渭河咸陽(yáng)城區(qū)段水景觀工程五壩聯(lián)合塌壩方案探討

胡文兵，趙麗蕓

（1.陜西省咸陽(yáng)水文水資源勘測(cè)局，陜西 咸陽(yáng) 712000；2.陜西省水文水資源勘測(cè)局，陜西 西安 710068）

1 概況

渭河咸陽(yáng)城區(qū)段水景觀工程由2004年建設(shè)的“咸陽(yáng)湖”一期和2016年開(kāi)始建設(shè)的“咸陽(yáng)湖”二期組成。“咸陽(yáng)湖”長(zhǎng)4.96 km，河床斷面為復(fù)式河槽，主槽寬500 m，兩岸灘地寬100 m，主槽內(nèi)布置北槽蓄水渠和南槽泄洪渠，中間由混凝土擋墻分隔[1]。在北槽蓄水渠的首部、尾部建設(shè)了1#橡膠壩和2#橡膠壩，為保證北槽蓄水，在南槽泄洪渠渠首建設(shè)了1#副壩（橡膠壩），1#橡膠壩、1#副壩和2#橡膠壩組成了“咸陽(yáng)湖”北槽蓄水體系，1#橡膠壩和1#副壩為一個(gè)壩段。

為使城區(qū)河段形成連續(xù)的水面景觀，“咸陽(yáng)湖”二期在1#壩上3.2 km處建設(shè)了3#氣盾壩[2]，在“咸陽(yáng)湖”南槽泄洪渠尾建設(shè)了2#氣盾壩[3]，城區(qū)河段內(nèi)形成了三級(jí)蓄水區(qū)。五壩平面布置圖見(jiàn)圖1，五壩基本設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 渭河咸陽(yáng)城區(qū)段水景觀工程五壩平面布置圖

表1 渭河咸陽(yáng)城區(qū)段三級(jí)五壩設(shè)計(jì)參數(shù)表

2 單壩塌壩泄流計(jì)算

2.1 計(jì)算公式

根據(jù)《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》(SL227-98)溢流堰過(guò)流能力計(jì)算公式[5]，計(jì)算公式如下，計(jì)算示意圖見(jiàn)圖2。

式中：Q為過(guò)壩流量，m3/s；B為溢流斷面寬度，m；h0為計(jì)入行近流速水頭的堰頂水頭，m；m為流量系數(shù)；ε為淹沒(méi)系數(shù)；σ為堰流側(cè)收縮系數(shù)；g為重力加速度，取9.81m/s2。

圖2 橡膠壩過(guò)流能力計(jì)算示意圖

2.2 計(jì)算方法

采用逐時(shí)段演進(jìn)法計(jì)算橡膠壩連續(xù)塌壩過(guò)程[6]，計(jì)算時(shí)段長(zhǎng)取10 s。先確定橡膠壩塌平時(shí)間和計(jì)算時(shí)段長(zhǎng)，再逐時(shí)段計(jì)算壩高、蓄水量、水深、堰上水頭、各系數(shù)、壩泄流量。泄流計(jì)算過(guò)程繁瑣、運(yùn)算量大、耗時(shí)長(zhǎng)，本次編寫(xiě)計(jì)算機(jī)程序?qū)ο鹉z壩塌壩泄流過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算，各參數(shù)按照《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》(SL227-98)中要求選取[4]。

2.3 計(jì)算結(jié)果

2#橡膠壩、2#氣盾壩、1#副壩、3#氣盾壩不同塌壩時(shí)間最大泄流量見(jiàn)表2。

表2 不同塌壩時(shí)間最大泄流量統(tǒng)計(jì)表

2.4 單壩泄流特性

橡膠壩塌壩過(guò)程中的最大泄量受塌壩時(shí)間、橡膠壩設(shè)計(jì)壩高、河道比降等因素影響。塌壩時(shí)間越短，設(shè)計(jì)壩高越高，泄流量越早達(dá)到最大值，且值越大，對(duì)應(yīng)的壩袋塌落高度也越大。反之，塌壩時(shí)間越長(zhǎng)，設(shè)計(jì)壩高越小，泄流量越晚達(dá)到最大值，且值越小，對(duì)應(yīng)的壩袋塌落高度越小。

3 梯級(jí)塌壩泄流計(jì)算

3.1 塌壩方式

梯級(jí)橡膠壩塌壩方式按照過(guò)洪條件，分為完全塌壩泄洪和半壩溢洪。完全塌壩泄洪是指在上游洪水還沒(méi)有到達(dá)之前就把壩塌平，橡膠壩泄水過(guò)程不會(huì)與洪水疊加，保障河道行洪安全。半壩溢洪就是指在洪水來(lái)臨前先把壩高降低一些，不完全塌壩，保留一定蓄水量，節(jié)約水資源。為最大程度保證渭河咸陽(yáng)城區(qū)段行洪安全，本次采用完全塌壩迎汛方式。

3.2 梯級(jí)塌壩計(jì)算方法

采用逆序逐級(jí)塌壩，上級(jí)壩下泄流量會(huì)使下級(jí)壩泄流量增大，但兩級(jí)壩相隔距離，上級(jí)壩下泄水量抵達(dá)下級(jí)壩需要時(shí)間，不可以簡(jiǎn)單把上級(jí)壩下泄流量直接疊加在下級(jí)壩的泄流量上。相鄰兩級(jí)橡膠壩間的塌壩泄流過(guò)程，采用水量平衡法來(lái)進(jìn)行分析運(yùn)算，即壩蓄水量變化量等于下泄水量與上一級(jí)壩下泄水量的差值，計(jì)算公式如下：

