砂山壩調(diào)節(jié)閘改造工程泄流能力分析

(沈陽翼潤水利工程有限公司，遼寧 沈陽 110161)

渾河起源于長白山滾馬嶺支脈，流經(jīng)撫順、沈陽，在三岔河處與太子河匯合，最終匯入大遼河。全長約415km，其控制流域面積為11481km2。隨著沈陽市經(jīng)濟社會的快速發(fā)展和渾南開發(fā)區(qū)的建設(shè)，渾河作為與城市經(jīng)濟社會緊密結(jié)合的內(nèi)河，逐漸成為了沈陽市城市防洪與景觀生態(tài)環(huán)境的重點。近年來，沈陽市政府逐年加大沈陽城市段渾河的建設(shè)力度，以保證充分發(fā)揮渾河的綜合效益。然而，渾河沈陽城市段在灌溉期存在水資源調(diào)配不足，且與景觀生態(tài)發(fā)生用水沖突的問題。對工程實施改造可有效緩解現(xiàn)有矛盾，因此砂山橡膠壩工程擬采取壩調(diào)節(jié)閘聯(lián)合泄流方案實施工程改造，以解決水量供需矛盾。

1 現(xiàn)狀工程概況

1.1 現(xiàn)狀工程基本情況

砂山橡膠壩工程于1994年修建完成，工程防洪標準為20年一遇，設(shè)計流量為3569m3/s?，F(xiàn)狀砂山橡膠壩為4孔充水式橡膠壩，每孔凈寬為82.0m，孔間設(shè)3座寬0.8m的中墩，全長330.4m，壩高2.5m，其中壩底和壩頂高程分別為34.5m和37.0m。下圖為砂山壩地理位置示意圖。

砂山壩地理位置示意圖

1.2 存在的主要問題

運行監(jiān)測顯示，蓄水期砂山橡膠壩充壩運行時，橡膠壩安全泄流能力為95.7m3/s，而渾河灌溉期最大需水量則為400m3/s，其實際泄流能力遠小于實際蓄水量。此外，作為景觀河流，該工程需要同時滿足汛前景觀蓄水要求，而這與灌溉泄流要求產(chǎn)生沖突。鑒于此，目前該工程采用單孔頻繁起落的方法來調(diào)控流量。計算結(jié)果表明：橡膠壩充氣況態(tài)下，壩頂溢流水深為30cm時，泄流能力僅為95.7m3/s；而當橡膠壩1孔不充氣時，泄流量則達到718.0m3/s。由此可以看出，該工程對流量調(diào)節(jié)的跨度較大，難以同時保證灌溉泄流與景觀蓄水的要求。除此之外，為調(diào)節(jié)流量和水位需求，須頻繁地進行充壩與塌壩操作，這勢必會增加橡膠壩的工作強度，進而降低其使用壽命，最終產(chǎn)生安全隱患。

2 橡膠壩改造工程

2.1 調(diào)節(jié)閘工程

通過多方案比選，砂山壩工程擬采用調(diào)節(jié)閘聯(lián)合橡膠壩方案進行泄流能力調(diào)控改造。擬建調(diào)節(jié)閘工程布置于現(xiàn)狀砂山橡膠壩左岸，占用左岸灘地，接續(xù)橡膠壩左邊墩修建，原橡膠壩過流斷面由328m縮短至308m。調(diào)節(jié)閘建成后可以通過自身的過閘流量補充橡膠壩溢流過壩流量的不足部分，加大砂山壩調(diào)節(jié)能力，使之能夠滿足汛前景觀蓄水與灌溉泄流要求。同時，調(diào)節(jié)閘的建設(shè)使得橡膠壩在汛前灌溉期持續(xù)保持充壩狀態(tài)，避免因為流量不足或過大而頻繁充壩塌壩的操作，減小橡膠壩的使用強度，提高其使用壽命。調(diào)節(jié)閘建成后將參與汛期行洪，增大該控制斷面綜合泄洪能力，提高汛期兩岸的防洪安全。砂山壩調(diào)節(jié)閘的建設(shè)，對于渾河沈陽段城市防洪與聯(lián)合控制運用具有重要意義，砂山壩調(diào)節(jié)閘工程的建設(shè)是非常必要的。

