石堤河防倒灌工程橡膠壩實踐運行分析

譚 強

（陜西省三門峽庫區(qū)華縣河務(wù)局，陜西 渭南 714100）

1 工程概述

陜西的地理環(huán)境和水系分布使陜西的防汛重點主要集中在“一江兩河一庫區(qū)”，這里指的庫區(qū)即渭河下游陜西三門峽庫區(qū)，庫區(qū)的防汛重點主要集中在“二華”（華陰市和華縣），“二華”的防汛重點在華縣防護區(qū)，該防護區(qū)位于渭河下游華縣境內(nèi)335 m高程（大沽）以上，即陜西渭河流域防洪的重點地區(qū)，該地區(qū)位于三門峽庫區(qū)二華夾槽西部，地勢南高北仰、中間夾槽部位低洼。華縣境內(nèi)5條南山支流由南向北穿境而過匯入渭河，依次為赤水河、遇仙河、石堤河、羅紋河、方山河，防護區(qū)老西潼公路以北南山支流至入渭口段全由支流堤防工程約束，南山支流堤防把華縣防護區(qū)分割成為四個封閉的獨立區(qū)域，支流堤防成為華縣防護區(qū)最后的防洪屏障。

受渭河歷年洪水倒灌淤積影響，南山支流老西潼公路以北河段河床不斷淤高，支流下游段比降變緩，河道也發(fā)展成為地上“懸河”，支流堤防最大臨背差超過3.5 m，單靠支流堤防防御洪水，防洪風險很大。渭河“03.8”洪水就是因為渭河洪水倒灌南山支流，支流堤防無法經(jīng)受高水位持續(xù)運行，多處支流堤防出險，造成尤孟堤、南山支流石堤河、羅紋河、方山河堤防8處決口，渭河洪水直接倒灌，淹沒涉及華縣、華陰2縣、15鄉(xiāng)鎮(zhèn)、66個自然村的30萬人口，事后統(tǒng)計直接經(jīng)濟損失23.2億元。

當渭河發(fā)生洪水時，渭河洪水向南山支流倒灌，造成南山支流堤防防御洪水風險增加，易造成決口等重大險情，直接威脅當?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展和群眾安居樂業(yè)。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，該工程為全國首例以橡膠壩作為堤壩攔擋河口洪水的水利工程。

2 工程設(shè)計思路及系統(tǒng)組成

2.1 設(shè)計思路

①石堤河堤防自身為砂質(zhì)土堤，臨背差大，河床多有透水砂層，啟用石堤河入渭口防倒灌工程攔擋渭河洪水向支流倒灌，同時攔擋石堤河上游來水下泄，河槽水位升高，會迅速形成蓄水庫容并向石堤河上游產(chǎn)生回水長度，石堤河堤防防洪壓力增加，臨水狀態(tài)的堤防易發(fā)生滑坡、滲水、管涌、裂縫等，甚至會因自身來水發(fā)生支堤決口等，應(yīng)在防倒灌工程啟用時，做好支流堤防巡堤查險工作。②石堤河防倒灌工程作為渭河下游防洪體系預(yù)防洪水的應(yīng)急輔助工程，一旦石堤河堤防決口，工程可以迅速啟用，攔擋渭河洪水倒灌減少災(zāi)情擴大化，這也是石堤河防倒灌工程建設(shè)的初衷。③工程啟用擋水后，假設(shè)石堤河上游來水造成支流堤防決口，因支流來水自身水量有限，災(zāi)情損失也有限；若石堤河支流堤防決口，工程可攔擋渭河洪水向支流堤防決口倒灌。④橡膠壩充水時可當做攔水壩，防止渭河水倒灌。放水時又可將石堤河水排入渭河，具有根據(jù)需要人工可操控的特點。通過對工程的建設(shè)目標進行對比，該工程攔擋渭河洪水倒灌作用利大于弊。

2.2 系統(tǒng)組成

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年一遇洪水標準設(shè)計，下游消能防沖設(shè)施按南山支流20年一遇洪水標準設(shè)計。工程由橡膠壩袋、泄洪閘、壩肩平臺、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、機電設(shè)備、水工建筑物。

2.2.1 橡膠壩袋

石堤河防倒灌工程橡膠壩袋是立壩時攔擋渭河洪水進入石堤河支流的核心部件，為充水枕式結(jié)構(gòu)，多層橡膠結(jié)構(gòu)，厚度約12.5 mm，橡膠壩共一跨，壩袋凈寬74 m，設(shè)計最大壩高為4.5 m，壩袋充滿需水量2543 m3。

