石堤河防倒灌工程調(diào)度和運(yùn)行分析

譚 強(qiáng)

（陜西省三門峽庫(kù)區(qū)華州河務(wù)中心,陜西 渭南 714100）

1 工程基本概況

陜西渭南華縣境內(nèi)5 條南山支流由南向北穿境而過(guò)匯入渭河,南山支流堤防把華縣防護(hù)區(qū)分割成為四個(gè)封閉的獨(dú)立區(qū)域,支流堤防成為華縣防護(hù)區(qū)最后的防洪屏障。受渭河歷年洪水倒灌淤積影響,支流河道也發(fā)展成為地上“懸河”,渭河“03.8”洪水就是因?yàn)槲己雍樗构嗄仙街Я?多處支流堤防出險(xiǎn)決口,造成重大經(jīng)濟(jì)損失。為防止南山支流決口后渭河洪水倒灌,減輕支流河道因倒灌淤積,加重“懸河”這一問(wèn)題,2012 年陜西省在石堤河入渭口建設(shè)了第一座防御渭河洪水倒灌工程,該工程為全國(guó)首例以橡膠壩作為堤壩攔擋河口洪水的水利工程。石堤河防倒灌工程建設(shè)在南山支流石堤河與渭河防洪堤交匯處,工程按照攔擋渭河50 年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),下游消能防沖設(shè)施按南山支流20 年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。工程由橡膠壩袋（全長(zhǎng)74 m,充壩最大高度4.5 m）,泄洪閘（孔口尺寸6 m×4 m）、壩肩平臺(tái)、充排水系統(tǒng)、房屋建筑等部分組成。按工程特性可分為四類：橡膠壩袋、洪洪閘門、機(jī)電設(shè)備、水工建筑物。

2 工程運(yùn)行現(xiàn)狀

2.1 防倒灌工程建設(shè)原因

渭河和南山支流入渭口建設(shè)防倒灌工程,是因?yàn)樗鼈冎g存在著渭河水頂托南山支流來(lái)水下泄、倒灌南山支流的關(guān)系,防倒灌工程就是為了預(yù)防這種關(guān)系而產(chǎn)生的。頂托是一種地理現(xiàn)象,指支流水流被干流高水位所阻,形成雍水現(xiàn)象；倒灌是雍水以后,干流水位高于支流水位,干流來(lái)水從河口流入支流的現(xiàn)象。渭河下游二華（華州、華陰）南山支流受渭河洪水頂托、倒灌現(xiàn)象非常明顯,南山支流來(lái)水,受渭河水位上漲頂托,不易下泄,渭河水位上漲高于支流來(lái)水水位,形成倒灌。受倒灌影響的南山支流河床逐年形成淤積,使支流堤防臨背差不斷擴(kuò)大,石堤河堤防最大臨背差在3.0 m以上,遇仙河、赤水河堤防最大臨背差超過(guò)4.0 m。南山支流發(fā)生倒灌產(chǎn)生雍水,支流堤防出險(xiǎn)機(jī)率增加,防汛壓力增大,支流堤防一旦決堤,渭河洪水從支流入渭口灌入,后果不堪設(shè)想。經(jīng)過(guò)渭河綜合治理,支流河口防倒灌工程建成,將支流出險(xiǎn)和決堤造成的重大險(xiǎn)情機(jī)率降低,把南山支流決堤帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失減輕,成為渭河下游南山支流防汛安全的一道重要屏障。這樣一來(lái)支流入渭口的防倒灌工程合理啟用、科學(xué)調(diào)度、精準(zhǔn)運(yùn)行就非常重要。

2.2 工程運(yùn)行情況

石堤河防倒灌工程2013 年建成,運(yùn)行管理單位預(yù)案設(shè)定啟用標(biāo)準(zhǔn)為預(yù)報(bào)華縣站流量4000 m3/s,該工程在渭河華縣水文站上游5 km 渭河右岸。2021 年以前,工程建成7 年未遭遇啟用量級(jí)洪水,工程無(wú)啟用運(yùn)行的水文數(shù)據(jù),對(duì)工程啟用充壩高度、防御渭河洪水和支流來(lái)水調(diào)節(jié)運(yùn)行,我們無(wú)法通過(guò)實(shí)踐進(jìn)行檢驗(yàn)。2021 年9 月～10 月渭河發(fā)生了4 次洪水,其中3 次達(dá)到編號(hào)量級(jí),2 次洪水石堤河防倒灌工程啟用,通過(guò)對(duì)渭河華縣站洪水信息分析,與石堤河防倒灌工程水文數(shù)據(jù)對(duì)比,得出相對(duì)可靠的數(shù)據(jù)信息,可為石堤河防倒灌工程科學(xué)調(diào)度、精準(zhǔn)運(yùn)行和工程防洪預(yù)案修編提供一定的依據(jù)。