2.2 調(diào)節(jié)閘工程布置

為降低上部結(jié)構(gòu)高度，擬建調(diào)節(jié)閘閘室采用平底寬頂堰胸墻式，閘底板高程33.5m，低于現(xiàn)狀橡膠壩底板1.0m。閘室上游前端設(shè)鋼筋混凝土防滲鋪蓋。鋪蓋長10.0m,厚0.8m，鋪蓋上下游均設(shè)置齒墻。防滲鋪蓋前端設(shè)置12.0m長護底。護底為鋼筋混凝土格框砌石結(jié)構(gòu)，厚0.6m。閘底板頂高程33.5m，順水流方向長12.0m，厚1.2m。底板上下游均設(shè)置齒墻，齒墻深0.8m。閘墩頂高程40.74m，與100年一遇校核洪水位齊平。

水閘共分3孔，單孔凈寬7.0m，總凈寬21.0m。中墩厚1.50m(2座)，邊墩厚1.25m(2座)，閘室總寬26.5m。胸墻底高程36.2m，底角半徑0.7m；胸墻頂高程40.74m，與閘墩頂高程一致，胸墻厚0.5m。工作橋頂高程40.74m，寬5.9m，板梁式結(jié)構(gòu)。上游檢修橋布置于工作橋上游，寬1.45m。下游檢修橋布置于高程36.9m檢修平臺處，寬2.1m。排架柱為工作橋下游側(cè)橋面段支撐平臺，底部與閘墩固接，斷面尺寸0.5m×0.5m。

閘室下游布置消力池，消力池底板與閘室底板用斜坡連接，斜坡段長8.0m，坡比為1∶4，消力池水平段長17.0m，深1.0m，底板厚1.0m。

3 砂山橡膠壩改造工程溢流能力分析

本節(jié)將分別對現(xiàn)狀橡膠壩凈寬328.0m及工程改造后橡膠壩凈寬308.0m充起時最大過流量進行分析。

根據(jù)《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》(SL227—1998)，橡膠壩充起時過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，m；

h0——計入行進流速水頭的堰頂水頭，m；

m——流量系數(shù)，本文取為0.40；

δ——淹沒系數(shù)，本文取1.0；

ε——堰流側(cè)收縮系數(shù)，本文取1.0。

此外，本文采用下列公式計算雙錨固充水橡膠壩的流量系數(shù)m：

(2)

(3)

式中H0——壩袋內(nèi)壓水頭,m；

H——運行時壩袋充脹的實際壩高,m；

H1——設(shè)計壩高,m；

h1——壩上游水深,m；

h2——壩下游水深,m。

將橡膠壩體型參數(shù)及式(2)帶入式(1)求解，得出橡膠壩壩頂溢流時水位流量關(guān)系計算結(jié)果，見表1。

計算結(jié)果表明，隨著壩頂水頭的增加，橡膠壩泄流量逐漸加大，當壩頂水頭達到0.3m時，泄流能力達到最大。此時，現(xiàn)狀橡膠壩(凈寬328.0m)最大過流量為95.68m3/s，而改造后橡膠壩(凈寬308.0m)最大過流量則僅為89.87m3/s，相差5.81m3/s。

根據(jù)工程需要，砂山壩調(diào)節(jié)閘改造工程汛前灌溉期壩址處設(shè)計泄流量為400m3/s，也就是說，調(diào)節(jié)閘設(shè)計過閘流量和橡膠壩壩頂溢流0.3m時，最大過流量總和應(yīng)達到400m3/s。根據(jù)上文計算可知，改造工程后，橡膠壩最大過流量為89.87m3/s，調(diào)節(jié)閘設(shè)計過閘流量應(yīng)達到310.13m3/s才能滿足設(shè)計要求。因此，下文將以此為設(shè)計目標開展調(diào)節(jié)閘泄流能力復(fù)核研究。