式中：Vt為橡膠壩蓄水量，m3;為上一級(jí)壩泄流量，m3/s，△t為計(jì)算時(shí)段。

3.3 五壩塌壩泄流計(jì)算

3.3.1 塌壩方案設(shè)計(jì)

根據(jù)五壩運(yùn)行批復(fù)要求，咸陽(yáng)水文站流量小于2800 m3/s，咸陽(yáng)湖南槽塌壩過(guò)洪。咸陽(yáng)水文站流量大于2800 m3/s，城區(qū)河段全斷面過(guò)洪。為控制五壩塌壩泄流后，最大泄量不超1000 m3/s，本次五壩總體塌壩次序?yàn)橄饶虾蟊薄⑾认潞笊希础跋剃?yáng)湖”南槽2#氣盾壩、1#副壩和3#氣盾壩完全塌平以后，“咸陽(yáng)湖”北槽2#橡膠壩、1#橡膠壩開(kāi)始塌壩。根據(jù)不同塌平時(shí)間、塌壩間隔時(shí)間制定三種聯(lián)合塌壩方案，見(jiàn)表3。

3.3.2 泄流計(jì)算結(jié)果

利用梯級(jí)橡膠壩塌壩泄流計(jì)算程序計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表4。

4 最優(yōu)塌壩方案

4.1 控制變量

梯級(jí)橡膠壩自上至下編號(hào)為1#、2#、3#.......n#，各級(jí)壩自身完全塌落時(shí)間依次為T(mén)1、T2、T3……Tn，對(duì)應(yīng)的塌壩滯后時(shí)間為△T1、△T2、△T3…△Tn。塌壩滯后時(shí)間指相鄰兩級(jí)橡膠壩中上一級(jí)壩滯后于下一級(jí)壩的間隔時(shí)間。以橡膠壩的自身完全塌落時(shí)間Ti和其對(duì)應(yīng)的塌壩滯后時(shí)間△Ti為控制變量。

表3 三級(jí)蓄水壩聯(lián)合塌壩方案設(shè)計(jì)

表4 不同塌壩方案泄流計(jì)算結(jié)果

4.2 約束條件

（1）橡膠壩自身塌壩時(shí)間應(yīng)該大于等于其最小塌壩時(shí)間。

（2）每一級(jí)壩塌壩滯后時(shí)間應(yīng)該小于等于下一級(jí)完全塌壩所需時(shí)間。

（3）橡膠壩自身完全塌落時(shí)間及其對(duì)應(yīng)的塌壩滯后時(shí)間大于等于零。

（4）橡膠壩最大泄流量不能超過(guò)河道泄洪能力。

4.3 模型建立

以下泄流量最小為目標(biāo)函數(shù)，以 T1、T2、T3、△T1、△T2、△T3為控制變量。T1、T2、T3為 1#、2#、3#自身完全塌壩時(shí)間。△T1、△T2、△T3為 1#、2#、3#滯后下一級(jí)壩塌壩時(shí)間。△T3始終為 0，為最下游一級(jí)蓄水壩。4個(gè)約束條件：

(1)約束條件 1：Ti≥Timin=1h;

(2)約束條件 2：△T1≤T1，△T2≤T2，△T3≤T3;

(3)約束條件 3:T1、T2、T3≥且△T1、△T2△T3≤0；

(4)約束條件 4：Q下泄≤1000 m3/s。

4.4 模型結(jié)果

模型優(yōu)化計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 渭河咸陽(yáng)城區(qū)段三級(jí)壩不同塌壩方案計(jì)算結(jié)果表

4.5 方案確定

上述三種方案均滿足4個(gè)約束條件，方案2的最大下泄流量最小，且下游河段漫灘流量在1500 m3/s左右，塌壩下泄流量在河道全面清灘以后，對(duì)下游河段安全行洪影響較小，為本次推薦的聯(lián)合塌壩方案，具體如下：

(1)2#氣盾壩塌壩時(shí)間1 h、1#副壩1.5小時(shí)、3#氣盾壩1小時(shí)。2#氣盾壩先塌，間隔1 h后1#副壩開(kāi)始塌壩，再間隔1.5 h后3#氣盾壩開(kāi)始塌壩。三級(jí)聯(lián)合塌壩后2#氣盾壩斷面最大下泄流量692 m3/s。

(2)“咸陽(yáng)湖”北槽2#橡膠壩、1#橡膠壩塌壩時(shí)間1.5 h，在南槽三級(jí)蓄水壩完全塌平后開(kāi)始塌壩，塌壩后2#橡膠壩最大泄量628 m3/s。

5 結(jié)語(yǔ)

本文采用溢流堰過(guò)流能力計(jì)算公式和水量平衡原理來(lái)分析梯級(jí)壩之間的塌壩泄流過(guò)程。對(duì)渭河咸陽(yáng)城區(qū)段三級(jí)五壩設(shè)計(jì)三種聯(lián)合塌壩方案，以塌壩時(shí)間和塌壩間隔時(shí)間為控制變量，以塌壩泄量最小為目標(biāo)函數(shù)建立模型，尋求最優(yōu)塌壩方案。在計(jì)算過(guò)程中，流量系數(shù)對(duì)下泄流量影響較大，下一步可以通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)橡膠壩泄流過(guò)程進(jìn)行模擬，研究流量系數(shù)等變化規(guī)律，對(duì)計(jì)算結(jié)果做進(jìn)一步驗(yàn)證。