盤錦市曙光橋橡膠壩蓄水能力分析

杜 濤

(盤錦市水利服務(wù)中心遼河閘管理中心，遼寧 盤錦 124000)

1 流域概況

1.1 自然地理概況

曙光橋橡膠壩位于遼河盤錦城市段范圍內(nèi)，上游有盤海營高速公路橋、中華路橋、鐵路橋、盤錦大橋、盤山橋等多座橋梁跨越遼河。工程建成后將增加城市水面，與葦海蟹田風(fēng)景區(qū)、鼎翔生態(tài)旅游度假區(qū)、濱湖公園等構(gòu)成盤錦市遼河旅游觀光帶。橡膠壩位于曙光橋下游405m處，壩址上下游河道順直、河槽居中，平面形態(tài)較穩(wěn)定，壩址位于感潮河段內(nèi)。

1.2 水文測(cè)站與水文資料

橡膠壩位于曙光橋下游405m處，距離盤山水文站較近，區(qū)間無較大支流匯入。橡膠壩壩址處最大組合流量可直接采用盤山水文站成果，考慮到橡膠壩位于感潮河段內(nèi)，設(shè)計(jì)年最高高潮位采用三道溝站成果，見表1。據(jù)分析，石佛寺以下干流洪水與下游支流洪水不遭遇，考慮到工程安全，橡膠壩址處汛前及汛后設(shè)計(jì)洪峰采用石佛寺站成果，見表2。

1.3 年徑流量分析

大氣降水時(shí)遼河中下游徑流補(bǔ)給的主要來源，因此在年內(nèi)分配、年際變化、地區(qū)分布上徑流與降水基本一致。借鑒1954-2004年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，遼河徑流豐枯變化較大，干流通江口、鐵嶺、巨流河三座水文站歷年天然徑流量最大分別為5650×106m3、9470×106m3、11120×106m3。歷年徑流量最小分別為262×106m3、707×106m3、805×106m3，年最大與年最小徑流量的比值達(dá)到21.6、13.4、13.8。年內(nèi)年徑流量分配也極不均勻，7、8月份徑流量基本都占到全年總量的50%以上，各控制站年徑流分配情況如表3。

表1 石佛寺水庫洪峰和盤山站組合流量

2 橡膠壩工程設(shè)計(jì)

2.1 防洪標(biāo)準(zhǔn)

修建橡膠壩主要是為了在遼河非汛期攔蓄河水，在河槽內(nèi)形成穩(wěn)定的生態(tài)水面，以改善河道生態(tài)環(huán)境，即滿足生態(tài)需要，不承擔(dān)防洪、灌溉等傳統(tǒng)攔蓄工程的任務(wù)[1]。旅游船閘工程修建在灘地上，為生態(tài)旅游船閘，當(dāng)發(fā)生洪水時(shí)游船上岸，船閘全部開啟，宣泄洪水，可加大橡膠壩斷面的泄洪能力。因此，橡膠壩和旅游船閘作為河道內(nèi)的生態(tài)工程建筑物，與遼河其他防洪工程相比，其標(biāo)準(zhǔn)宜低不宜高[2]。

表2 分期設(shè)計(jì)洪水成果表

表3 遼河多年平均年徑流量年內(nèi)分配表

2.2 橡膠壩壩長度

修建橡膠壩工程的主要目的是為了在遼河非汛期攔蓄河水，在河槽內(nèi)形成穩(wěn)定的生態(tài)水面，以改善河道生態(tài)環(huán)境。

L24斷面主槽寬160m，L25斷面主槽寬190m。為了盡量降低橡膠壩工程對(duì)河勢(shì)的影響，根據(jù)《遼河干流河道生態(tài)建設(shè)實(shí)施方案》提出的主河槽建壩原則，確定橡膠壩長度為200m。

2.3 橡膠壩底板高程

盤山閘(L51)-河口(L1)段長64.4km，為感潮河段。平均河寬在230-780m之間，河床比降0.07‰，河槽屬窄深型。

曙光橋橡膠壩位于遼河大斷面L24和L25之間，在L25斷面下游230m。該段河道順直、水流較平順，河寬在1300m左右，河槽屬窄深型，L24-L26斷面間最深河底高程在-2.52m到-2.94m間，深度達(dá)4m以上，L22至L26斷面見縱斷面如圖1，各斷面特性見表4。

