显著);
(4)采用连续主槽升坝滩地塌坝的运行方式时,河床呈现净淤积,其中主槽淤积(最为显著)、滩地冲刷(最为显著)、液压坝结构物表面微淤。
将复式河槽沿着液压坝群中各座液压坝位置,纵向上划分为子河段来考虑时:
(1)采用连续塌坝的运行方式时,河道各个子河段无明显规律;
(2)采用连续升坝的运行方式时,上游的子河段明显淤积,其中1#液压坝所在子河段淤积最为显著;
(3)采用汛期塌坝非汛期升坝的运行方式时,河道各个子河段无明显规律;
(4)采用主槽升坝滩地塌坝的运行方式时,上游的子河段明显淤积,其中1#液压坝所在子河段淤积最为显著。
基于上述结果可知:(1)连续升坝运行方式虽可在最大程度上利用液压坝群,但是该运行方式会带来全河段整体(包括滩地、主槽)河床淤积,尤其以1#液压坝上游子河段淤积显著,从而增加河道防洪压力,因此从长远角度看该运行方式并不理想;(2)尽管主槽升坝滩地塌坝、汛期塌坝非汛期升坝的运行方式下依然存在全河段淤积或者液压坝结构物表面泥沙淤积,但是这两种运行方式下主槽和滩地的河床冲淤趋势正好相反,一定条件下可以互相弥补。侧面验证了年际交替采用汛期塌坝非汛期升坝、主槽升坝滩地塌坝这两种方式运行,并对液压坝结构物表面及上游子河段进行清淤和疏浚,可以合理控制河床大幅度冲淤。
此外,通过上述数学模型预测了交替使用“汛期塌坝非汛期升坝”与“主槽升坝滩地塌坝”运行方式各一年的河床演变过程,且两年的来水来沙条件一致。图2展示了上述两种工况的累计河床冲淤体积变化过程。
由图2可知,第一年采用“汛期塌坝非汛期升坝”的运行方式时,第一年河床淤积量约为3.3万方;第一年采用“主槽升坝滩地塌坝”的运行方式时,第一年河床淤积量约为6.6万方,总计淤积量约为9.9万方。这里需要说明的是,第一年采用“汛期塌坝非汛期升坝”之所以发生河床整体淤积,是由于非汛期(十月)有一场来水来沙较为显著的洪水,该工况非汛期期间升坝蓄水,导致主槽淤积,河道纵向上1#液压坝上游子河段也出现了显著淤积。尽管在这样的情况下,图2依旧展示了“年际交替采用汛期塌坝非汛期升坝、主槽升坝滩地塌坝的运行方式”的优越性,两种工况下全河段两年累计河床淤积量分别约为7.9万方与9.5万方,最大程度可以减少20%的河床淤积,在控制河床大幅度冲淤上有所成效。且这是在没有考虑对位于上游的液压坝、尤其是第一座液压坝的上游河段、以及液压坝结构物表面进行清淤的前提下。
首先分析“第一年采用汛期塌坝非汛期升坝、第二年采用主槽升坝滩地塌坝的运行方式”工况:液压坝结构物表面在第一年发生了显著淤积,第二年仅发生了微淤;滩地在第一年发生了约2.8万方的淤积,第二年仅发生了约1.1万方的淤积;主槽在第一年中发生了约1.4万方的冲刷,第二年中则是发生了约3.3万方的淤积。总得来说,各部分的河床冲淤幅度在第二年都有所减小,亦或者由冲刷变为淤积,说明交替使用这两种运行方式是有效的。这两年中主要的河床淤积发生在液压坝结构物表面与滩地,且1#液压坝上游子河段的淤积最为剧烈,可以考虑对液压坝结构物表面与该子河段进行清淤与疏浚。
