淺談本溪市平山區(qū)細(xì)河北臺(tái)段攔河壩工程壩型的選擇

□林治鑫（本溪市水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院）

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淺談本溪市平山區(qū)細(xì)河北臺(tái)段攔河壩工程壩型的選擇

□林治鑫（本溪市水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院）

摘要：本溪市平山區(qū)細(xì)河北臺(tái)段，屬于山區(qū)型河流。山區(qū)性河流，流域面積小，土壤被覆薄、地勢(shì)起伏大，河道坡降陡，河槽調(diào)蓄能力小，故急驟強(qiáng)烈的暴雨形成陡漲陡落的洪水。針對(duì)本溪市平山區(qū)細(xì)河北臺(tái)段攔河壩工程水文條件，初步設(shè)計(jì)階段通過對(duì)翻板閘、橡膠壩和混凝土實(shí)用堰壩型方案進(jìn)行壅水高度、經(jīng)濟(jì)投資和運(yùn)行管理方面的對(duì)比分析，綜合比較了三種壩型方案的建設(shè)條件與經(jīng)濟(jì)及技術(shù)上的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選擇橡膠壩壩型。

關(guān)鍵詞：壅水高度；經(jīng)濟(jì)投資；運(yùn)行管理；攔河壩

1　工程概況

本溪市平山區(qū)細(xì)河北臺(tái)段攔河壩工程，攔河壩長(zhǎng)204.40 m，泄流凈寬192.00 m。攔河壩底板高程為111.20 m。攔河壩正常蓄水位為113.70 m，擋水高度為2.50 m。工程規(guī)模為?。ǘ┬?。攔河壩工程建筑物級(jí)別為5級(jí)，次要建筑物級(jí)別為5級(jí)，臨時(shí)性水工建筑物級(jí)別為5級(jí)。設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為10 a一遇，洪峰流量為1700 m3/s。校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇，洪峰流量為2520 m3/s。

2　工程水文條件

遼寧省本溪市地處遼東山區(qū)，地形地貌特征顯著，群山起伏，溝壑縱橫，山高谷狹，屬于典型的山區(qū)型城市。本溪地區(qū)河流密布，有大小河流近200條，其中流域面積＞100 km2的有19條，這些河流分屬于太子河、渾江和草河三大水系。

山區(qū)性河流，流域面積小，土壤被覆薄，地勢(shì)起伏大，河道坡降陡，河槽調(diào)蓄能力小，故急驟強(qiáng)烈的暴雨形成陡漲陡落的洪水。由于一次天氣過程造成的暴雨歷時(shí)較短，而且主要集中在1d時(shí)間內(nèi)，致使較大洪水呈單峰型。一次洪水歷時(shí)一般3 d左右，漲落歷時(shí)短，從起漲到峰頂一般1 d左右，洪峰滯時(shí)約6 h，退水歷時(shí)較長(zhǎng)，一次洪水總量多集中在24 h內(nèi)。

3　壩型選擇

近年來，本溪市由于灌溉、引調(diào)水以及景觀的需要，在全市建設(shè)了很多攔河壩。攔河壩的壩型主要有翻板閘、橡膠壩和混凝土實(shí)用堰。

翻板閘是活動(dòng)壩，是利用翻板閘門擋水的攔河建筑物，翻板閘利用水力和閘門重量相互制衡，通過增設(shè)阻尼反饋系統(tǒng)來達(dá)到調(diào)控水位的目的：當(dāng)上游水位升高則閘門繞“橫軸”逐漸開啟泄流；反之，上游水位下降則閘門逐漸回關(guān)蓄水，使上游水位始終保持在設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)。

橡膠壩也是活動(dòng)壩，用膠布按設(shè)計(jì)要求尺寸，錨固于底板上成封閉狀，用水（氣）沖脹形成的袋式擋水壩。橡膠壩的高度可調(diào)節(jié)，壩頂可溢流起活動(dòng)壩和溢流壩的作用。橡膠壩壩袋內(nèi)水泄空后，緊貼在底板上，不縮小原有河床的過水?dāng)嗝?。橡膠壩坍壩時(shí)基本不阻水。

