橡膠壩在孔兌引洪滯沙工程中的應(yīng)用

□王普慶□王暉

（1黃河水利科學(xué)研究院；華北水利水電大學(xué)）

橡膠壩在孔兌引洪滯沙工程中的應(yīng)用

□王普慶1□王暉2

（1黃河水利科學(xué)研究院；華北水利水電大學(xué)）

十大孔兌上游為丘陵嚴(yán)重的水土流失、下游為黃河干流，中部經(jīng)過沙漠區(qū)，孔兌洪水泥沙在下游平原區(qū)河段時(shí)常淤積，并對入?yún)R的黃河干流形成淤堵，災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重影響沿岸地區(qū)正常的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，為解決孔兌下游河道淤積和對黃河河道產(chǎn)生的淤堵影響，在多條孔兌上先后實(shí)施了引洪放淤等措施。受工程不配套、建筑物老化破損、泥沙淤積嚴(yán)重等多種因素影響，現(xiàn)有的滯洪工程無法正常運(yùn)行，難以發(fā)揮應(yīng)有的工程效益。文章在對橡膠壩工程壅水特性計(jì)算和導(dǎo)流作用分析基礎(chǔ)上，結(jié)合河道地形條件和水沙特點(diǎn)，針對工程的適用性條件、經(jīng)濟(jì)、防洪安全、管理運(yùn)用等方面開展了初步的應(yīng)用探討，為解決孔兌洪水災(zāi)害提供技術(shù)參考和理論依據(jù)。

橡膠壩孔兌；引洪滯沙；壅水；導(dǎo)流

1 孔兌流域及洪水泥沙特點(diǎn)

十大孔兌位于黃河三湖河口至頭道拐河段南岸，源于水土流失嚴(yán)重的砒砂巖區(qū)，上段為丘陵，中段穿越布齊沙漠，經(jīng)過下游平原區(qū)入?yún)R干流黃河?？變叮ㄗⅲ好烧Z，河流）地形地勢南高北低，上游丘陵溝壑區(qū)面積為5 172 km2，占總面積的48%，季風(fēng)期間，大量來自沙漠的泥沙堆積至河床兩岸，受風(fēng)力和水力的雙重作用，隨洪水輸送至下游；下游為黃河沖積平原，河道比降突然變緩（1/800～1/1 000），約占流域總總面積的26%。

鑒于十大孔兌洪水泥沙問題突出，為解決孔兌下游河道淤積和對黃河河道產(chǎn)生的淤堵影響，在流域內(nèi)修建淤地壩近300座，引洪滯沙工程10處（見圖1）。

圖1 十大孔兌引洪滯沙工程分布圖

2 引洪滯沙工程概況及存在問題

2.1 引洪滯沙工程概況

十大孔兌引洪用洪歷史悠久，最早可追溯到清代中葉。建國后，為開發(fā)利用孔兌水沙資源，根治孔兌洪水泥沙災(zāi)害，當(dāng)?shù)卣岩橛俟嘧鳛榭變毒C合治理開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，開挖引洪渠道，把洪水引入庫布齊沙漠，淤灌土地，改造風(fēng)沙，成效顯著。20世紀(jì)50年代以后，在多條孔兌上先后實(shí)施了引洪放淤，如：哈什拉川的九大渠工程、木哈溝的公鳥素和八一勝利渠工程等。從運(yùn)行情況看，既可減少大量的入黃泥沙，又可在一定程度上治理沙漠，達(dá)到一舉多得的效果。孔兌中下游地勢相對平坦、幅員遼闊、經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展相對落后，毛不拉孔兌、西柳溝、罕臺川等孔兌均具備較好放淤條件。

2.2 存在的問題

十大孔兌中游現(xiàn)有的分洪引洪工程，多為20世紀(jì)六、七十年代修建。多年來，由于對十大孔兌水沙規(guī)律認(rèn)識不足，引洪口和引洪渠淤積嚴(yán)重，或由于受投資限制，工程設(shè)計(jì)布局不完善，以及超標(biāo)準(zhǔn)洪水破壞，十大孔兌引洪工程年久失修損毀嚴(yán)重等原因，目前保存下來的僅有5處，分別是恩格貝（阿什泉林召）引洪工程、“九大”渠引洪滯沙工程等，共計(jì)設(shè)計(jì)引洪流量3 508 m3/s，但由于工程不配套、建筑物老化破損、泥沙淤積嚴(yán)重、管理問題等問題，基本都不能正常運(yùn)行，無法產(chǎn)生應(yīng)有的工程效益。

3 橡膠壩工程特性計(jì)算分析

3.1 壅水計(jì)算

橡膠壩的布置形式主要有跨河式攔河壩、部分跨河的控導(dǎo)丁壩等形式。河修建橡膠壩以后，由于河道水流受橡膠壩壅阻，使上游比降減緩、流速降低、水位壅高。

為說明橡膠壩的壅水影響情況，筆者應(yīng)用西柳溝水文觀測斷面（見圖2）為例，應(yīng)用水流連續(xù)方程（1）和曼寧阻力公式（2），計(jì)算不同工況下的橡膠壩的壅水情況，計(jì)算過流能力采用的公式為：

式中，V為平均流速m/s；n為糙率；H為平均水深m；J為水面比降；B為河道寬度，m。

圖2 西柳溝（2010年）實(shí)測斷面圖

按照不同的壩高及長度計(jì)算的壅水結(jié)果如圖3所示。計(jì)算結(jié)果顯示，壩高相同條件下，壩長（河寬倍數(shù)）越長壅水越高，同一壩長條件下，壩高越高壅水越高。