此外，為保證橡膠壩充壩時能夠安全運行，應(yīng)嚴格避免壩袋發(fā)生較強振動。一旦壩頂溢流壩袋發(fā)生較強振動，盡快調(diào)整壩高，使壩袋避開共振區(qū)。同時，充水時應(yīng)先充左右岸壩袋，再充中間壩袋；放空坍平壩袋時，所有壩袋應(yīng)同時放空。因冰凍易使運行中的橡膠壩損壞，沈陽市地處寒冷地區(qū)，冬季充壩擋水時，不應(yīng)調(diào)節(jié)壩高，以保證不破壞壩袋而安全運行，在臨水面采取防凍破冰措施。注意對壩袋的保護，避免人為損壞。

4 新建調(diào)節(jié)閘泄流能力復(fù)核

砂山壩調(diào)節(jié)閘泄流能力復(fù)核分為兩部分：?汛前灌溉期泄流能力復(fù)核計算；?汛期發(fā)生設(shè)計及校核洪水條件下，上游水位復(fù)核計算。

4.1 汛前灌溉期泄流能力復(fù)核計算

基本資料：橡膠壩充壩壩頂水頭為0.3m，即閘上水位為37.3m，調(diào)節(jié)閘閘門為全開狀態(tài)；調(diào)節(jié)閘底板高程為33.50m，水深3.8m，閘下水位為36.13m；閘孔為3孔布置，單孔凈寬7.0m，中墩1.5m，總凈寬21.0m。

根據(jù)堰流計算工程進行調(diào)節(jié)閘泄流能力復(fù)核，計算公式為：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中B0——閘室總凈寬,m；

Q——計算過閘流量,m3/s；

m——堰流流量系數(shù)，0.385；

σ——堰流淹沒系數(shù)，hs/H0=0.612≤0.72，本文取1.0；

ε——堰流側(cè)收縮系數(shù)，本文取0.975；

H0——計入行進流速的壩前水頭，本文取37.3+0.49=37.79m。

將基本參數(shù)帶入式(4)計算過閘流量可知，砂山壩閘改造工程實際過閘流量達到311.87m3/s，略大于設(shè)計過閘流量310.13m3/s，由此可知，砂山壩調(diào)節(jié)閘改造工程實施后，砂山壩調(diào)節(jié)閘實際過流能力達到401.74m3/s，滿足汛前灌溉期放流要求400m3/s。

4.2 汛期行洪閘上水位復(fù)核

基本資料：橡膠壩為塌壩狀態(tài)，調(diào)節(jié)閘閘門處于全開狀態(tài)；設(shè)計水位下過閘流量為4174m3/s(P=2%)，校核水位下過閘流量為4939m3/s(P=1%)。橡膠壩塌壩底板高程為34.50m，調(diào)節(jié)閘底板高程為33.50m；設(shè)計水位和校核水位條件下閘下水位分別為40.01m(P=2%)和40.61m(P=1%)。橡膠壩總凈寬308m(現(xiàn)狀328m，規(guī)劃船閘20m)，四孔，中墩寬1.0m；調(diào)節(jié)閘總凈寬21m，三孔，單孔凈寬7.0m，中墩寬1.5m。

由于橡膠壩與調(diào)節(jié)閘同時泄流，因此需進行聯(lián)合泄流調(diào)試計算。此外，橡膠壩泄流時，由于下游水深與堰上水頭之比大于0.9，因此橡膠壩過流量采用高淹沒度的堰流公式進行計算。同時，調(diào)節(jié)閘泄流時按孔流計算過閘流量。

橡膠壩過流量計算為：

(9)

(10)

式中Q——過閘流量,m3/s；

hs——由堰頂算起的下游水深，設(shè)計水位時相對水深為5.51m(P=2%)，校核水位時相對水深為6.11m(P=1%)；

μo——綜合流量系數(shù)，在設(shè)計水位工況中，本文取0.966(P=2%)，在校核水位工況中，本文取0.963m(P=1%)；

Bo——閘孔總凈寬，328-20=308m；

Ho——計入行進水頭的堰上水頭，m。

調(diào)節(jié)閘過流量計算為：

(11)

