銀州區柴河行洪兼灌溉橡膠壩高程設計分析

邵 泉，王 杰，韓 成

(1.鐵嶺市銀州區農業農村局，遼寧 鐵嶺 112000；2.鐵嶺縣現代農業發展服務中心，遼寧 鐵嶺 112000；3.遼寧省水利事務服務中心，遼寧 沈陽 110000)

1 基本情況

銀州區柴河橡膠壩位于銀州區北部柴河干流上，距離鐵嶺市京哈高速柴河大橋下游約100m，不僅承擔著城市防洪任務，滿足平頂灌區的引水需要，還具有形成生態水面、改善自然景觀等作用。橡膠壩分3跨，設2座中墩，寬0.6m，壩體總長163.20m，壩頂高程63m，橡膠壩底板高程60.50m，底板順水流寬8.2m，底板下前后各設一道齒墻，壩體前為鋼筋混凝土鋪蓋，下游設有混凝土結構消力池，長18.5m；消力池下游設海漫，總長14m。

2 行洪設計

2.1 行洪流量設計

橡膠壩選址位于柴河入遼河口上游1.1km處，入遼河口處洪水由柴河水庫以上洪水與柴河水庫至入遼河口區間的洪水組成。選擇典型年法和同頻率組成法進行設計洪水地區組成分析。典型年選擇1953年，柴河水庫1953年典型洪水過程，由太平寨實測洪水過程，考慮洪水傳播時間，按面積比法推求。柴河入遼河口處1953年典型洪水過程，由柴河水庫洪水過程，考慮洪水傳播時間，按面積比法推求。柴河水庫至入遼河口處區間的洪水過程，由入遼河口處洪水過程減去柴河水庫演進至入遼河口的洪水過程求得[1- 3]。

2.1.1典型年法設計洪水地區組成成果

將柴河入遼河口處各頻率設計洪量按1953年典型分配比例分配給柴河水庫和柴河水庫至柴河入遼河口處區間，即可求出各地點對應洪量。各地點不同頻率洪峰，由柴河水庫按洪量放大的洪水過程線演進至柴河入遼河口處，并與區間按洪量推求。設計洪水組成成果見表1。

表1 典型年法(1953年)設計洪水成果表

2.1.2同頻率組成法設計洪水地區組成成果

柴河橡膠壩上游柴河水庫控制面積占柴河流域面積近90%，為簡化計算，柴河水庫以上和柴河水庫以下至柴河入遼河口區間，采用同頻率組成法，不按水庫設計、區間相應和水庫相應、區間設計兩種組合方式考慮，僅按同設計組合考慮，即水庫設計、區間設計，設計洪水成果見表2。

表2 同頻率組成法設計洪水成果表

2.1.3橡膠壩泄洪流量設計

柴河入遼河口處組合設計洪水，由水庫調洪后的放流演進至柴河入遼河口與區間洪水組合構成。在前述兩種方法中，柴河水庫洪水按上述調度運用方式調洪，其出庫流量經演進與下游區間對應洪水過程組合，即為柴河入遼河口處組合設計洪水，其最大組合流量見表3。同頻率組成法計算的組合設計流量比典型年法的大，出于偏安全考慮，選擇同頻率組成法計算的組合設計流量[4- 5]。

表3 2種方式組合流量設計成果 單位：m3/s

柴河水庫壩下至柴河入遼河口之間各地點組合設計流量，以柴河入遼河口最大組合設計流量和柴河水庫最大出流為上下限，按水庫壩下至某地點間集水面積與入遼河口集水面積的比值，直線內插求得。平頂灌區橡膠壩位于樁號9+060，洪水設計標準采用20年一遇設計，50年一遇校核。20年一遇標準洪水組合設計流量為550m3/s，50年一遇標準洪水組合設計流量為700m3/s。各地點組合設計流量見表4。

表4 同頻率組成法各處組合流量設計值 單位：m3/s

2.2 橡膠壩高程設計

橡膠壩運行工況參照現行的工程管理辦法，每年的灌溉季節，橡膠壩為保證下游灌區的灌溉水量，需要中孔塌壩運行;正常蓄水時，為避免壩袋頻繁起落，設計允許壩頂在一定水深范圍內溢流，溢流水深控制在壩袋共振區內運行。柴河橡膠壩的壩頂溢流水深最大控制在0.3m，當溢流水深超此限，須坍壩泄洪。壩頂及坍壩過程中溢流按實用堰計算過流能力；坍壩后，按寬頂堰計算過流能力。根據SL 227—98《橡膠壩技術規范》，不同壩高時的泄流量按下列公式計算:

(1)

