王家灣橡膠壩工程優(yōu)化調(diào)度

丁立國(guó)

（遼寧省水利水電科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110003）

1 工程概況

王家灣橡膠壩工程位于渾河干流沈陽(yáng)城市段的河段上，壩址位于干河子攔河壩下游6.86 km，長(zhǎng)青橋上游約5 km處，是為攔河蓄水形成連續(xù)水面，開(kāi)發(fā)旅游、美化環(huán)境、改善自然景觀的水利工程。工程等別為Ⅲ等，建筑物級(jí)別為3級(jí)，其洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇設(shè)計(jì)，相應(yīng)設(shè)計(jì)泄量為4 074 m3/s。攔河建筑物為充氣式橡膠壩，橡膠壩工程長(zhǎng)401 m，共6跨，泄流凈寬396.0 m，壩高3.5 m，壩頂高程46.5 m。右岸一孔壩下為底流消能，二級(jí)消力池，其余壩段為面流消能。工程于2004年10月竣工。

王家灣橡膠壩是渾河整治工程中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，該工程以攔河蓄水形成人工水面，達(dá)到了改善渾河的自然景觀，開(kāi)發(fā)旅游業(yè)，美化城市環(huán)境的目的。

2 工程優(yōu)化的必要性

2005年8月，渾河發(fā)生洪水，沈陽(yáng)站實(shí)測(cè)洪峰流量3 740 m3/s。由于王家灣橡膠壩為充氣式橡膠壩，無(wú)法對(duì)來(lái)水進(jìn)行調(diào)節(jié)。洪水來(lái)臨時(shí)，橡膠壩工程運(yùn)行發(fā)生危險(xiǎn)，并對(duì)下游河道造成嚴(yán)重沖刷。

根據(jù)工程安全運(yùn)行要求，壩頂溢流深度不宜超過(guò)50 cm。據(jù)此設(shè)計(jì)要求，壩頂最大溢流量為247 m3/s，當(dāng)超過(guò)這一流量時(shí)，只能坍落右岸一跨進(jìn)行泄流。氣壩坍落后，無(wú)法在動(dòng)水中充氣，只能待水位降到壩底板43.0 m，壩上無(wú)水后，才能重新充氣蓄水。由于充氣式橡膠壩無(wú)法在動(dòng)水中啟動(dòng)，當(dāng)上游來(lái)水流量在247 m3/s上下變動(dòng)的情況下，橡膠壩上難以保證正常蓄水，無(wú)法滿足景觀用水需要。因此急需對(duì)充氣式橡膠壩進(jìn)行改造，使之滿足上游景觀用水的要求。

在灌溉期，王家灣橡膠壩應(yīng)在保證自身運(yùn)行安全的前提下，既保證下游農(nóng)田灌溉用水的要求，又保證上游景觀用水的需要，這就要求橡膠壩進(jìn)行流量的調(diào)節(jié)。在灌溉期，大伙房水庫(kù)根據(jù)下游需水情況進(jìn)行放水，流量一般在200～400 m3/s之間變動(dòng)，一旦流量超過(guò)247 m3/s，王家灣橡膠壩即需坍落1孔運(yùn)行，此時(shí)堰上水頭穩(wěn)定在1.6～2.5 m之間，即水位在44.6～45.5 m之間，很難滿足上游景觀用水要求。若要滿足上游景觀用水，第一需要增加上游來(lái)水流量，這是很難實(shí)現(xiàn)的；第二需要在流量超過(guò)247 m3/s時(shí)，橡膠壩不坍落而繼續(xù)溢流，這樣壩頂溢流水深將超過(guò)50 cm，橡膠壩運(yùn)行安全得不到滿足。因此急需對(duì)橡膠壩功能優(yōu)化，達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的。

3 優(yōu)化調(diào)度運(yùn)用方式

根據(jù)運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題，王家灣橡膠壩需要功能優(yōu)化，既保證水景觀要求，又保證橡膠壩及河道安全。為節(jié)省投資，利用原有建筑物，采用氣壩與水壩結(jié)合的方式，將6號(hào)壩段充氣式橡膠壩改為2孔充水式橡膠壩，經(jīng)多方案對(duì)比分析，采用等寬32.5 m的2孔水壩，間設(shè)1 m厚中墩。為利用原壩袋及施工方便，水壩底板高程抬高0.6 m，即43.6 m，拆除原有10 m寬底流消能工，重建水壩消能工程。