遼河屬于北方多泥沙河流，上游支流柳河來沙較多。橡膠壩位于遼河下游遼河口的感潮段，由于上游徑流量減少、潮流量減小和潮波變形等因素引起的閘下水力條件和輸沙條件改變，促使盤山閘下河道呈現(xiàn)淤積態(tài)勢(shì)。為最大限度地減少建壩后對(duì)河道淤積的影響，盡可能滿足泄洪要求，避免人為抬高河底，形成永久性高坎[3,4]。經(jīng)過上下游斷面最深河底線比較分析，根據(jù)《遼河干流河道生態(tài)建設(shè)實(shí)施方案》提出的原則，避免對(duì)河道行洪及自然演變?cè)斐刹焕绊懀鹉z壩底板設(shè)計(jì)高程依據(jù)現(xiàn)狀河道最深點(diǎn)高程確定，因此選定橡膠壩底板高程為-2.60m。

表4 各斷面特性表

圖1 L22-L26縱斷面圖

盤山閘以下河段淤積的泥沙主要是來源于海相的潮流泥沙。閘下河道與河口間泥沙的中值粒徑大多在0.02-0.03mm間，基本無推移質(zhì)，泥沙對(duì)橡膠壩壩帶的影響較小，橡膠壩底板高程依據(jù)現(xiàn)狀河道最深點(diǎn)高程確定是可以的。

2.4 壩頂高程確定

1)防洪安全要求。在《遼河干流河道生態(tài)建設(shè)實(shí)施方案》中明確提出了橡膠壩的設(shè)計(jì)原則，為了減小對(duì)防洪安全的影響，橡膠壩設(shè)計(jì)壩頂高程應(yīng)低于現(xiàn)狀灘唇[5]。曙光橋-盤山閘下現(xiàn)狀灘面高程在2.14-3.42m之間，L27斷面以上灘面高程均高于2.6m以上。按此要求，橡膠壩壩頂高程應(yīng)低于2.6m。

2)回水長度要求。。根據(jù)規(guī)劃要求，要確保上游橋梁上下游形成水面。L25斷面距盤山閘下距離18.7km，經(jīng)計(jì)算需要壅水高度1.20m。盤錦市曙光橋橡膠壩位于遼河口的感潮段。根據(jù)營口站潮位資料分析，1-5月份多年平均高潮位為1.21m。按此計(jì)算，橡膠壩壩頂高程應(yīng)不低于2.41m。

綜合上述原因，選定橡膠壩壩頂高程為2.4m，橡膠壩壩高為5m。橡膠壩回水長度18.7km，水面面積3.37km2。

3 橡膠壩蓄水能力

3.1 泄流能力計(jì)算

1)橡膠壩溢流能力計(jì)算。根據(jù)《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》相關(guān)要求，控制壩上溢流水深不超過0.3m，并利用下式計(jì)算不同壩高條件下的泄流量，即：

(1)

式中：Q為過壩流量，m3/s；δ為淹沒系數(shù)，δ=1；ε為淹流側(cè)收縮系數(shù)，ε=1.0；B為泄流壩寬，取B=198m；h0為計(jì)入行近流速的堰頂水頭；m為流量系數(shù)，利用下式計(jì)算：

(2)

式中：H0為壩袋內(nèi)壓水頭；H為運(yùn)行時(shí)壩袋充脹的實(shí)際壩高；h1、h2為壩上游和下游水深。橡膠壩溢流能力計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 主橡膠壩溢流水位與流量關(guān)系

2)橡膠壩泄流能力計(jì)算。當(dāng)壩上水深超過0.3m時(shí)，橡膠壩坍壩開始泄洪，視作寬頂堰，泄流量按下列公式計(jì)算[6]：

(3)

式中：m取0.35，計(jì)算結(jié)果見表6，滿足河道泄洪要求。

表6 橡膠壩壩址水位與泄量

3.2 蓄水能力分析

橡膠壩運(yùn)行方式為：春季河道解凍后后開始蓄水，汛前塌壩檢修，主汛期塌壩運(yùn)行，汛后再次檢修，檢修后開始蓄水至年終。根據(jù)橡膠壩運(yùn)行方式，橡膠壩年運(yùn)行最小蓄水量包括春季蓄水庫容，汛后二次蓄水，以及蒸發(fā)滲透的損失水量。經(jīng)計(jì)算橡膠壩年蓄水量為2847萬m3，見表7。

