淺談本溪市平山區細河北臺段攔河壩工程壩型的選擇

□林治鑫（本溪市水利電力勘測設計研究院）

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淺談本溪市平山區細河北臺段攔河壩工程壩型的選擇

□林治鑫（本溪市水利電力勘測設計研究院）

摘要：本溪市平山區細河北臺段，屬于山區型河流。山區性河流，流域面積小，土壤被覆薄、地勢起伏大，河道坡降陡，河槽調蓄能力小，故急驟強烈的暴雨形成陡漲陡落的洪水。針對本溪市平山區細河北臺段攔河壩工程水文條件，初步設計階段通過對翻板閘、橡膠壩和混凝土實用堰壩型方案進行壅水高度、經濟投資和運行管理方面的對比分析，綜合比較了三種壩型方案的建設條件與經濟及技術上的優缺點，最終選擇橡膠壩壩型。

關鍵詞：壅水高度；經濟投資；運行管理；攔河壩

1　工程概況

本溪市平山區細河北臺段攔河壩工程，攔河壩長204.40 m，泄流凈寬192.00 m。攔河壩底板高程為111.20 m。攔河壩正常蓄水位為113.70 m，擋水高度為2.50 m。工程規模為小（二）型。攔河壩工程建筑物級別為5級，次要建筑物級別為5級，臨時性水工建筑物級別為5級。設計洪水標準為10 a一遇，洪峰流量為1700 m3/s。校核洪水標準為20 a一遇，洪峰流量為2520 m3/s。

2　工程水文條件

遼寧省本溪市地處遼東山區，地形地貌特征顯著，群山起伏，溝壑縱橫，山高谷狹，屬于典型的山區型城市。本溪地區河流密布，有大小河流近200條，其中流域面積＞100 km2的有19條，這些河流分屬于太子河、渾江和草河三大水系。

山區性河流，流域面積小，土壤被覆薄，地勢起伏大，河道坡降陡，河槽調蓄能力小，故急驟強烈的暴雨形成陡漲陡落的洪水。由于一次天氣過程造成的暴雨歷時較短，而且主要集中在1d時間內，致使較大洪水呈單峰型。一次洪水歷時一般3 d左右，漲落歷時短，從起漲到峰頂一般1 d左右，洪峰滯時約6 h，退水歷時較長，一次洪水總量多集中在24 h內。

3　壩型選擇

近年來，本溪市由于灌溉、引調水以及景觀的需要，在全市建設了很多攔河壩。攔河壩的壩型主要有翻板閘、橡膠壩和混凝土實用堰。

翻板閘是活動壩，是利用翻板閘門擋水的攔河建筑物，翻板閘利用水力和閘門重量相互制衡，通過增設阻尼反饋系統來達到調控水位的目的：當上游水位升高則閘門繞“橫軸”逐漸開啟泄流；反之，上游水位下降則閘門逐漸回關蓄水，使上游水位始終保持在設計要求的范圍內。

橡膠壩也是活動壩，用膠布按設計要求尺寸，錨固于底板上成封閉狀，用水（氣）沖脹形成的袋式擋水壩。橡膠壩的高度可調節，壩頂可溢流起活動壩和溢流壩的作用。橡膠壩壩袋內水泄空后，緊貼在底板上，不縮小原有河床的過水斷面。橡膠壩坍壩時基本不阻水。

混凝土實用堰主要指壩高較低的實用堰。用混凝土擋水，壩高不能降低，是死壩。

根據3種壩型的各自特點，主要從壅水高度、經濟投資、運行管理等3個方面來進行比較選擇壩型。

3.1壅水高度

3.1.1翻板閘

翻板閘過流時起調水位為翻板閘的正常蓄水位，翻板閘在水位超過正常蓄水位0.20 m時開始傾斜泄流，隨著洪峰流量的增加，翻板閘逐漸翻到泄洪。翻板閘的底板是寬頂堰，過流狀態與寬頂堰相似，但是由于有支墩和翻板閘門的影響，過流能力比完全按底板寬頂堰計算要小。其過流量通過大量水工模型試驗與原型工程實踐，翻板閘的過流公式一般采用翻板閘生產廠家提供經驗公式：

式中，Q—翻板壩泄流量；n—翻板閘扇數（翻板閘8 m寬一扇，共24扇）；σ—淹沒系數，hs/H0＜0.70，σ=1.00；ε—側收縮系數，按《水閘設計規范》SL265—2001，=0.70，ε=0.95；ψ—行進流態影響系數，按生產廠家提供的附表；W—行進流速折減系數，經驗公式計算：

Q單—生產廠家提供試驗單扇閘門泄流量取值。

表1　各種壩型水位比較表

從表1可以看出，翻板閘泄流時翻板閘閘頂水位超過正常蓄水位0.24 m時翻板閘開始翻轉，并且有一個小流量級別的反復過程，過了小流量級別后，隨著流量的增大水位和流量成線性關系。

3.1.2橡膠壩

3.1.2.1橡膠壩溢流能力計算

為防止橡膠壩袋在共振區運行，根據規范壩上溢流水深控制在0.30 m，壩上水深超過0.50 m時，需坍壩泄洪，依據《橡膠壩技術規范》，在正常蓄水位壩高時的泄流量按下列公式計算：

