适用于多泥沙河流的断流围堰堰库淤积的测度方法与流程

本发明属于水利水电工程技术领域，具体涉及一种适用于多泥沙河流的断流围堰堰库淤积的测度方法。

技术背景

当前水利水电工程建设技术发展迅速，工程开发环境日趋复杂，呈现多元化态势。其中多泥沙河流上的水利水电资源开发是本行业重要的组成部分。水利水电建设“走出去”正成为行业的新方向及发展趋势，而国际多泥沙河流亦是常见的工程选址。因此，当前及今后多泥沙河流上的水利工程会逐渐增多。由于水利水电工程施工常涉及开挖河床，需要借助挡水围堰(通常为断流固定堰)进行施工导流以保障工程基坑内的干地施工条件，则多泥沙河流的施工导流作业中，断流围堰的设计及布置是较为重要的，而堰库淤积则是导流围堰设计的重要影响因素之一。

多泥沙河流相较于清水河流具有高含沙量，则其导流系统的冲淤蓄泄规律皆不相同。由于高含沙洪水易造成堰库淤积，会影响导流系统性能，因此多泥沙河流断流围堰的堰库淤积测度对于导流系统设计及风险评估是尤为重要的。同时，自然界中多泥沙河流种类丰富，常存在不同泥沙粒径、类型等，因此，分析导流系统堰库淤积的计算亦应考虑多泥沙河流的类型。当前，业界尚未对泥沙河流的导流系统堰库淤积进行较为深入、细致的定量性研究，因此，设计一种适用于多泥沙河流的断流围堰堰库淤积的测度方法可适应当前水利水电工程发展需求，对增进水利水电行业的可持续良性发展有重要意义。

技术实现要素：

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种简明合理并且直观有效的适用于多泥沙河流的断流围堰堰库淤积的测度方法。

本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：

如图1所示，本发明提供一种适用于多泥沙河流的断流围堰堰库淤积的测度方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.数据提取

提取工程坝址处河槽历史泥沙测量资料，和相关河流水文及导流系统资料；

步骤2.多泥沙河流的分类判断

依据步骤1所得历史泥沙测量资料中的泥沙中位数粒径参数及泥沙种类进行多泥沙河流的分类判定；

步骤3.导流堰库淤积计算

步骤3-1.由河流年产沙量及相关参数确定导流堰库的泥沙输入量；

步骤3-2.依据步骤2确定的多泥沙河流分类，选取合适方法计算泥沙输移率可确定导流系统泥沙输出量；

步骤3-3.如图2所示，由导流堰库的泥沙输入量win、输出量wout计算得到导流系统泥沙淤积量。

本发明提供的适用于多泥沙河流的断流围堰堰库淤积的测度方法，还可以具有以下特征：在步骤1中，历史泥沙测量资料包括：工程坝址处河槽的多年平均年产沙量、汛期产沙量与全年产沙量的比例、泥沙孔隙率、泥沙密度、泥沙中位数粒径、泥沙悬移质及推移质比例等；相关河流水文及导流系统资料包括：河流汛期时间、河道比降、河道糙率、洪水密度、导流洞进口处河道水力半径、泄流建筑物的底宽、导流系统最大可能淤积量、围堰堰顶高程以及导流系统的服役时间(应说明其中包含汛期时间及非汛期时间)等相关重要参数。

本发明提供的适用于多泥沙河流的断流围堰堰库淤积的测度方法，还可以具有以下特征：在步骤2中，将多泥沙河流分为三类：第一类为泥沙粒径中位数小于等于0.2mm的河流，此类河流具有细沙或极细沙，且由于泥沙粒径小，河流中悬移质占主导，计算泥沙淤积量时可仅考虑悬移质；第二类为泥沙粒径中位数大于0.2mm且小于1mm的河流，此类河流悬移质及推移质皆存在，且比例不定，则计算泥沙淤积量需考虑全沙影响；第三类为泥沙粒径中位数大于等于1mm的河流，此类河流具有较粗糙的泥沙或卵砾石等大颗粒物质，河流中推移质占主导，计算泥沙淤积量可仅考虑推移质。多泥沙河流的泥沙颗粒由于粒径、类别差异带来泥沙运动特性差异，由此，一般的泥沙输移计算模型多存在适用粒径限制条件，因此需要针对河流泥沙特征进行分类判定，并基于多泥沙河流分类实现堰库淤积计算。前文提供的三种分类能够涵盖大部分多泥沙河流情况，不属于这三种分类的其他种类泥沙河流则不适用本发明，具体为：(1)泥沙粒径中位数小于等于0.2mm，但悬移质不占主导，存在较多推移质的多泥沙河流。可利用悬移质占总体泥沙含量的比例进行判断：当泥沙粒径中位数小于等于0.2mm，而悬移质占比低于90％时，可认为悬移质不占主导，该情况不适用于本发明。(2)沙粒径中位数大于等于1mm，但推移质不占主导，含有较多悬移质的多泥沙河流。可利用推移质占总体泥沙含量的比例进行判断：当泥沙粒径中位数大于等于1mm，推移质占比低于90％时，可认为推移质不占主导，该情况不适用本发明。

