甘肅省西河縣城段漾水河綜合治理工程橡膠壩充排系統方案探討

孫軍平

(陜西省水利電力勘測設計研究院,陜西 西安 710001)

甘肅省西河縣城區段漾水河綜合治理工程擬在漾水河城區段約4 km范圍的河道內布置 10座橡膠壩,形成連續的景觀蓄水面,從而達到美化城市環境、提升城市品味的效果。充水枕式橡膠壩既要滿足立壩蓄水又要兼顧塌壩泄洪、且塌壩泄洪確保城市防洪安全是本工程實施的基本前提,因此橡膠壩充排水系統的方案選擇至關重要。

1 壩袋充排水方案

根據橡膠壩工程充排水方式,可供選擇方案有如下三種:

(1)方案一:動力抽排。布設泵站,采用動力抽水塌、立壩袋。

方案優點:傳統充排系統,在同類已成工程中大量應用,采用動力抽排、集中控制,方案成熟、運行管理安全、方便、可靠。

方案缺點:泵站運轉需耗電、需修建泵房,一次性投資過大。

(2)方案二:自流充排方案。依托地形,通過系統設計形成水頭差、完全依賴重力流實現壩袋塌、立充排水。

方案優點:該方案舍棄了布設充排泵站的傳統設計形式,最大限度的簡化了充排水系統。

方案難點:工程區的 10級壩袋間設計地形高差是否能滿足實現重力自流充壩塌壩的條件。

(3)方案三:動力與自流充排結合。布設泵站、塌壩排水時采用動力抽水塌壩,立壩采用河道引水重力流實現。

該方案與方案一基本相同,但壩袋充水采用重力自流,較方案一節省運行電費。

對比以上三種方案優缺點,針對本工程橡膠壩級數多、地形落差大的特點,從節約投資角度看方案二具有明顯優勢,因此,首先對方案二做具體分析。

2 自流充排方案

2.1 壩袋塌壩排水

按排水至下一級壩后消力池和排水至左右岸污水管道內兩種方案考慮進行管路水力計算。

1)基本條件

(1)河道比降:漾水河天然設計河道比降為 5.45‰;

(2)壩袋設計參數:壩高 2.2～3.0m,壩袋容積 500～900m3。

(3)參考《橡膠壩工程技術指南》中規定,國內已建橡膠壩塌壩時間要求在 1～2 h之內,結合城區段防洪安全要求,本次設計塌壩排水時間≤1.5 h。

(4)設計河道內蓄水最大深度區為壩前、與壩袋同高度,最小蓄水深度區為每級壩后為 0.2 m深度,均較壩底板高出0.2m。

(5)塌立壩管路長度均按到下一級壩址位置考慮。

2)自流塌壩排水計算成果表,見表 1。

表1 自流塌壩管道水力要素表

經分析,當采用管徑 DN 400時,各壩后排水位均小于壩址處河道 20年一遇洪水位,即排水管路無足夠的水頭實現自流。若要實現自流排出可采取兩種措施,即加粗排水管的管徑或選擇更遠的下游出水口,經進一步計算,按出口富裕水頭最小的 4#壩考慮,設計加粗排水管徑到 0.8 m,壩后出水水位1 581.78m,仍小于 20年一遇洪水位。若選擇更下游排水口,則增加了排水管道長度,從節約投資的角度看,這兩種做法均不經濟。綜上述,選擇自流排水塌壩出水口至下游一級壩袋后的方案不具備可行性。

3)排水自流至兩岸污水管道

該方案考慮最大限度的利用現有出水措施,減少排水管路長度,從而達到節約投資、方便施工的目的。該方案實施的要點是:能否實現所有壩袋在規定的 1.5 h內完全塌壩,同時要避免排污管內沿途水流量不疊加,保證現有排污管道的過流排污能力。針對該問題,對設計排污管道的自身過流流速進行計算。如果在確定的管徑、管材、坡降等條件下,管道內的計算流速在壩袋塌壩 1.5 h內的流程小于兩級壩袋之間的距離,則該方案可行,否則會由于沿途流量的疊加最終導致設計沿途排污管道過流能力不足。

左右岸排污管道自身流速計算:采用曼寧公式,結果見表2。

表2 左右岸排污管道設計流速表

根據以上計算結果可知,在塌壩必須的 1.5 h內,按排污管的設計流速,污水最小流程達 7.9 km,遠超過總蓄水區的4 km長度,所以沿途各壩袋的塌壩水流必定疊加。目前左右岸排污管道管徑設計均按現有排污流量做一定加大流量后確定,根據以上計算結果,當末端管徑為DN 800時,其最大過流能力為 0.81m3/s,若再疊加塌壩流量,按左右岸各排 5個壩均攤考慮,平均單岸流量為 0.573m3/s,疊加污水后總流量達到 1.383m3/s,在目前管材、設計管道坡降確定的條件下,經計算需要排污管管徑為 DN1 000,才能滿足過流要求。

綜上述計算結果,本次設計在盡量避免增加排污管徑的前提下,根據業主對河道治理工程總體實施的先后順序,按排污管過流能力,考慮僅將前 4座壩袋塌壩水排入污水管道。對于其余 6座壩袋塌壩排水,由于無實現自流排水的條件,所以設計仍需按動力抽排方案設計。

2.2 壩袋立壩充水

根據地形和水源條件,首先必須對 1#壩就近建蓄水池引河道水抽水立壩,形成對下一級壩袋立壩滿水時足夠的水頭差。其余壩袋均按引取上一級壩前河道蓄水進行充壩管路水力計算。

計算條件:

上水位確定:為上一級壩前蓄水位,因壩袋引取水量遠小于庫區蓄水量、且考慮河道來水補給而考慮恒定不變。

下水位確定:為下一級壩袋充滿時壩袋自身高度乘內壓比,設計內壓比均為 1.3倍。設計成果見表 3。

表3 自流充壩管道水力要素表

根據計算結果,按充壩時間為15h考慮,充水管道口徑為 DN 200設計時,除 5#壩外其余均能滿足立壩水頭要求,且出水口仍有一定富裕水頭。將 5#壩充水管路調為 DN 300管徑后,充水時間滿足設計15h的要求。所以,2#-10#壩袋立壩完全能采用自流充水方案實現。

3 結語

根據以上分析論證,在不超過左右岸排污管道的過流能力的前提下,方案二:自流充排方案可以實現 1#-4#壩袋的自流塌壩排水,并滿足 2#-10#壩袋的立壩充水。但 1#壩充壩、5#-10#壩袋塌壩排水均應結合方案一,即采用動力抽水方式,才能滿足所有壩袋充排水系統的正常運行。因此推薦方案三,即動力與自流充排相結合的措施作為實施方案。

[1]GB/T50265-97,泵站設計規范(S).北京:中國計劃出版社,1997.

[2]高本虎.橡膠壩工程技術指南(第二版)(M).北京:中國水利水電出版社.

[3]陜西省水電設計院,甘肅省西和縣漾水河城區段生態環境治理工程初步設計報告,2008-12.