六間房(朱家房)站現(xiàn)有1951-2004年實(shí)測(cè)資料，1974年遼河自福德店以下大型水庫先后建成。因此，采用1974-2004年共31年連續(xù)實(shí)測(cè)水量資料進(jìn)行橡膠壩入庫水量的簡單分析，六間房站實(shí)測(cè)年徑流量保證率如表8。

表7 橡膠壩蓄水分析表

表8 六間房站實(shí)測(cè)年徑流量保證率成果表

遼河流域年徑流量的年內(nèi)分配極不均勻，從多年平均徑流量年內(nèi)分配來看，六間房站6-9月份徑流量基本占到全年徑流總量的73.2%，非汛期徑流量僅占26.8%。保證率P=95%年份的年徑流量394×106m3，非汛期水量大致為105.6×106m3。橡膠壩年蓄水量為2847萬m3，僅占非汛期水量的27.0%。從六間房實(shí)測(cè)水量來看，可基本滿足橡膠壩的蓄水需求(以上分析未考慮下游灌區(qū)的用水需求)。如發(fā)生極端缺水條件，利用上游清河、柴河、南城子、榛子嶺等水庫進(jìn)行生態(tài)供水，也能夠滿足橡膠壩的正常蓄水要求[8-10]。

3.3 橡膠壩的建成影響

1)對(duì)兩岸浸沒影響。該橡膠壩為主槽橡膠壩，設(shè)計(jì)壩頂高程低于現(xiàn)狀灘唇，正常蓄水位較現(xiàn)狀水位僅抬高1.2m，較多年平均高潮位僅高0.59m。濱海蘆葦鹽土濕地分布于遼河兩側(cè)，濱岸地帶局部有淺水洼地，地表潮濕，潮溝密布甚至成沼澤，蘆葦叢生，因此對(duì)兩岸不會(huì)產(chǎn)生浸沒影響。盤錦市在中華路大橋附近修建了三處灘地公園，公園內(nèi)有部分林地高程低于橡膠壩壩頂高程0.5m左右，不會(huì)產(chǎn)生太大的浸沒問題[11]。

2)對(duì)河道淤積的影響。橡膠壩采用主槽建壩方案，壩高與低灘高程相近，壩寬與原河道一致，壩底板高程與原河道最深河底高程基本一致，汛期發(fā)生洪水時(shí)塌壩運(yùn)行，不會(huì)造成來自橡膠壩上游陸相泥沙的顯著淤積。曙光橋的位置處在過渡段中，距河口約45km。雖然本次設(shè)計(jì)采用主槽建壩方案，對(duì)過流斷面影響較小，但由于橡膠壩蓄水將引起潮流量減小和潮波的顯著變形，將加重海相泥沙的淤積[12]。

3)對(duì)防洪的影響分析。由于橡膠壩的壩高與低灘高程相近，汛期發(fā)生洪水時(shí)塌壩運(yùn)行，不會(huì)造成壅水，與建壩前河道天然河道泄洪基本一致，也未改變河槽水流流態(tài)，不會(huì)對(duì)河道橫向自然演變?cè)斐刹焕绊慬13]。

4 結(jié) 語

1)攔河橡膠壩具有管理方便、施工簡單、成本造價(jià)低等優(yōu)勢(shì)，在城區(qū)園林美化工程中具有廣泛的應(yīng)用前景。經(jīng)計(jì)算，盤錦市曙光橋橡膠壩年運(yùn)行最小蓄水量為2847萬m3，主要包括春季蓄水庫容，汛后二次蓄水，以及蒸發(fā)滲透的損失水量。從六間房實(shí)測(cè)水量來看，可基本滿足橡膠壩的蓄水需求，如發(fā)生極端缺水條件，利用上游清河、柴河、南城子、榛子嶺等水庫進(jìn)行生態(tài)供水，也能夠滿足橡膠壩的正常蓄水要求。

2)由于橡膠壩蓄水將引起潮流量減小和潮波的顯著變形，將加重海相泥沙的淤積。因此，在為了保證本段及上游的防洪安全和維持橡膠壩的正常運(yùn)行，應(yīng)嚴(yán)密觀測(cè)橡膠壩上下游河段的淤積情況，如發(fā)生淤積必須及時(shí)進(jìn)行人工清淤至設(shè)計(jì)斷面，以確保行洪斷面的暢通。