本发明提供的适用于多泥沙河流的断流围堰堰库淤积的测度方法，还可以具有以下特征：在步骤3-1中，导流堰库的泥沙输入量win由以下公式求得：

式中，w为河流多年平均年产沙量，td为导流系统服役时间，td1为td中非汛期的时间，td2为td中汛期的时间，tnf为河流一年中非汛期所占时间，tf为河流一年中汛期所占时间，η1为依据统计资料所得河流多年平均非汛期输沙量占全年输沙量的比例，η2为依据统计资料所得河流多年平均汛期输沙量占全年输沙量的比例。公式中所有时间参数的单位均为秒(s)。以上参数皆可由步骤1中提取的资料求取。

本发明提供的适用于多泥沙河流的断流围堰堰库淤积的测度方法，还可以具有以下特征：在步骤3-2中，导流系统泥沙输出量wout与导流系统堰库中泄流建筑物入口处的泥沙输移率相关，其中入口处的泥沙输移率应基于泥沙运动学原理根据工程环境进行估算。当前河道泥沙运动计算方法多存在适用性限制，则应依据多泥沙河流分类，选取合适方法实现泥沙输移率计算，即可确定导流系统泥沙输出量wout。

本发明提供的适用于多泥沙河流的断流围堰堰库淤积的测度方法，还可以具有以下特征：在步骤3-3中，所得导流系统泥沙淤积量应不大于系统最大泥沙淤积量，若计算出的泥沙淤积量大于系统最大泥沙淤积量，则实际的堰库淤积量应取系统最大泥沙淤积量。

本发明提供的适用于多泥沙河流的断流围堰堰库淤积的测度方法，还可以具有以下特征：在步骤3-3中，导流系统泥沙淤积量vs由以下公式求得：

式中，φ为河流泥沙孔隙率；win为导流堰库的泥沙输入量，其值与多泥沙河流的分类无关；wout为导流堰库的泥沙输出量，其值受多泥沙河流的分类有关影响；ρs为泥沙密度；vsm为导流系统最大淤积量，由导流系统设计确定，为步骤1中提取得到的资料。

发明的作用与效果

本发明所提供的多泥沙河流导流断流围堰的堰库淤积测度方法适用于大部分多泥沙河流，根据河流泥沙的参数，选定泥沙特征分类，依据分类进行泥沙运动计算，继而实现导流堰库淤积的定量测度，可为施工导流方案设计及决策提供重要支撑。

附图说明

图1为本发明涉及的适用于多泥沙河流的断流围堰堰库淤积的测度方法的流程图；

图2为本发明涉及的堰库淤积计算示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明涉及的适用于多泥沙河流的断流围堰堰库淤积的测度方法的具体实施方案进行详细地说明。在实施例中未详细阐述的部分均属于现有技术。

<实施例>

本实施例中基于某多泥沙河流施工导流工程进行说明，具体地本实施例所提供的适用于多泥沙河流的断流围堰堰库淤积的测度方法包括如下步骤：

步骤1.数据提取

(1)提取工程堰址实测的泥沙资料，泥沙资料具体参数如下表1所示：

表1泥沙资料参数表

(2)提取河流水文及导流系统资料，相关参数如下表2和和3所示：

表2河流水文资料参数表

表3导流系统设计资料表

导流系统的服役时间为当年12月初，至次年7月底共计26352000s，其中汛期所占时间为次年7月初至9月底7948800s，非汛期为当年12月初至次年6月底18403200s。

如上，即提取得到了施工现场的相关数据。

步骤2.多泥沙河流的分类判断

由提取得到多泥沙河流的泥沙中位数粒径(0.021mm)及悬移质比例(99％)通过参数判定可知，该多泥沙河流适用于本发明且属于第一类河流。

步骤3.导流堰库淤积计算

步骤3-1.由步骤1提取得到tnf为20908800s，tf为10627200s，η1为0.09，η2为0.91；河流的年产沙量w为2.48亿t；td1为18403200s，td2为7948800s。则依据上述公式(1)计算得到导流系统泥沙输入量win约为1.88亿t。

步骤3-2.由步骤1提取得到相关泥沙水文资料可依据多泥沙河流分类运用泥沙运动学计算得到河道泥沙含量。本实施例中多泥沙河流分类为第一类河流，则依据适用于第一类河流的河道泥沙运动计算方法，计算得河道泥沙含量为212.45kg/m³。由步骤1提取得到导流系统汛期平均来流水量为10.65亿m³。又td2为7948800s，tf为10627200s，则可估算得到导流系统汛期平均泄流总量为7.97亿m³，此值为该导流系统可能出现的最大值。利用河道泥沙含量与导流系统汛期平均泄流总量相乘可计算得到导流系统泥沙输出量wout约为1.69亿t。

步骤3-3.由步骤1提取得到河流泥沙孔隙率φ为0.3，河流泥沙密度ρs为1300kg/m³，导流系统最大泥沙淤积量vsm为5550000m³。由前两步计算得到win为1.88亿t，wout为1.69亿t，则依据上述公式(2)可进行导流堰库淤积量vs的估算，其计算结果约为20879120m³。由于计算结果大于系统最大泥沙淤积量vsm，因此实际的堰库淤积量vs等于vsm为5550000m³。

如上，即可输出导流堰库淤积测度的结果，针对本实施例，其值为5550000m³。

以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的适用于多泥沙河流的断流围堰堰库淤积的测度方法并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。