3 工程調(diào)度和運(yùn)行分析結(jié)論

3.1 渭河典型洪水特性分析

把渭河2021 年2 號(hào)洪水3 號(hào)洪水華縣站水文特征和石堤河防倒灌工程水文信息進(jìn)行對(duì)比分析,得出石堤河防倒灌工程調(diào)度、運(yùn)行相關(guān)數(shù)據(jù),這為今后防倒灌工程調(diào)度、運(yùn)行提供了一定的依據(jù)。

渭河2021 年2 號(hào)洪水是典型的渭河、黃河、南山支流洪水遭遇,9 月28 日渭河華縣站出現(xiàn)洪峰4860 m3/s,對(duì)應(yīng)黃河潼關(guān)站流量7480 m3/s,南山支流石堤河入渭口水位頂托雍高超渭河水位0.32 m,2 號(hào)洪水華縣站最高水位341.91 m,為該站建站以來(lái)實(shí)測(cè)最高洪水位,因此取該典型年份洪水進(jìn)行分析。

渭河2021 年3 號(hào)洪水是典型的渭河、黃河洪水遭遇,10 月8 日華縣站洪峰流量4560 m3/s,相應(yīng)黃河潼關(guān)站流量8360 m3/s,該流量為黃河潼關(guān)站1979 年以來(lái)實(shí)測(cè)最大流量,渭河3 號(hào)洪水在上游魏家堡站、咸陽(yáng)站出現(xiàn)多峰演進(jìn),通過(guò)臨潼站、華縣站洪峰疊加持續(xù)演進(jìn),華縣站4000 m3/s 以上流量持續(xù)40 h,為自“03.8”洪水以來(lái)較為罕見,因此取該典型年份洪水進(jìn)行分析。

3.2 渭河典型洪水特征和石堤河防倒灌工程運(yùn)行對(duì)比分析

（1）石堤河防倒灌工程壩底板臨水（壩底板高程340.3 m）和華縣站水位關(guān)系見表1。

表1 石堤河防倒灌工程壩底板臨水（壩底板高程340.3 m）和華縣站水位關(guān)系表

石堤河防倒灌工程壩前臨水臨界點(diǎn)對(duì)應(yīng)華縣站不同流量的水位為339.5 m～339.9 m 之間。

（2）石堤河防倒灌工程啟用充壩高度和渭河華縣站流量水位關(guān)系見表2。

表2 石堤河防倒灌工程啟用充壩高度和渭河華縣站流量水位關(guān)系表

石堤河防倒灌工程按照預(yù)案要求在華縣站4000 m3/s 啟用時(shí),對(duì)應(yīng)的防倒灌工程壩后水深為0.87 m～1.63 m 之間,按照省江河局《渭河華縣南山支流三處防御渭河洪水倒灌工程運(yùn)行管理與維護(hù)操作指南》要求,充壩高度即橡膠壩壩頂高程應(yīng)保持高于渭河臨壩水位0.3 m,因此啟用石堤河防倒灌工程時(shí),橡膠壩充壩高度控制在1.2 m～1.9 m 范圍內(nèi),橡膠壩壩頂高程為341.5 m～342.2 m。

（3）預(yù)報(bào)渭河華縣站5000 m3/s 流量時(shí),石堤河防倒灌工程應(yīng)對(duì)方案見表3。

表3 石堤河防倒灌工程壩前實(shí)測(cè)水位與渭河華縣站實(shí)測(cè)洪峰流量水位關(guān)系表

根據(jù)目前現(xiàn)有華縣站和石堤河防倒灌工程水文數(shù)據(jù),2020 年9 月28 日19 時(shí)華縣站水位341.91 m,為該站建站以來(lái)實(shí)測(cè)最高水位,比2003 年8 月渭河華縣站最高洪水位341.88 m 高出0.03 m,該水位對(duì)應(yīng)石堤河防倒灌工程壩后水深2.34 m（水位342.64 m）,按照省江河局《渭河華縣南山支流三處防御渭河洪水倒灌工程運(yùn)行管理與維護(hù)操作指南》要求,充壩高度即橡膠壩壩頂高程應(yīng)保持高于渭河臨壩水位0.3 m,故華縣站預(yù)報(bào)渭河5000 m3/s 時(shí),石堤河防倒灌工程橡膠壩充壩高度為2.7 m,橡膠壩壩頂高程為343.0 m。