按照設(shè)計制定的橡膠壩袋運行方案：非汛期壩袋充水高度保持在1.5 m左右，泄洪閘門全部打開，用于下泄支流石堤河來水；汛期南山支流和渭河均未發(fā)生洪水時，橡膠壩袋充水高度保持在1.5 m，泄洪閘門全部打開，用于下泄支流石堤河來水。

2.2.2 泄洪閘

石堤河防倒灌工程泄洪閘是調(diào)節(jié)支流洪水的重要建筑物。泄洪閘布置在橡膠壩的左側(cè)，為1孔閘，閘門孔口尺寸為B×H=6.0 m×4.0 m，閘門為平板螺桿鋼閘門，設(shè)計為雙向擋水，閘室設(shè)有啟閉機，以電機啟閉為主，在電機故障無法運行時，可手動搖把啟閉。因石堤河常年未斷流，該防倒灌工程日常運行方式以空庫運行為主，支流無蓄水任務(wù)，泄洪閘門處于常開狀態(tài)，開啟高度H=3.0 m。

2.2.3 充排水系統(tǒng)

充排水系統(tǒng)是防倒灌工程的供給保障系統(tǒng)，控制著橡膠壩的充、塌壩。該系統(tǒng)由水源井、蓄水池、供水管道、2臺蝸殼泵、8個調(diào)節(jié)充塌壩的蝶閥、一套電力自動化控制系統(tǒng)。石堤河防倒灌工程橡膠壩設(shè)計充壩時間為4小時，充排水系統(tǒng)采用“單雙泵結(jié)合、互為備用”的運行方式。充排水安全設(shè)施包括：壩袋超壓溢流設(shè)施、排氣設(shè)施；安全監(jiān)測設(shè)施包括：壩內(nèi)水壓觀測、上下游水位觀測等設(shè)備。

3 工程運行管理技術(shù)分析

3.1 運行原則和狀態(tài)

石堤河防倒灌工程的運行原則是：攔擋渭河干流設(shè)防標準范圍內(nèi)的洪水向支流倒灌，設(shè)防流量標準為：3000 m3/s＜工程運行流量范圍＜50年一遇洪水，即渭河干流洪水小于平灘流量（對應(yīng)華縣站預(yù)報流量小于3000 m3/s）時，橡膠壩不運行；當渭河干流發(fā)生超過50年一遇洪水時，為保護工程，橡膠壩袋塌壩運行。

當渭河發(fā)生在防倒灌工程運行設(shè)防范圍洪水時，工程運行狀態(tài)為：橡膠壩袋充水立壩，泄洪閘關(guān)閉，壩袋充壩高度根據(jù)渭河洪水和南山支流來水情況調(diào)節(jié)，始終保持橡膠壩項高程高出渭河倒灌水位0.30 m左右。

3.2 日常運行分析

橡膠壩袋為單跨壩體，設(shè)計壩體高度H=4.5 m，日常運行充水高度控制在1.50 m左右，橡膠壩袋體為環(huán)形搭接，每檔搭接跨度約2.0 m，壩體兩端有圓弧形裹頭，由于日常運行充水高度未達到設(shè)計高度，壩體兩端裹頭未充水部分向壩體縱向塌落，裹頭塌落部位橡膠體形成褶皺，褶皺處由于自然工況加快了橡膠老化，裹頭壩體上形成了細小裂紋，而且在不斷增加，充壩高度增加后，壩體內(nèi)部壓力加大（壩體高度3.0 m時，壩袋實測壓力為40.0 kPa），一旦壩體從裂紋處破裂，強大的內(nèi)壓使充壩的水外泄，壩體內(nèi)部失壓，這就造成壩袋運行攔擋洪水失敗。2018年7月，石堤河擋水閘攔擋渭河洪水時就因左側(cè)裹頭壩袋撕裂，造成擋水失敗，事后調(diào)查，撕裂部位為壩體裹頭部位，該處搭接縫橡膠層有老化跡象，造成壩袋撕裂直接原因為搭接老化處裂紋受壓，搭接處脫膠，造成開裂。后經(jīng)對華縣境內(nèi)三處入渭口防倒灌工程橡膠壩袋排查，均存在壩體搭接處裂紋老化問題，以壩體兩端裹頭部位較為嚴重。