其次分析“第一年采用主槽升坝滩地塌坝、第二年采用汛期塌坝非汛期升坝的运行方式”工况:液压坝结构物表面在第一年发生了约0.5万方的淤积,第二年仅发生了0.4万方的淤积,且河床累计淤积量变化过程与第一年相似;滩地在第一年发生了约5.1万方的冲刷,第二年仅发生了约0.9万方的冲刷;主槽在第一年中发生了约11.3万方的淤积,第二年仅发生了约3.5万方的淤积。上述各部分的河床冲淤幅度均在第二年得到了合理控制,说明交替使用两种运行方式是有效果的。但是该工况下1#液压坝上游子河段两年间持续发生了总计约7.6万方的显著淤积,这是由于第一年运行后1#液压坝上游子河段的河床抬高,导致1#液压坝上游子河段侵蚀基准面上升,局部河段河床纵比降减小,水流挟沙力下降,从而使得第二年汛期期间尽管液压坝塌坝,但仍旧发生了显著淤积,且同时使得向下游传播的洪水含沙量减少。这两年中河床淤积主要发生在1#液压坝上游子河段,因此需要对该子河段进行人工疏浚。
综上,年际交替采用汛期塌坝非汛期升坝、主槽升坝滩地塌坝的运行方式可以使该河流的河床冲淤得到合理控制。考虑到河床淤积对防洪产生的负面影响较大,而现如今疏浚和清淤工程施工难度小,因此条件允许的情况下,可以对液压坝结构物表面、1#液压坝上游子河段进行定期的清淤与疏浚。因而可以得到如下具体的运行方式建议:
第一年的运行方式:
液压坝群启用时若为汛期(六月至九月),采用塌坝运行;
进入非汛期后(十月至次年五月),采用升坝运行;
非汛期期间,若1#液压坝上游预测将迎来洪水,洪峰流量大于80m3/s,含沙量超过3kg/m3,则塌坝运行;
非汛期期间,若1#液压坝上游迎来洪水,且洪峰流量大于80m3/s,含沙量超过3kg/m3,但预测不及时没有塌坝运行,则在第二年汛期进行全断面塌坝运行,实现全河道冲沙;
非汛期期间,根据现场监测情况,如有必要,对1#液压坝上游河段、15座液压坝结构物表面进行清淤疏浚。
第二年的运行方式:
从汛期开始至非汛期结束(六月至次年五月),采用主槽升坝滩地塌坝的运行方式;
进入非汛期后,如有必要,对1#液压坝上游河段进行清淤疏浚。
第三年的运行方式:
重复第一年的运行方式;
若第三年监测发现全河道淤积程度影响防洪安全,则在汛期期间采用全断面塌坝运行,直到河床淤积程度对防洪安全不造成影响,非汛期仍然采用升坝运行;
第一年非汛期的运行方式建议仍然适用。
第四年运行方式:
重复第二年的运行方式。
若第四年监测发现全河道淤积程度影响防洪安全,则在汛期期间采用全断面塌坝运行,直到河床淤积程度对防洪安全不造成影响,非汛期仍然采用主槽升坝滩地塌坝的运行方式。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种复式河槽内控制河床大幅冲淤的液压坝群运行方法,其特征在于,包括:年际交替采用汛期塌坝非汛期升坝、主槽升坝滩地塌坝的运行方式,同时对位于上游的液压坝的上游河段以及液压坝结构物表面进行清淤。
2.如权利要求1所述的复式河槽内控制河床大幅冲淤的液压坝群运行方法,其特征在于:在运行期间若遭遇含沙量较大的洪水,发生局部或全河段区域泥沙显著淤积,则进行局部疏浚,或者在汛期采用全断面塌坝方式进行河槽内泥沙冲刷。
3.如权利要求1所述的复式河槽内控制河床大幅冲淤的液压坝群运行方法,其特征在于:所述年际交替采用汛期塌坝非汛期升坝、主槽升坝滩地塌坝的运行方式,具体包括:
运行第一年采用汛期塌坝非汛期升坝的运行方式;
运行第二年采用主槽升坝滩地塌坝的运行方式;
运行第三年采用汛期塌坝非汛期升坝的运行方式;
运行第四年采用主槽升坝滩地塌坝的运行方式;
后续年份运行方式依次类推。
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