橡膠壩消能防沖設(shè)計研究

程漢昆，趙 鵬

(1.大連市水利建筑設(shè)計院，遼寧大連116021;2.大連市水利規(guī)劃設(shè)計院，遼寧大連116021)

0 引言

“以水擋水”是橡膠壩有別于其他擋水建筑物的最主要特征之一。自第一座橡膠壩在國外誕生至今約半個世紀(jì)。這期間，每一座橡膠壩的建成并投入運(yùn)用，均在不斷地重復(fù)驗證著它的廣泛適用性及節(jié)省三材、造價低、結(jié)構(gòu)簡單、施工期短，以及跨度大、不阻水、自重輕和抗震性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)。

橡膠壩在溢流時水流流態(tài)復(fù)雜，工況多變，而且極易發(fā)生壩袋振動，直接影響到壩袋的安全運(yùn)行。只有弄清橡膠壩的泄流運(yùn)行規(guī)律，才能據(jù)此進(jìn)行橡膠壩的消能防沖設(shè)計，從而使橡膠壩的運(yùn)行安全可靠。

1 消能防沖設(shè)計原理

1.1 橡膠壩的工況

根據(jù)橡膠壩泄流時的水流流態(tài)，可簡單將橡膠壩的設(shè)計工況劃分為以下3種:

1)橡膠壩全部坍落，袋面上行洪，水流比較平穩(wěn)，流速與河床流速相近。

2)橡膠壩全部充起，壩頂部類似實(shí)用堰。

3)橡膠壩未充到設(shè)計高度，或坍落過程中，壩型類似于寬頂堰，壩頂溢流時，水流具有兩個自由表面的落差:一個在上游面的頂端，一個在下游面的頂尾。如為淹沒式寬頂堰，則只有上游一個自由表面跌差。

1.2 橡膠壩的基本流態(tài)

橡膠壩溢流時水流銜接狀態(tài)為:

1)在泄洪時，橡膠壩是均勻緩慢的坍落;

2)溢流開始時，水位差最大;

3)隨著壩袋坍落，單寬流量逐漸增加，下游水深相應(yīng)增加，水位差減小;

4)當(dāng)壩袋坍平后，水位差接近于零。

1.3 消力池的設(shè)計計算

根據(jù)橡膠壩的特點(diǎn)，坍壩泄洪時其上下游水位、過壩流量是變化的，因此在設(shè)計消力池時，應(yīng)對坍壩過程中可能出現(xiàn)的各種水力條件及水位組合情況進(jìn)行計算，選取最不利組合情況下的計算值，作為選定消力池的深度、長度和底板厚度的依據(jù)，使其能滿足消散動能與均勻擴(kuò)散水流的要求，且應(yīng)與下游河道有良好的銜接[1]。重要的或水流流態(tài)較為復(fù)雜的工程，可通過模型試驗對消力池的池長、池深以及上下游水位關(guān)系等進(jìn)行驗證。

橡膠壩通常采用底流式消能設(shè)施進(jìn)行消能。設(shè)計計算時，一般設(shè)定在設(shè)計流量或給定流量的條件下，計算在坍壩過程中不同壩袋高度及所對應(yīng)的下游河床水深下的消力池的池深、池長等。選取上述最不利的計算值，以最終確定消力池的深度、長度和底板厚度等。

1.4 計算公式

橡膠壩消力池計算公式參照水閘消力池設(shè)計方法。

1.4.1 消力池深度

消力池深度一般可按水躍動量平衡方程式求解，按式(1)～(4)計算:

式中:d為消力池深度，m;σ0為水躍淹沒系數(shù)，可取1.05～1.10;h″c為躍后水深，m;hc為收縮水深，m;α為水流動能校正系數(shù)，可取1.0～1.05;q為過壩單寬流量，m3/(s·m);b1消力池首端寬度，m;b2為消力池末端寬度，m;T0為由消力池底板頂面算起的總勢能，m;△Z為出池落差，m;h's為出池河床水深，m;φ為流速系數(shù)，一般取0.95。

1.4.2 消力池長度

消力池的長度一般可按下列經(jīng)驗公式計算確定:

式中:Lsj為消力池長度，m;Ls為消力池斜坡段水平投影長度，m;β為水躍長度校正系數(shù)，可采用0.7～0.8;Lj為水躍長度，m。

1.4.3 消力池底板厚度

消力池底板厚度一般可根據(jù)抗沖和抗浮的要求分別按經(jīng)驗公式和理論公式計算確定，并取最大值:

抗沖計算公式為:

抗浮計算公式為:

式中:t消力池底板始端厚度，m;△H'為壩泄水時的上下游水位差，m;k1為消力池底板計算系數(shù)，可采用0.15～0.20;k2消力池底板安全系數(shù)，可采用1.1～1.3;U為作用在消力池底板底面的揚(yáng)壓力，kPa;W為作用在消力池底板頂面的水重，kPa;Pm為作用在消力池底板上的脈動壓力，kPa;γb為消力池底板的飽和重度，kN/m3。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概述

遼寧省海城某橡膠壩為充水式。橡膠壩壩長220 m，分為四跨，每跨長53.8 m，中墩1.6 m。橡膠壩底板高程為16.5 m，橡膠壩正常蓄水位為20.0 m，壩高3.5 m。根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》確定樞紐工程為Ⅴ等工程，橡膠壩、控制室分別為5級建筑物。

2.2 消能防沖計算

2.2.1 工況分析

當(dāng)壩頂溢流時，由于泄流能力十分有限，單寬流量較小，對下游防沖基本沒有影響。當(dāng)橡膠壩坍壩時，水流保持原河狀行進(jìn)，水頭差極小，對下游防沖也基本沒有影響。

其最不利的工況在橡膠壩坍壩過程中，此時下游水位較小，假定上游水面基本維持不變，擋水水位最高，水頭差最大[2]。

在坍壩過程中，上游水位維持不變時上下游水位差最大，消能防沖計算消力池池深工況以躍后水深與下游水深(h″c－h(huán)s)最大為控制工況。消能計算控制工況見表1。

表1 橡膠壩消力池計算工況表

下游水位按主河槽(平均寬度220.0 m，糙率0.025，河道比降0.001)計算，當(dāng)水位從灘地漫流時橡膠壩已全部坍塌。

2.2.2 水躍計算

水躍參數(shù)按照公式(2)、(3)計算，各工況對應(yīng)水躍參數(shù)見表2。

表2 橡膠壩消力池水躍計算表

從表2可以看出，隨著橡膠壩坍壩，下游水位上升，躍后水深與下游水深之差呈現(xiàn)出先大后小的趨勢，控制工況在單跨橡膠壩坍壩過程中，當(dāng)橡膠壩塌至1.50 m高時，躍后水深與下游水深之差最大，為設(shè)計的控制工況[3]。

2.2.3 消力池計算消力池池深按照式(1)、(4)計算;消力池池長按式(5)、(6)計算。其中消力池池長采用遠(yuǎn)趨式水躍最大流量所對應(yīng)的長度。消力池計算成果見表3。

表3 消力池計算成果

根據(jù)上表及實(shí)際工程經(jīng)驗，消力池池深設(shè)計取值為0.80 m，考慮與橡膠壩底板平順連接，消力池池長取值20.0 m。

2.2.4 消力池結(jié)構(gòu)

消力池厚度按照式(7)、(8)計算。經(jīng)過計算，消力池底板厚度為0.46 m，消力池底板設(shè)計厚度取0.60 m。

3 結(jié)論

充水式橡膠壩在充坍壩和擋水運(yùn)行過程中，壩體較穩(wěn)定，泄流較平穩(wěn)，壩袋可承受較大的溢流水深。根據(jù)橡膠壩運(yùn)行時的外形變化、水流銜接狀態(tài)和調(diào)查資料，我國已建的橡膠壩大都采用底流式水躍消能。與同等規(guī)模的水閘相比，橡膠壩跨度大，沒有閘墩阻水，橡膠壩的單寬流量比相同條件下的水閘要小，相應(yīng)的躍后水深也比水閘的小，因此，對橡膠壩的消能防沖設(shè)計可以適當(dāng)?shù)慕档?。但為徹底消殺過池水流的動能，避免其對河床產(chǎn)生有害的沖刷，分工況對橡膠壩消能防沖進(jìn)行設(shè)計是十分有必要的。

[1]林建洪.北溪水閘樞紐下游消能防沖設(shè)施除險加固研究[J].東北水利水電，2011，29(01):63 －66.

[2]唐瑞萍.北川濕地橡膠壩設(shè)計[J].甘肅水利水電技術(shù)，2009，45(05):12 －13.

[3]楊笑宇，韓吉鵬.蛟河市池水橡膠壩工程復(fù)核計算分析[J].吉林水利，2011(04):1－5.