混凝土實(shí)用堰主要指壩高較低的實(shí)用堰。用混凝土擋水，壩高不能降低，是死壩。

根據(jù)3種壩型的各自特點(diǎn)，主要從壅水高度、經(jīng)濟(jì)投資、運(yùn)行管理等3個(gè)方面來進(jìn)行比較選擇壩型。

3.1壅水高度

3.1.1翻板閘

翻板閘過流時(shí)起調(diào)水位為翻板閘的正常蓄水位，翻板閘在水位超過正常蓄水位0.20 m時(shí)開始傾斜泄流，隨著洪峰流量的增加，翻板閘逐漸翻到泄洪。翻板閘的底板是寬頂堰，過流狀態(tài)與寬頂堰相似，但是由于有支墩和翻板閘門的影響，過流能力比完全按底板寬頂堰計(jì)算要小。其過流量通過大量水工模型試驗(yàn)與原型工程實(shí)踐，翻板閘的過流公式一般采用翻板閘生產(chǎn)廠家提供經(jīng)驗(yàn)公式：

式中，Q—翻板壩泄流量；n—翻板閘扇數(shù)（翻板閘8 m寬一扇，共24扇）；σ—淹沒系數(shù)，hs/H0＜0.70，σ=1.00；ε—側(cè)收縮系數(shù)，按《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》SL265—2001，=0.70，ε=0.95；ψ—行進(jìn)流態(tài)影響系數(shù)，按生產(chǎn)廠家提供的附表；W—行進(jìn)流速折減系數(shù)，經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

Q單—生產(chǎn)廠家提供試驗(yàn)單扇閘門泄流量取值。

表1　各種壩型水位比較表

從表1可以看出，翻板閘泄流時(shí)翻板閘閘頂水位超過正常蓄水位0.24 m時(shí)翻板閘開始翻轉(zhuǎn)，并且有一個(gè)小流量級(jí)別的反復(fù)過程，過了小流量級(jí)別后，隨著流量的增大水位和流量成線性關(guān)系。

3.1.2橡膠壩

3.1.2.1橡膠壩溢流能力計(jì)算

為防止橡膠壩袋在共振區(qū)運(yùn)行，根據(jù)規(guī)范壩上溢流水深控制在0.30 m，壩上水深超過0.50 m時(shí)，需坍壩泄洪，依據(jù)《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》，在正常蓄水位壩高時(shí)的泄流量按下列公式計(jì)算：

式中：Q—過壩流量，m3/s；δ—淹沒系數(shù)，δ=1.00；ε—淹流側(cè)收縮系數(shù)，ε=1.00；B—泄流壩寬，B=192.00 m；h0—計(jì)入行近流速的堰頂水頭。

流量系數(shù)m：

式中：H0—壩袋內(nèi)壓水頭；H—運(yùn)行時(shí)壩袋充脹的實(shí)際壩高；h1—壩上游水深，3.00 m；h2—壩下游水深，0.00 m。

經(jīng)計(jì)算，m=0.41，最大溢流量86.28 m3/s。

3.1.2.2橡膠壩泄流能力計(jì)算

當(dāng)壩上水深超過0.50 m時(shí)，橡膠壩坍壩開始泄洪，視作寬頂堰，泄流的起調(diào)水位為111.20 m，泄流量按下列公式計(jì)算：

公式同上，但m取0.35。

從表1可以看出，橡膠壩在過流時(shí)最低水位為攔河壩的底板高程111.20 m，水位隨著流量的增大與流量成線性關(guān)系。3.1.3混凝土實(shí)用堰

混凝土實(shí)用堰過流狀態(tài)為實(shí)用堰過流，泄流量按下列公式計(jì)算，起調(diào)水位為攔河壩的正常蓄水位113.70 m：

m取0.39。

式中：Q—過壩流量，m3/s；δ—淹沒系數(shù)，δ=1.00；ε—淹流側(cè)收縮系數(shù)，ε=1.00；B—泄流壩寬，B=192.00 m；h0—計(jì)入行近流速的堰頂水頭。