式中：Q—過壩流量，m3/s；δ—淹沒系數，δ=1.00；ε—淹流側收縮系數，ε=1.00；B—泄流壩寬，B=192.00 m；h0—計入行近流速的堰頂水頭。

流量系數m：

式中：H0—壩袋內壓水頭；H—運行時壩袋充脹的實際壩高；h1—壩上游水深，3.00 m；h2—壩下游水深，0.00 m。

經計算，m=0.41，最大溢流量86.28 m3/s。

3.1.2.2橡膠壩泄流能力計算

當壩上水深超過0.50 m時，橡膠壩坍壩開始泄洪，視作寬頂堰，泄流的起調水位為111.20 m，泄流量按下列公式計算：

公式同上，但m取0.35。

從表1可以看出，橡膠壩在過流時最低水位為攔河壩的底板高程111.20 m，水位隨著流量的增大與流量成線性關系。3.1.3混凝土實用堰

混凝土實用堰過流狀態為實用堰過流，泄流量按下列公式計算，起調水位為攔河壩的正常蓄水位113.70 m：

m取0.39。

式中：Q—過壩流量，m3/s；δ—淹沒系數，δ=1.00；ε—淹流側收縮系數，ε=1.00；B—泄流壩寬，B=192.00 m；h0—計入行近流速的堰頂水頭。

表2　各種壩型水位流量關系曲線表

從表2可以看出，混凝土實用堰過流時最低水位為攔河壩的正常蓄水位113.70 m，水位隨著流量的增大與流量成線性關系。

圖1　各種壩型水位流量關系曲線

從圖1可以看出，翻板閘和橡膠壩的水位流量關系曲線比較接近，橡膠壩的略低。翻板閘和橡膠壩的壅水高度差不多，但是從兩個壩型的水位流量關系曲線上看，翻板閘在流量小時水位比較高，因為翻板閘的起調水位為攔河壩的正常蓄水位，橡膠壩在洪水來之前是坍壩運行，橡膠壩的起調水位為攔河壩的底板高程，故橡膠壩在流量小時，水位比翻板閘低。因為混凝土實用堰是死壩，不能降低壩高，計算洪水位時從攔河壩的正常蓄水位開始計算洪水位。故混凝土實用堰的壩型壅水高度最大。

3.2經濟投資

翻板閘由底板和擋水閘板組成，均為混凝土結構。由于擋水閘板為預支混凝土結構，在施工底板時應預留坑洞來安裝擋水閘板，翻板閘的底板相對比較厚。

橡膠壩由底板和擋水橡膠壩頂組成，橡膠壩袋錨固在底板上，底板厚度按結構設計厚度。

混凝土實用堰為混凝土整體結構，結構簡單。

從經濟投資看，混凝土實用堰投資最低，橡膠壩和翻板閘差不多，橡膠壩費用略低于翻板壩，但橡膠壩后期運行管理維修費用高，要增加泵房機電設備，從長期運行看，橡膠壩要比翻板壩高。

3.3運行管理

從運行管理上看，翻板壩它會隨水位抬高自動開啟泄流，很少需要人為操作，運用簡單，管理方便，缺點一：蓄水水位人為控制較難，翻板門開啟、閉合時有不一致現象；缺點二：翻板閘易被漂浮物卡塞或上游泥沙淤積，造成不能自動翻版而影響防洪安全；缺點三是洪水過后，翻板門再關上時，底部被沙石卡住，造成大量漏水。本溪市河流的泥沙含量比較大，更容易造成洪水過后，翻板閘無法關上擋水，不能蓄水。

橡膠壩的優點是蓄水水位可受人為控制，不阻水；缺點是在洪水期運用時需提前塌壩運行；運行時還需增加泵房、機電設備等；運行中遇尖銳物壩袋易破損；修補時需放空水庫或修筑臨時圍堰；增加運行成本。

混凝土實用堰不存在上述問題，但是，混凝土實用堰是死壩，不能降低壩高，運行一段時間后，攔河壩上游淤積了大量的泥沙，攔河壩上游的河床整體抬高，改變了河勢，增加了河道的防洪壓力。

4　總　結

綜上所述，從運行管理上，3種壩型各有優缺點，但是，橡膠壩壩型加強管理維護，可以避免上述缺點。橡膠壩可以人為操作控制壩高，控制方便。翻板閘和混凝土實用堰不受人為控制，運行不方便。

從以上幾個方面比較，本溪市平山區細河北臺段攔河壩工程壩型最終選擇橡膠壩。但是，什么事物都不是十全十美的，橡膠壩也有其自身的缺點，橡膠壩在運行時應注意管理維護，防止壩袋破損，增加使用壽命。

參考文獻

［1］高本虎.橡膠壩工程技術指南［M］.北京：中國水利水電出版社，2004.

［2］李煒，徐孝平.水力學［M］.武漢：武漢水利電力出版社，2000（6）.

［3］河海大學等.水工鋼筋混凝土結構學［M］.北京：中國水利水電出版社，1996（12）.

（責任編輯：左英勇）

中圖分類號：TV649

文獻標識碼：A

文章編號：1673-8853（2016）04-0087-03

作者簡介：林治鑫（1981-），男，工程師，主要從事水利水電工程設計工作。

收稿日期：2016-01-08