橡膠壩消能防沖設計研究

程漢昆，趙 鵬

(1.大連市水利建筑設計院，遼寧大連116021;2.大連市水利規劃設計院，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。這期間，每一座橡膠壩的建成并投入運用，均在不斷地重復驗證著它的廣泛適用性及節省三材、造價低、結構簡單、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點。

橡膠壩在溢流時水流流態復雜，工況多變，而且極易發生壩袋振動，直接影響到壩袋的安全運行。只有弄清橡膠壩的泄流運行規律，才能據此進行橡膠壩的消能防沖設計，從而使橡膠壩的運行安全可靠。

1 消能防沖設計原理

1.1 橡膠壩的工況

根據橡膠壩泄流時的水流流態，可簡單將橡膠壩的設計工況劃分為以下3種:

1)橡膠壩全部坍落，袋面上行洪，水流比較平穩，流速與河床流速相近。

2)橡膠壩全部充起，壩頂部類似實用堰。

3)橡膠壩未充到設計高度，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

橡膠壩溢流時水流銜接狀態為:

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，下游水深相應增加，水位差減小;

4)當壩袋坍平后，水位差接近于零。

1.3 消力池的設計計算

根據橡膠壩的特點，坍壩泄洪時其上下游水位、過壩流量是變化的，因此在設計消力池時，應對坍壩過程中可能出現的各種水力條件及水位組合情況進行計算，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，使其能滿足消散動能與均勻擴散水流的要求，且應與下游河道有良好的銜接[1]。重要的或水流流態較為復雜的工程，可通過模型試驗對消力池的池長、池深以及上下游水位關系等進行驗證。

橡膠壩通常采用底流式消能設施進行消能。設計計算時，一般設定在設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，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，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，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，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抗沖和抗浮的要求分別按經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，可采用0.15～0.20;k2消力池底板安全系數，可采用1.1～1.3;U為作用在消力池底板底面的揚壓力，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《水利水電工程等級劃分及洪水標準》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。當橡膠壩坍壩時，水流保持原河狀行進，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－hs)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

水躍參數按照公式(2)、(3)計算，各工況對應水躍參數見表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出先大后小的趨勢，控制工況在單跨橡膠壩坍壩過程中，當橡膠壩塌至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趨式水躍最大流量所對應的長度。消力池計算成果見表3。

表3 消力池計算成果

根據上表及實際工程經驗，消力池池深設計取值為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 消力池結構

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

3 結論

充水式橡膠壩在充坍壩和擋水運行過程中，壩體較穩定，泄流較平穩，壩袋可承受較大的溢流水深。根據橡膠壩運行時的外形變化、水流銜接狀態和調查資料，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，相應的躍后水深也比水閘的小，因此，對橡膠壩的消能防沖設計可以適當的降低。但為徹底消殺過池水流的動能，避免其對河床產生有害的沖刷，分工況對橡膠壩消能防沖進行設計是十分有必要的。

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

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