山區河道橡膠壩群蓄水工程水面線計算方法淺析

李江海

(呂梁市橫泉水庫管理局， 山西 呂梁　033000)

山區河道橡膠壩群蓄水工程水面線計算方法淺析

李江海

(呂梁市橫泉水庫管理局， 山西 呂梁033000)

【摘要】針對目前橡膠壩群蓄水工程水面線計算中存在的問題，以山西省呂涼市山區河道橡膠壩蓄水工程為例，選擇了兩種典型工況，從理論上總結了推算水面線的方法，可供類似情況下水面線推求參考。

【關鍵詞】山區河道； 橡膠壩； 蓄水工程； 水面線計算

橡膠壩是一種新型的低水頭擋水建筑物，由于具有造價低、工期短、耐久性強、抗震性能強、運用靈活方便以及充壩蓄水、坍壩泄洪等優點，已被廣泛應用于灌溉、發電、防洪等方面。近年來，為了美化城市、改善水生態環境、提高城市品位，越來越多的中小城市開始興建橡膠壩蓄水工程，而且逐步由平原城市向山區城市、由單一壩體向多壩聯合運行的壩群發展。由于山區河道寬度小、縱坡陡、洪水峰大量小，河道常采用汛期坍壩泄洪、非汛期充壩蓄水的運行方式，而且在泄洪時洪水多呈急流狀態。本文針對山區陡坡河道橡膠壩群蓄水工程水流流態多樣性的特點，以山西省呂涼市蓄水工程為例對河道水面線進行分析計算。

1工程概況

山西省呂涼市蓄水工程全長18.6km，防洪標準為50年一遇，河道橫斷面為矩形，寬80m，河底和兩岸堤防均為C25 鋼筋混凝土結構。主河槽治理段上游200m和860m處共布置2座攔沙壩，治理段范圍內從上游到下游連續布置25 座單跨充水式橡膠壩，采用汛期坍壩泄洪、非汛期充壩蓄水的運行方式。橡膠壩高3.4m，擋水高度3.6m(橡膠壩基礎高0.2m)，壩基礎寬13.5m，長與河道寬相同，為80m，基礎頂高于壩前河底0.2m，壩后設斜坡段與下游底板連接，斜坡段坡比為1∶4，長2.0m，落差0.5m，壩后不設消力池。由于各橡膠壩水力計算方法相同，本文取位于蓄水工程中游的8號橡膠壩進行分析，該河段縱坡1/240，壩區長700m，汛期(6月1日—9月30日)設計洪峰流量為1364m3/s，非汛期(10月1日—次年5月31日)為160m3/s。

2坍壩工況壩區水面線計算

根據橡膠壩蓄水工程設計，坍壩為汛期運行方式，設計洪峰流量1364m3/s。在推算水面線前需先選擇控制斷面，根據水流情況，共選擇2個控制斷面，1個選擇在壩區下游，即橡膠壩壩址處，另1個選擇在上游，即上一座橡膠壩洪水下泄后的水深收縮斷面。下面分別對2個控制斷面水深進行水力計算。

2.1下游控制斷面水深計算

下游控制斷面為橡膠壩的壩址，橡膠壩可視作寬頂堰，由于有阻水作用，該斷面將產生壅水，壅水高度采用《橡膠壩技術規范》附錄A公式計算：

(1)

式中Q——過壩流量，m3/s；

B——溢流斷面寬度，m；

H0——壩頂水頭，H0=H+v2/2g，m；

H——壩頂水深，m；

v——壩前流速，m/s；

m——流量系數，坍壩時取0.36；

σ——淹沒系數，下游水深H0<0.8時取σ=1；

ε——側收縮系數，無側收縮，取ε=1。

由此計算的壩頂水頭H0=4.86m，壩頂水深H=4.02m，壩前平均流速4.04m/s，控制斷面水深為壩頂水深與壩基礎高之和：h=4.02+0.2=4.22m?？刂茢嗝鏋樽畲筵账叨任恢茫挥趬屋S線上游(3～4)H處，本文計算中取距壩軸線15m。

2.2上游控制斷面水深計算

上游控制斷面水深為上一座橡膠壩洪水下泄后收縮斷面的水深，上一座橡膠壩的壅水計算方法和結果與本壩區橡膠壩相同，其壩后收縮斷面水深采用下列公式試算：

(2)

式中E0——從下游底板算起的上游水頭，E0=P+H0，m；

P——壩基礎與下游河道底板高差，P=0.5m；

H0——壩頂以上總水頭，由上節知H0=4.86m；

q——過壩單寬流量，q=1364/80=17.05m3/(s·m)；

hc——收縮水深，m；

ψ——流量系數，下游為折線型，取ψ=0.9。

由此計算的收縮水深，即上游控制水深hc=2.56m，平均流速6.66m/s。

2.3水面線推算

2.3.1水面線定性分析

根據有關公式計算的壩區正常水深h0=2.61m(其中混凝土糙率取0.018)，臨界水深hk=3.10m，因h01，Fr2<1，故河道在上游為急流，下游為緩流。水深從上游收縮斷面開始，經S3型壅水曲線由收縮水深hc向正常水深h0過渡，在急緩流變化處發生水躍(因Fr1<1.7，所以水躍形式為波狀水躍)，然后通過S1型壅水曲線，在距壩址(3～4)H處水深達到下游壩前最大壅水高度h。