3.3 防倒灌啟用后的調(diào)度運(yùn)行方式

石堤河防倒灌工程是防止渭河洪水向支流倒灌,保護(hù)支流堤防安全的一道屏障。防倒灌工程啟用采用充壩和塌壩攔擋渭河不同量級(jí)、不同組合的洪水倒灌,此時(shí)還不能造成支流來(lái)水雍高,需采用泄洪閘開啟和關(guān)閉、橡膠壩溢流調(diào)節(jié)支流水位,減輕支流堤防的防洪壓力,這就需要科學(xué)的調(diào)度、精準(zhǔn)的運(yùn)行方式進(jìn)行操作。

3.3.1防倒灌工程遭遇未達(dá)到啟用量級(jí)洪水或只有南山支流來(lái)水的工況

以渭河2021 年1 號(hào)洪水為例,華縣站洪峰流量2430 m3/s、水位339.23 m,南山支流和渭河洪水水位同時(shí)上漲,渭河干流和南山支流水位關(guān)系：h支＞h干（范圍在0 m～0.3 m 以內(nèi)）,支流來(lái)水,橡膠壩前臨水,渭河干流洪水未臨橡膠壩。運(yùn)行方式：防倒灌工程未啟用,此刻泄洪閘全開泄洪,保證支流水位不高于渭河水位0.3 m,保證南山支流來(lái)水暢泄,水位不雍高,橡膠壩不用塌壩運(yùn)行；只有南山支流來(lái)水,泄洪閘保證全開暢泄,根據(jù)運(yùn)行手冊(cè),雍水超過(guò)0.9 m,可根據(jù)需要降低壩袋使來(lái)水從橡膠壩頂溢流泄洪。

3.3.2防倒灌工程遭遇達(dá)到啟用量級(jí)渭河洪水,南山支流未來(lái)水或來(lái)水流量小的工況

以渭河2021 年3 號(hào)洪水為例,華縣站洪峰流量4560 m3/s、水位340.91 m,渭河洪水位持續(xù)上漲,南山支流來(lái)水流量較小,渭河干流和南山支流水位關(guān)系：h支＜h干,南山支流明顯雍水發(fā)生倒灌。運(yùn)行方式：?jiǎn)⒂梅赖构喙こ?充壩高度和渭河干流水位關(guān)系：h壩＞h干（范圍控制在0.3 m）,關(guān)閉泄洪閘閘門,壩袋高度隨渭河干流水位升高而充壩調(diào)節(jié),始終保持充壩高度高于干流水位0.3 m。

3.3.3防倒灌工程遭遇啟用量級(jí)洪水,南山支流和渭河洪水水位同時(shí)上漲的工況

以渭河2021 年2 號(hào)洪水為例,華縣站洪峰流量4860 m3/s、水位341.91 m,石堤河防倒灌工程壩前水深2.66 m,壩后水深2.34 m,渭河干流和南山支流水位關(guān)系：h支＞h干（范圍超過(guò)0.3 m）。運(yùn)行方式：防倒灌工程啟用,用泄洪閘閘門開啟高度調(diào)節(jié)降低h支；若閘門調(diào)節(jié)未能使h支降至0.3 m 范圍內(nèi),塌壩運(yùn)行操作,壩袋高度和干支流水位高度關(guān)系為：h支＞h壩＞h干（取值范圍為h壩高于h干0.1m）,使支流洪水可正常溢流、渭河洪水不會(huì)倒灌,保證溢流水深高于壩頂不超過(guò)0.3 m,以確保泄洪過(guò)程壩袋運(yùn)行安全。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)2021 年渭河華縣站洪水分析,得到了石堤河防倒灌工程啟用時(shí)充壩高度數(shù)據(jù)信息,得出了渭河華縣站水位與石堤河防倒灌工程壩后水位關(guān)系。通過(guò)石堤河防倒灌工程啟用防御2021 年渭河洪水,檢驗(yàn)了工程在不同工況下運(yùn)行方式,通過(guò)實(shí)踐,對(duì)原工程運(yùn)行方案進(jìn)行了細(xì)化,更科學(xué)的調(diào)度和精準(zhǔn)運(yùn)行,使石堤河防倒灌工程成功防御了渭河2021 年洪水,為以后工程的調(diào)度和運(yùn)行提供了更加詳實(shí)可靠的數(shù)據(jù)支撐。