王家灣橡膠壩在汛期洪水來(lái)臨前，應(yīng)坍落所有壩袋，空庫(kù)度期。

在灌溉期，大伙房水庫(kù)放水流量200～400 m3/s，大伙房～沈陽(yáng)區(qū)間灌溉期多年最大來(lái)水為188 m3/s，合計(jì)最大來(lái)水量為588 m3/s。此流量即為灌溉期王家灣橡膠壩最大來(lái)水量。

橡膠壩壩頂安全溢流水深為0.5 m，相應(yīng)泄流量為247 m3/s，即上游來(lái)水在247 m3/s以下時(shí)，可以通過(guò)壩頂溢流。當(dāng)上游來(lái)水超過(guò)247 m3/s，需坍落1孔水壩泄流，坍落1孔時(shí)水壩最大調(diào)節(jié)流量為534 m3/s，當(dāng)上游來(lái)水超過(guò)534 m3/s，需坍落2孔水壩泄流，坍落2孔時(shí)水壩最大調(diào)節(jié)流量為820 m3/s。

通過(guò)對(duì)王家灣橡膠壩增設(shè)調(diào)節(jié)功能，既能保證橡膠壩的安全運(yùn)行，又能調(diào)節(jié)流量，解決上游景觀用水和下游灌溉用水之間的矛盾。王家灣橡膠壩功能優(yōu)化后，其運(yùn)行方式也隨之發(fā)生變化。調(diào)度方式的優(yōu)化，將使橡膠壩運(yùn)行更加安全，對(duì)流量的調(diào)節(jié)能力更強(qiáng)，更好地完成橡膠壩工程擔(dān)負(fù)的任務(wù)。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)王家灣橡膠壩的特點(diǎn)，結(jié)合運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題，考慮功能優(yōu)化工程造價(jià)，橡膠壩第1～5孔仍采用充氣式，第6，7孔采用充水式。既能滿足橡膠壩調(diào)節(jié)流量的需要，又能保證橡膠壩安全運(yùn)行。

4.1 溢流能力計(jì)算

依據(jù)SL227-98《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》，在不同壩高時(shí)的泄流量按下列公式計(jì)算：式中：Q—過(guò)壩流量，m3/s；δ—淹沒(méi)系數(shù)，δ=1.0；ε—淹流側(cè)收縮系數(shù)，ε=1.0；m—流量系數(shù)；B—溢流斷面平均寬度；h0—計(jì)入行進(jìn)流速的堰頂水頭。

經(jīng)計(jì)算，流量系數(shù)m=0.4，溢流水深按0.5 m計(jì)，橡膠壩總溢流能力247.3 m3/s。

4.2 泄流能力計(jì)算

橡膠壩坍壩時(shí)的泄流，可視作寬頂堰計(jì)算，泄流量公式與（1）相同，但m取0.34，分水壩和氣壩兩部分，當(dāng)水位為46.71 m時(shí)，泄流量為4 086 m3/s，滿足河道泄洪要求。

4.3 壩袋設(shè)計(jì)

橡膠壩總長(zhǎng)401 m，共分7孔，中墩厚1.0 m。充氣式橡膠壩不變，充水壩壩袋長(zhǎng)32.5 m，壩袋高2.9 m。壩袋為無(wú)縫彩色橡膠壩袋，采用原壩袋進(jìn)行改造，堵頭膠布選用一布二膠。內(nèi)壓比1.5，采用螺栓壓板式雙錨固。

1）壩袋強(qiáng)度計(jì)算：

原充氣壩袋徑向強(qiáng)度520 kN/m，緯向強(qiáng)度260 kN/m。則安全系數(shù) K=520/63.07=8.24＞6，滿足要求。

2）壩袋周長(zhǎng)計(jì)算：

原壩高3.5 m充氣壩壩斷面周長(zhǎng)12.71 m，現(xiàn)壩高2.9 m充水壩壩斷面周長(zhǎng)11.14 m，壩袋周長(zhǎng)滿足要求。

原底板寬度10 m，經(jīng)計(jì)算并重新布置，能滿足布置壩高2.9 m充水壩要求。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)王家灣橡膠壩工程的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，既保證王家灣橡膠壩蓄水后上游水面要求，達(dá)到美化環(huán)境、改善渾河景觀的目的，又能消除王家灣橡膠壩對(duì)下游河道防洪的不利影響，同時(shí)改善了橡膠壩在運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題，避免了運(yùn)行中出現(xiàn)險(xiǎn)情，解決了上游景觀用水和下游灌溉用水之間的矛盾。