式中，Q—過壩流量，m3/s；B—溢流斷面的平均寬度，取162m；h0—計入行進流速水頭的堰頂水頭，取0.3m；m—流量系數，壩袋沖脹流量系數為0.45，壩袋完全坍平的流量系數為0.36；δ—淹沒系數，自由出流為1；ε—堰流側收縮系數，取0.999。

經計算，橡膠壩充脹運行時要求橡膠壩壩頂最大水深為0.3m，泄流能力為52.98m3/s;灌溉期，橡膠壩過流量為150m3/s時，橡膠壩坍平中孔泄流，泄流段上游水位按照寬頂堰進行計算，為61.10m;當柴河達到設計洪水，橡膠壩坍平泄流，橡膠壩過流量為550m3/s時，按照寬頂堰進行計算，壩上游水位為62.13m；當柴河達到校核洪水，橡膠壩坍平泄流，橡膠壩過流量為700m3/s時，按照寬頂堰進行計算，壩上游水位為62.43m。所以壩頂高程設計為63.00m。

3 灌溉高程校核

3.1 灌區灌溉定額計算

平頂灌區是以水田為主的灌區，灌溉方式為淺濕灌溉，灌溉保證率采用75%。對于萬畝以上灌區應采用時歷法確定歷年各種主要作物的灌溉制度，根據灌溉定額的頻率分析選出2～3個符合設計保證率的年份，以其中灌水分配過程最不利的年份作為典型年，以該典型年的灌溉制度作為設計灌溉制度[6- 9]。這種方法全面考慮了影響水稻灌溉定額的因素，但計算工作量相當大。遼寧省水利水電勘測設計研究院對遼寧省10個灌區的23個代表站進行了長系列操作演算，提出23個站的水稻歷年灌溉制度設計成果，總結出一套簡算法——遼寧省水稻灌溉制度設計的簡算法。銀州區平頂灌區灌溉制度的確定即采用此方法。水稻灌溉定額包括育苗用水、泡田期用水和生育期用水。

3.1.1育苗、泡田用水

根據試驗資料及本地的實際情況，參考《遼寧省各種作物灌溉制度分析》，平頂灌區育苗水量為15m3/畝，育苗時間為4月中下旬；泡田水量為130m3/畝，泡田時間為5月10—25日，共16d。

3.1.2生育期用水

平頂灌區屬遼河中游河谷平原，采用鐵嶺站成果，生育期起止時間為5月26日—9月24日，共122d。水稻生育期用水包括葉面蒸騰、棵間蒸發、田間滲漏量。計算方法采用“遼寧省水稻灌溉制度設計的簡算法”。根據開原灌區歷年(1960—1999年)水稻生育期降雨量，查鐵嶺站生育期降雨-生育期有效降雨-生育期灌溉定額關系曲線，得出開原站歷年生育期灌溉定額，由歷年生育期灌溉定額進行頻率計算，選出灌溉保證率為75%的典型年為1979年、1996年、1962年三年。經分析，以最不利的年份1996年作為典型年，以該年的灌溉制度作為設計灌溉制度，推求出生育期灌溉定額為707m3/畝。將上述育苗用水、泡田用水、生育期用水相加，得到保證率為75%的水稻凈灌溉定額為852m3/畝。

3.2 灌區流量設計

灌區土壤為沙土，干支渠均實行續灌，支渠以下斗、農渠實行輪灌，以典型二支渠為例，同時灌水的斗渠有3條，分兩組輪灌，每條斗渠同時供水給4條農渠。算出二支渠渠系水利用系數，將其作為擴大指標，確定其他支渠的渠系水利用系數。經計算，灌區設計流量為1.55m3/s，加大后流量為2m3/s，按照現有灌區分水閘底板高程，水位按照63.00m高程，采用堰流有關公式計算，引水閘進水流量為2.5m3/s，大于灌區所需流量，高程滿足要求。干渠流量設計見表5。

表5 灌區干渠設計流量推求表

4 結語

橡膠壩是一種技術較為成熟的攔蓄水建筑物，與傳統土壩、混凝土壩相比，具有建設快、成本低、美觀等特點，在調節水頭較低、跨度較大的河道上廣泛應用。在壩體設計過程中，因橡膠壩的功能不同，壩頂高程設計方法也不盡相同，文章所述內容雖是行洪兼灌溉橡膠壩高程設計的方法，但對只有行洪或只有灌溉單一功能橡膠壩高程設計同樣具有借鑒意義。文章不足之處是未對橡膠壩的實際水位、流量運行情況進行介紹，只是定性說明與設計方案較為吻合，不能定量分析實際運行情況與設計方案差異程度，希望在這方面能夠與其他學者進行交流、研討。