表2　各種壩型水位流量關(guān)系曲線表

從表2可以看出，混凝土實(shí)用堰過流時(shí)最低水位為攔河壩的正常蓄水位113.70 m，水位隨著流量的增大與流量成線性關(guān)系。

圖1　各種壩型水位流量關(guān)系曲線

從圖1可以看出，翻板閘和橡膠壩的水位流量關(guān)系曲線比較接近，橡膠壩的略低。翻板閘和橡膠壩的壅水高度差不多，但是從兩個(gè)壩型的水位流量關(guān)系曲線上看，翻板閘在流量小時(shí)水位比較高，因?yàn)榉彘l的起調(diào)水位為攔河壩的正常蓄水位，橡膠壩在洪水來之前是坍壩運(yùn)行，橡膠壩的起調(diào)水位為攔河壩的底板高程，故橡膠壩在流量小時(shí)，水位比翻板閘低。因?yàn)榛炷翆?shí)用堰是死壩，不能降低壩高，計(jì)算洪水位時(shí)從攔河壩的正常蓄水位開始計(jì)算洪水位。故混凝土實(shí)用堰的壩型壅水高度最大。

3.2經(jīng)濟(jì)投資

翻板閘由底板和擋水閘板組成，均為混凝土結(jié)構(gòu)。由于擋水閘板為預(yù)支混凝土結(jié)構(gòu)，在施工底板時(shí)應(yīng)預(yù)留坑洞來安裝擋水閘板，翻板閘的底板相對(duì)比較厚。

橡膠壩由底板和擋水橡膠壩頂組成，橡膠壩袋錨固在底板上，底板厚度按結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)厚度。

混凝土實(shí)用堰為混凝土整體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

從經(jīng)濟(jì)投資看，混凝土實(shí)用堰投資最低，橡膠壩和翻板閘差不多，橡膠壩費(fèi)用略低于翻板壩，但橡膠壩后期運(yùn)行管理維修費(fèi)用高，要增加泵房機(jī)電設(shè)備，從長(zhǎng)期運(yùn)行看，橡膠壩要比翻板壩高。

3.3運(yùn)行管理

從運(yùn)行管理上看，翻板壩它會(huì)隨水位抬高自動(dòng)開啟泄流，很少需要人為操作，運(yùn)用簡(jiǎn)單，管理方便，缺點(diǎn)一：蓄水水位人為控制較難，翻板門開啟、閉合時(shí)有不一致現(xiàn)象；缺點(diǎn)二：翻板閘易被漂浮物卡塞或上游泥沙淤積，造成不能自動(dòng)翻版而影響防洪安全；缺點(diǎn)三是洪水過后，翻板門再關(guān)上時(shí)，底部被沙石卡住，造成大量漏水。本溪市河流的泥沙含量比較大，更容易造成洪水過后，翻板閘無(wú)法關(guān)上擋水，不能蓄水。

橡膠壩的優(yōu)點(diǎn)是蓄水水位可受人為控制，不阻水；缺點(diǎn)是在洪水期運(yùn)用時(shí)需提前塌壩運(yùn)行；運(yùn)行時(shí)還需增加泵房、機(jī)電設(shè)備等；運(yùn)行中遇尖銳物壩袋易破損；修補(bǔ)時(shí)需放空水庫(kù)或修筑臨時(shí)圍堰；增加運(yùn)行成本。

混凝土實(shí)用堰不存在上述問題，但是，混凝土實(shí)用堰是死壩，不能降低壩高，運(yùn)行一段時(shí)間后，攔河壩上游淤積了大量的泥沙，攔河壩上游的河床整體抬高，改變了河勢(shì)，增加了河道的防洪壓力。

4　總　結(jié)

綜上所述，從運(yùn)行管理上，3種壩型各有優(yōu)缺點(diǎn)，但是，橡膠壩壩型加強(qiáng)管理維護(hù)，可以避免上述缺點(diǎn)。橡膠壩可以人為操作控制壩高，控制方便。翻板閘和混凝土實(shí)用堰不受人為控制，運(yùn)行不方便。

從以上幾個(gè)方面比較，本溪市平山區(qū)細(xì)河北臺(tái)段攔河壩工程壩型最終選擇橡膠壩。但是，什么事物都不是十全十美的，橡膠壩也有其自身的缺點(diǎn)，橡膠壩在運(yùn)行時(shí)應(yīng)注意管理維護(hù)，防止壩袋破損，增加使用壽命。

參考文獻(xiàn)

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［3］河海大學(xué)等.水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)學(xué)［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，1996（12）.

（責(zé)任編輯：左英勇）

中圖分類號(hào)：TV649

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-8853（2016）04-0087-03

作者簡(jiǎn)介：林治鑫（1981-），男，工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)工作。

收稿日期：2016-01-08