3.2 導(dǎo)流作用分析

關(guān)于橡膠壩的導(dǎo)流作用在國內(nèi)有大量的實(shí)踐應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)成果。在橋鞏水電站二期上游過水土石圍堰工程中，采用橡膠壩技術(shù)可升壩擋水、坍壩行洪，消除了施工期淹沒賠償?shù)膯栴}，橡膠壩的導(dǎo)流效果，增大了汛期的發(fā)電水位。

當(dāng)橡膠壩為丁壩的布置形式時(shí)，一定程度上改變了工程河段的的水流特性，除了壅抬水位，還具有明顯的導(dǎo)流作用。工程附近流場變化主要表現(xiàn)為橫向和垂向流速增大，水流出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)，流速分布在橫斷面上趨于非均勻和非對稱，無壩一側(cè)流速大幅提高，導(dǎo)流效果明顯。

從實(shí)驗(yàn)室模擬結(jié)果來看，丁壩斷面主流收縮，水流偏向?qū)Π?；水流繞過壩頭后，形成主流最窄的收縮斷面和壩后回流，有效增大壩頭單寬流量。綜上述，無論在生產(chǎn)實(shí)踐方面，還是科學(xué)試驗(yàn)方面，都說明橡膠壩在攔蓄洪水、控導(dǎo)水流等方面具有顯著作用。

圖3 不同的壩高及長度計(jì)算的壅水結(jié)果圖

4 橡膠壩工程應(yīng)用可行性分析

4.1 穩(wěn)定口門的引水能力

基于目前引黃滯沙工程中存在的引水口門泥沙淤積問題，對于孔兌中下游沙漠平原區(qū)來說，河道比降相對平緩，過流斷面相對寬淺，具備修建橡膠壩工程的地質(zhì)地形條件。

4.2 滿足現(xiàn)狀工程迫切需要

橡膠壩工程應(yīng)用技術(shù)成熟，在河道整治及環(huán)境美化等工程均有成套應(yīng)用的成功技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，據(jù)估算，一座橡膠壩的工程費(fèi)用約相當(dāng)于混凝土工程的1/5。內(nèi)蒙河段十大孔兌平原區(qū)，洪水時(shí)常泛濫和主河槽持續(xù)淤積抬升，兩岸大部地區(qū)低于十大孔兌河床和黃河河床，加之沙漠區(qū)潛水出流，土地鹽堿化、沼澤化嚴(yán)重，對土地生產(chǎn)能力造成非常不利的影響。

4.3 具備安全可靠的工作環(huán)境

依據(jù)文獻(xiàn)，一般情況下孔兌洪水含沙量多在300～800 kg/m3之間，部分年份可達(dá)1 000 kg/m3以上（例1989年西柳溝最大含沙量1 550 kg/m3，對應(yīng)流量3 620 m3/s）孔兌中游平原河段泥沙來源組成偏細(xì)，中值粒徑一般在0.03～0.05 mm之間，而河床質(zhì)組成中值粒徑基本≤1 mm。

4.4 調(diào)控簡便，減少壩前淤積

建立分洪工程或攔河壩，洪水泥沙通過進(jìn)水口進(jìn)入引洪滯沙區(qū)，將在壩前產(chǎn)生大量的泥沙淤積，壩前庫容逐漸減少，造成取水功能的減弱，甚至消失；而橡膠壩壩高調(diào)節(jié)自如，可升可降，既可充壩擋水，又可坍壩過流。便于降低水位沖刷，泄空排出淤積泥沙，有利于快速恢復(fù)攔河壩的拉沙庫容，使工程效益得以長期的發(fā)揮和利用。

4.5 壩型選擇

孔兌中下游河道地形復(fù)雜，洪水泥沙量差異較大，放淤區(qū)規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)并無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，可結(jié)合具體的河道地形條件和淤區(qū)引洪量要求，確定橡膠壩的布置形式、規(guī)格尺寸，以期達(dá)到工程項(xiàng)目的科學(xué)、合理、高效的目的。

5 結(jié)語

橡膠壩分洪滯沙是項(xiàng)綜合性的治理工程，涉及到經(jīng)濟(jì)、防洪安全、管理運(yùn)用等方面情況，設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)，需根據(jù)滯洪區(qū)內(nèi)地形地貌條件和洪水泥沙情況，經(jīng)過充分綜合論證對比分析，確保工程設(shè)計(jì)的科學(xué)、安全、經(jīng)濟(jì)、合理。由于該工程技術(shù)措施在本地區(qū)缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，項(xiàng)目具體應(yīng)用實(shí)施時(shí)，尚需進(jìn)一步開展廣泛深入的可行性研究論證。

［1］張建等.內(nèi)蒙古十大孔兌水沙特性及治理措施研究［J］.人民黃河，2013（10）：72-75.

［2］黃河水利科學(xué)研究院.12.5科技支撐項(xiàng)目.黃河內(nèi)蒙古段孔兌高濃度挾沙洪水調(diào)控技術(shù)研究［R］.鄭州：黃河水利科學(xué)研究院，2016.

［3］賈玉愛.橡膠壩的特點(diǎn)及其在汾河太原城區(qū)段治理美化工程中的應(yīng)用［J］.山西水利科技，2009（3）：12-14.

編輯:劉青

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1673-8853（2017）03-0091-02

王普慶（1964.10-）男，教授級高工，主要從事河流泥沙研究工作。