式中Q——過閘流量,m3/s；

hs——由堰頂算起的下游水深，設(shè)計水位時相對水深為6.51m(P=2%)，校核水位時相對水深為7.11m(P=1%)；

σ′——孔流淹沒系數(shù)，在設(shè)計水位工況中，本文取0.073(P=2%)，在校核水位工況中，本文取0.069m(P=1%)；

μ——孔流流量系數(shù)，在設(shè)計水位工況中，本文取0.698(P=2%)，在校核水位工況中，本文取0.713m(P=1%)；

Bo——閘孔總凈寬，21m；

Ho——計入行進水頭的堰上水頭,m。

橡膠壩與調(diào)節(jié)閘聯(lián)合泄流調(diào)試計算結(jié)果見表2。經(jīng)聯(lián)合泄流調(diào)試計算表明，在設(shè)計標準50年一遇洪水條件下，橡膠壩泄流能力為4135m3/s，調(diào)節(jié)閘泄流能力為39m3/s，堰上水位40.15m，上下游水位差14cm；在設(shè)計標準100年一遇洪水條件下，橡膠壩泄流能力為4896m3/s，調(diào)節(jié)閘泄流能力為43m3/s，堰上水位40.74m，上下游水位差13cm。

根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》(SL225—2016)的規(guī)定，綜合考慮攔河建筑物對防洪的影響及經(jīng)濟性，平原區(qū)水閘過閘水位差，一般應(yīng)為10～30cm。因此，砂山壩調(diào)節(jié)閘改造工程設(shè)計較為合理，既不會為城市防洪帶來較大負擔(dān)，又較為經(jīng)濟。

表2 橡膠壩與調(diào)節(jié)閘聯(lián)合泄流調(diào)試計算成果

4.3 調(diào)節(jié)閘運行方式

為保證砂山壩調(diào)節(jié)閘工程泄流能力，調(diào)節(jié)閘正常的運行方式為閘前水位低于37.0m時關(guān)閘蓄水，閘前水位高于37.3m時開閘泄水。水閘的控制運用作用是通過有目的地啟閉閘門，從而控制下泄流量，調(diào)節(jié)水位。閘門具體運用方式由水閘管理人員在工程建成運行后，根據(jù)實測數(shù)據(jù)資料進行修訂。

調(diào)節(jié)閘調(diào)度運行原則為：?正常運用時，當閘前水位高于37.3m時開閘泄水；閘前水位低于37.0m時關(guān)閘蓄水。?汛期前，應(yīng)開閘泄水，或根據(jù)當?shù)亟涤觐A(yù)報及渾河流域整體防洪規(guī)劃制定運用方式及運行水位。?汛期應(yīng)充分利用泄水在閘下低水位時排淤沖沙。

5 結(jié) 論

渾河灌溉期最大需水量為400m3/s，而砂山橡膠壩充壩運行時安全泄流能力僅為95.7m3/s，泄流能力遠小于渾河灌溉期最大需水量，需要采用頻繁起落的方法來調(diào)控流量。此外，原砂山橡膠壩工程存在汛前景觀蓄水與灌溉泄流需求矛盾，須對砂山壩工程方案進行優(yōu)化。經(jīng)過方案比選，擬采用橡膠壩聯(lián)合調(diào)節(jié)閘工程實現(xiàn)泄流能力調(diào)控。

以此為基礎(chǔ)，本文對砂山壩調(diào)節(jié)閘改造工程泄流能力進行了分析研究，通過計算發(fā)現(xiàn)：工程改造后橡膠壩最大過流量為89.87m3/s，相比工程改造前降低了5.81m3/s，這是由于工程改造后其過流斷面由328m縮短到308m所致。結(jié)合最大過流量需求對新建調(diào)節(jié)閘泄流能力及汛期行洪閘上水位進行復(fù)核研究，結(jié)果表明：砂山壩調(diào)節(jié)閘改造工程實施后，過閘流量為311.87m3/s，總過流能力達到401.74m3/s，滿足下游灌溉需水400m3/s的要求和過閘水位差的規(guī)定，與原方案相比，無須頻繁起落橡膠壩以實現(xiàn)流量調(diào)控，可有效解決景觀蓄水與灌溉泄流之間的矛盾。綜上所述，砂山壩調(diào)節(jié)閘改造工程設(shè)計較為合理，可為其他工程提供借鑒。