3.3 蓄水分析

石堤河防倒灌工程2012年建成，2014年移交管理單位運行，為測試工程運行工況，經(jīng)上級主管部門和當?shù)胤姥粗笓]部同意，啟用石堤河擋水閘工程，橡膠壩袋充壩運行高度1.50 m，關(guān)閉泄洪閘，攔蓄石堤河上游來水，形成人工蓄水庫容。

工程攔蓄石堤河支流來水后，水位上升向上游延伸形成水面，產(chǎn)生回水長度，模擬渭河洪水向支流倒灌長度，模擬工程啟用攔擋渭河洪水支流蓄水情況分析。經(jīng)實測，當支流來水水位高程為橡膠壩袋底板高程340.3 m時，蓄水量13.6萬m3（達到?。ǘ┬退畮鞓藴剩?，回水長度3.8 km，支流下游堤防臨堤水深0.3 m；當支流蓄水水位高程為341.8 m時，橡膠壩充壩高度1.50 m，壩袋頂過水溢流，蓄水量49萬m3（達到?。ǘ┬退畮鞓藴剩?，回水長度5.0 km，支流下游堤防臨堤水深1.80 m；因考慮到石堤河支流堤防承受能力，出于安全考慮，未在測試高水位運行。后通過理論測算，當石堤河來水水位高程為橡膠壩袋設(shè)計頂高程344.80 m時，蓄水量177.9萬m3（達到?。ㄒ唬┬退畮鞓藴剩?，回水長度5.5 km，支流下游堤防臨堤水深4.8 m。

4 橡膠壩擋水過程存在問題分析

4.1 沒有成熟運行管理經(jīng)驗

橡膠壩在世界范圍多做為景觀工程或民用工程，以抬高上游河道水位形成水面或景觀溢流，多為單面擋水。石堤河防倒灌工程橡膠壩為雙面上下游擋水，攔擋渭河洪水倒灌和石堤河支流洪水下泄調(diào)節(jié)，在入渭口防洪倒灌起到關(guān)鍵作用，國內(nèi)屬于首創(chuàng)，壩袋的運行無臨水實戰(zhàn)經(jīng)驗，還需不斷探索，掌握壩袋運行過程性能和各種運行數(shù)據(jù)。

4.2 橡膠壩在入渭口擋水隱患較多

壩袋日常運行工況較差，常年處于不臨水狀態(tài)，自然環(huán)境加速老化；日常壩袋運行高度造成兩端裹頭不能充脹，形成塌落褶皺，褶皺處老化出現(xiàn)裂紋；汛期石堤河暴雨型洪水流速大、攜帶雜物較多，其中的尖銳物對橡膠壩袋沖擊，易劃傷橡膠面和纖維織物，給壩袋留下嚴重隱患。

4.3 擋水過程壩袋除險無應(yīng)急措施

一旦防倒灌工程啟用攔擋渭河洪水倒灌，若壩袋出現(xiàn)漏水險情，因內(nèi)部壓力大，橡膠壩袋為環(huán)形搭接，搭接縫會因內(nèi)壓迅速脫膠，因橡膠粘接要求嚴格，這種情況無從搶修，會直接造成攔擋渭河洪水失敗，故把橡膠壩作為攔擋渭河洪水向支流倒灌的最后屏障是是存在很大風險的。

5 結(jié)語

1）石堤河防倒灌工程是渭河下游防洪體系中的應(yīng)急輔助性工程，工程建設(shè)目的為攔擋渭河洪水向石堤河倒灌，工程核心部位為橡膠壩袋。

2）橡膠壩袋因其橡膠自身老化、怕尖銳物、粘接過程環(huán)境要求高等特點，壩袋出險后無較好應(yīng)急搶險補救措施，壩袋攔擋渭河干流洪水是有風險的，不是萬無一失的。

3）加強石堤河防倒灌工程日常巡查、工程檢查，假設(shè)不同工況，對壩袋進行充塌壩演練，尋找缺陷；加強日常壩袋養(yǎng)護工作，研究壩袋在常年不臨水工況下運行探索，減少壩袋老化速度；減少日常過程人為對壩袋的損壞，保持壩袋兩側(cè)翼墻、底板清潔，避免充塌壩過程尖銳物對壩袋的刺傷破壞。

4）建議針對渭河發(fā)生較大洪水，石堤河防倒灌工程啟用擋水后，應(yīng)立即開展石堤河堤防巡堤查險工作，并做好石堤河支流搶險應(yīng)急物料儲備，確保防洪萬無一失。