成都世紀灣橡膠壩泄水特性與消能防沖設計

王旭

（成都市市政工程設計研究院，四川 成都 610000）

橡膠壩具有低水頭、大開度及運行管理上的獨特性，主要采用底流消能。筆者通過參與成都錦江世紀灣橡膠壩工程，認為下游消能工設計與橡膠壩自身的運行、泄流特點有較大關系，本文對此進行探討。

1 橡膠壩過壩水流特點及設計標準

《橡膠壩工程技術規范》和《水閘設計規范》均規定，根據運用條件選擇最不利的水位和流量組合進行消能防沖設計。

橡膠壩壩袋在充脹過程中，壩袋外形接近實用堰；坍壩過程中，壩袋外形逐漸接近寬頂堰；當壩袋完全泄空，基本恢復原有河床過流斷面。橡膠壩上下游水面銜接方式隨著坍壩過程逐漸變化：

（1）溢流開始時，水位差最大，但過壩流量、流速很小，不會對沖刷下游河床；

（2）壩袋坍落中，單寬流量逐漸增大，上下游水位差逐漸減小，下游河床逐漸產生遠趨式水躍，易沖刷下游河床；

（3）當壩袋完全坍平后，流量達到最大，但上下游水位差極小，此時，下游河床為近趨式水躍，不會沖刷下游河床。

圖1 錦江世紀灣橡膠壩

表1 橡膠壩水面銜接判定表（坍壩過程中）

表2 橡膠壩水面銜接判定表（完全坍平、開敞泄洪）

表3 橡膠壩消力池計算成果

表4 橡膠壩海幔及沖刷深度計算成果

因此，上下游水面銜接最不利、下游沖刷最嚴重的階段不是溢流開始時和壩袋坍平后，而是在壩袋坍落過程中。因此，消能防沖的設計工況應選擇在這一過程中出現的極限情況，而不應簡單地將消能防沖與防洪標準掛鉤，而應結合橡膠壩運行及泄流特點進行。

2 橡膠壩運行方式

橡膠壩在運行過程中，過壩水舌厚度不可無限度增加。為防止壩袋內外壓差太大而導致壩袋振動、折沖水流等危害運行安全的情況，水舌厚度應控制在0.5m以內，極限狀態下不可超過1.0m，否則，需坍壩運行。

3 成都市錦江世紀灣橡膠壩消能防沖設計

3．1 工程概況

由于錦江常流量較小，多年平均流量僅55.7m3/s，僅能滿足約90m寬、0.6～0.8m深常水面，為保證世紀灣主景區及上游河段常年具備更加寬闊的水面和親水條件，需在下游末端設置橡膠壩一座，這是區域水景觀打造的重要配套工程。

3．2 工程總體布置

世紀灣橡膠壩正常蓄水位479.00m，設計壩高2.9m，庫容57萬m3，結合已建江灘河道主槽進行布置。

擬建橡膠壩軸線長126m，采用2孔62+62m布置，由上游鋪蓋段、壩室段、消力池段、海幔1段、海幔2段、防沖槽組成，順河向總長71.61m。

3．3 運行方式

根據本工程橡膠壩在正常運用工況下充壩狀態的過流能力計算，在上游來水量為71.7m3/s時，壩頂水舌將達到0.5m；在上游來水量為204.8m3/s時，壩頂水舌將達到1.0m。錦江工程河段多年平均流量為55.7m3/s，枯水期多年平均流量30.6m3/s，可以通過調節壩高保證上游正常蓄水位。因此，本工程橡膠壩的運行方式為：

（1）上游來水量小于30.6～55.7m3/s時，壩頂水舌達到0.3～0.4m，此時維持設計壩高，對應最高擋水位；

（2）上游來水量小于71.7m3/s時，壩頂水舌達到0.5m，此時，需逐步降低壩頂高程，調節流量及水位；

（3）上游來水量增大至204.8m3/s時，壩頂水舌將達到1.0m（水位不變），為確保橡膠壩運行安全，需盡快降低壩頂高程至設計河床，準備泄洪；

（4）當上游來水量繼續增大，兩孔開敞式泄洪。

3．4 消能防沖工況選擇

結合上述橡膠壩的運行方式，在消能工設計中，考慮極端情況，保護下游消能安全。經過對本工程橡膠壩分別在坍壩過程中和完全坍平后的上下游水面銜接進行計算分析(表1、2)。

（1）在完全坍平后，橡膠壩在各頻率設計洪水條件下穩定泄流時，均只產生淹沒度較高的近趨式水躍，不是本工程消能防沖計算的控制工況。

（2）橡膠壩坍壩至1/2設計壩高時，此時已超過前述橡膠壩的實際運行條件，處于極端情況下維持上游正常水位不變，將產生遠趨式水躍。選擇此時對應的單寬流量、上下游水位差作為本工程消能工設計的控制工況，是偏安全的。

3．5 消能防沖設計及布置

按選定的控制工況，經消能防沖計算，橡膠壩消力池及海幔計算尺寸如表4、5。

根據對以上最不利工況的消能防沖計算，世紀灣橡膠壩消能防沖布置如下：

下游消力池設計長度為17.4m：斜坡段坡率為1:4，水平投影長度為6.0m；水平段長11.4m，設計池深1.5m，底板厚度為0.5m，采用C25鋼筋砼結構。

下游海幔設計長度為25m，水平段采用10m長，0.5m厚M10漿砌卵石結構；斜坡段坡率1:30，采用長15m，厚0.5m干砌卵石結構與下游設計河床相接。

海幔段后接1.0m深拋石防沖槽。

圖2 錦江世紀灣橡膠壩斷面布置

4 結語

（1）橡膠壩的消能防沖控制工況出現在坍壩過程中，受限于流量和水位差的變化，與防洪標準沒有直接聯系。

（2）在世紀灣橡膠壩的設計過程中，結合壩袋的極限工作狀況選擇了坍壩1/2壩高時作為消能設計控制工況，是偏安全的考慮。但實際上，坍壩過程中的泄流狀態是動態變化的，且十分復雜，與上游來水和坍壩過程均有關系。

（3）相關設計規范雖然規定應按不同的工作狀態和流量組合來確定設計工況，但鑒于橡膠壩有自身運行和泄流特點，在設計時，有必要針對流量、水位差等變化進行深入分析，必要時可通過數值模擬或模型試驗等動態方法得到最不利情況，可以使消能工設計依據更加充實。