2.3.2水面線定量分析

通過對水面線定性分析，若要計算各斷面水深，關鍵需確定水躍發生位置。因水躍需滿足躍前和躍后水深條件才能發生，依據上下游控制水深，按波狀水躍公式(3)分別向下游和上游推求水面線，當上下游水深同時滿足公式要求的躍前、躍后水深和躍長時，則為水躍發生位置。

水面線公式：

(3)

式中z1、z2——上下游水面高程，m；

hj——局部水頭損失，河道為棱柱體明渠，hj=0m；

hf——沿程水頭損失，hf=JL，m；

L——所取河段長度，本次計算時取L=20m；

J——平均水力坡度，J=(J1+J2)/2；

J1、J2——河段上下游斷面水力坡度。

波狀水躍公式(《水工設計手冊(第二版)》)：

(4)

躍長公式(《水工設計手冊(第二版)》)：

(5)

式中h1、h2——躍前、躍后水深，m；

Fr——躍前弗勞得數；

L——水躍長度，m。

假設躍前水深已達正常水深，則躍前水深h1=h0=2.61m，相應弗勞得數Fr=1.29，躍后水深h2=3.48m，躍長L=9.86≈10m。經計算，水躍發生在距上游控制斷面561～571m之間，躍前水深基本達到正常水深，故原假設正確。計算結果見表1和水面曲線圖。

表1　坍壩運行壩區水面線計算結果

3充壩工況壩區水面線計算

充壩為非汛期運行方式，設計洪峰流量160m3/s。控制斷面的選擇與坍壩運行方式相同，即分別為該壩區下游側的壩前斷面和該壩區上游側的上一座橡膠壩后收縮水深斷面。

3.1控制斷面水深計算

水面線計算方法與坍壩運行時相同，但在采用公式(1)計算時，根據《橡膠壩技術規范》附錄A，壩袋充脹時按曲線型實用堰考慮，流量系數m取0.40。經計算，壩頂水深H=1.08m，平均流速0.43m/s，橡膠壩蓄水高度3.6m，則壩前水深(下游斷面控制水深)h=3.6+1.08=4.68m。上游斷面控制水深為收縮水深，hc=0.23m，平均流速8.69m/s。上游控制斷面弗勞得數Fr1=5.78，下游控制斷面Fr2=0.06。河道正常水深h0=0.71m，臨界水深hk=0.74m。

3.2水面線推算

水面曲線類型與坍壩運行時相同，但由于下游水深較高，水躍位置將上移至壩區上游側，上游收縮斷面弗勞得數4.5

(6)

公式中符號意義同前。由此計算的躍后水深為h2=1.77m，躍長8m。采用公式(3)推求水面線，可知下游壅水線推算到上游，其水深均不小于1.85m，即大于躍后水深，所以水躍為淹沒水躍，躍前斷面為收縮水深斷面，水面線計算結果見表2和水面曲線圖。

表2　充壩運行壩區水面線計算結果

水面曲線圖

4結語

本文水面線計算時只選取了完全坍壩和完全充壩兩種典型工況，在計算堤防高度時，還應考慮其他可能工況，最后取各工況水面線的外包線作為堤頂高程設計依據，許多工程設計中僅按汛期坍壩運行工況或采用曼寧公式計算水面線，由此確定的壩高明顯偏低、偏不安全。本文所述工程因底板和側墻全部采用鋼筋混凝土襯砌，抗沖能力強，未設消力池，但由本文分析可知，不同工況水躍發生位置也不同，即使同一工況由于底板順直，水躍位置也不可能固定，建議工程設計中應在壩下設消力池固定水躍位置，穩定水面曲線，減少急流長度。最后需要說明的是，本文僅從理論上對橡膠壩蓄水工程水面線進行了分析，由于水躍水流紊亂復雜，對特別重要的工程還應通過模型試驗來復核計算成果。

中圖分類號：TV64

文獻標志碼：A

文章編號：1005-4774(2015)04-0033-03

On water line calculation method in Mountain River Rubber
Dam Group Water Accumulation Project

LI Jianghai

(LüliangHengquanReservoirAuthority,Lüliang033000,China)

Abstract：Mountain river rubber dam water accumulation project in Shanxi Lüliang is adopted as an example aiming at problems in current Rubber Dam Group Water Accumulation Project water line calculation. Two typical conditions are selected. Methods of calculating water lines can be summarized theoretically, thereby providing reference for water line calculation under similar condition.

Key words：mountain river; rubber dam; water accumulation project; water line calculation