橡膠壩在河道生態(tài)治理中的設(shè)計(jì)探析

韋天鵬

(貴州新中水工程有限公司，貴州 貴陽 276000)

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展及社會(huì)發(fā)展水平的不斷提升，國(guó)家在各項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施上的投資不斷加大。水生態(tài)文明城市與海綿城市的建設(shè)在全國(guó)各城市不斷鋪開，各種新型的壩體及筑壩材料在河道整治及河道綜合治理工程中得到廣泛應(yīng)用[1-2]。本文根據(jù)濱河河道的功用、水文及地質(zhì)地貌條件等基礎(chǔ)資料，對(duì)比不同型式的水工建筑物的優(yōu)劣特性，分析確定了橡膠壩的實(shí)際應(yīng)用，并根據(jù)具體工程要求對(duì)橡膠壩進(jìn)行了設(shè)計(jì)探析。

1 河道治理中壩型的選擇

對(duì)于該生態(tài)河道則綜合治理，合理壩型的選擇對(duì)于生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益等多方面具有良好的促進(jìn)作用。該河道綜合治理中壩型的選擇，選定的為橡膠壩，與傳統(tǒng)水壩及節(jié)制閘對(duì)比，橡膠壩構(gòu)造簡(jiǎn)單，能有有效的減少傳統(tǒng)閘壩鋼材、木材、石材的使用，能夠有效地節(jié)省建造成本[4-6]。其具有建設(shè)周期短、施工簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，在河道景觀方面，其具備一定的美觀作用，同時(shí)在日常維護(hù)及管理方面具有費(fèi)用低，簡(jiǎn)單高效的特點(diǎn)[7]。綜合該河道的治理目標(biāo)，該項(xiàng)目壩型選擇橡膠壩。

2 橡膠壩設(shè)計(jì)

2.1 河道地基及橡膠壩壩址地基處理

該河道位于沖洪積扇的下部，根據(jù)鉆孔揭露，地層巖性主要為第四系沖洪積砂質(zhì)粉土、粘質(zhì)粉土、粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂和中砂為主，建筑物地基建筑在砂質(zhì)粉土層上，由于砂質(zhì)粉土層密實(shí)度較差，在飽水狀態(tài)下，地震烈度Ⅷ度時(shí)存在液化問題，建議進(jìn)行橡膠壩地基進(jìn)行加密處理，擬建場(chǎng)地內(nèi)不存在影響建筑場(chǎng)地穩(wěn)定性的不良地質(zhì)作用；場(chǎng)地地下水位埋藏較淺，基坑開挖應(yīng)進(jìn)行降水，降水方式建議采用輕型井點(diǎn)方式；擬建場(chǎng)地地面下8.00m范圍內(nèi)以粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土地層為主，該地層屬于弱透水層，適宜河道開挖后儲(chǔ)水。

2.2 設(shè)計(jì)流量及常水位的確定

根據(jù)《該河道綜合整治工程-河道部分》及《(綜合理工程規(guī)劃》，得到入湖河道20年、50年1遇的規(guī)劃流量及最高蓄水位，所在區(qū)域水務(wù)局根據(jù)實(shí)際情況確定正常運(yùn)行水位，如表1所列。

表1 該河道規(guī)劃流量及常水位表

2.3 壩址河道斷面處理

此段河道(12+300～13+307)，利用下游分洪口控制閘蓄水，最高蓄水位為22.5m，設(shè)計(jì)常水位為22.0m，20年洪水位為24.75m～24.26m，50年洪水位為25.57m～25.18m，現(xiàn)狀東壩閘下有1個(gè)跌差為1.1m的設(shè)計(jì)跌水，跌水至北小河段設(shè)有子槽，子槽起始位置是從跌水下開始的至入口前止，樁號(hào)為12+684～13+207，子槽底與設(shè)計(jì)河底以1:100的緩坡順接，河道縱坡0.0003。該河道縱斷面設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所列。

表2 河道縱斷面設(shè)計(jì)參數(shù)

2.4 橡膠壩充泄水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

經(jīng)計(jì)算橡膠壩壩底高程21.80m，壩高3.4m，壩袋容積772m3，內(nèi)壓比取1.3。根據(jù)工程行洪及業(yè)主要求，采用深井泵充壩，自流與強(qiáng)排泄壩的充泄水系統(tǒng)，泄水時(shí)間2h以內(nèi)。

充水系統(tǒng)采用深井泵充水，經(jīng)DN100輸水管，DN400充水立管及充泄水管送入壩袋內(nèi)，根據(jù)水井資料，選取水泵參數(shù)如下：Q=80m3/h，H=44m，N=15kW。水泵出水管口徑為DN100，出水管上依次安裝止回閥、電動(dòng)蝶閥以滿足工作及安全檢修的需要。

為保證充水安全，設(shè)置DN400豎管及安全溢流豎管，管頂與大氣相通。溢流口管底高程26.22m。

泄水管管徑為DN300，一般排水通過旁通管將壩袋內(nèi)的水排至橡膠壩下游。需要強(qiáng)排時(shí)關(guān)閉旁通管，啟用設(shè)置在泄水管上的立式管道泵強(qiáng)制排水，排水泵參數(shù)如下：Q=660m3/h，H=17.5m，N=45kW。在水泵的進(jìn)出口分別安裝手動(dòng)碟閥，出口安裝止回閥以滿足工作及安全檢修需要。

充泄水泵房位于河右岸，尺寸為4m×6m，泵房?jī)?nèi)設(shè)集水坑，并設(shè)置潛水排污泵用于泵房?jī)?nèi)的排水，排水泵功率1.5kW。

3 橡膠壩三維數(shù)值模擬及結(jié)果分析

3.1 三維建模

以設(shè)計(jì)資料為基礎(chǔ)，利用ATUOCAD對(duì)某東橡膠壩建立三維模型，橡膠壩上下游為規(guī)則的對(duì)稱立體模塊，模型整體包括上下游河道及橡膠壩，模擬河道范圍為12+300m-13+307m，水位取值22.00m-25.57m，橫截面范圍取值0-80m。將建立的三維模型導(dǎo)入FLUENT軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分并計(jì)算網(wǎng)格數(shù)量。設(shè)置合理的邊界條件，將劃分的mesh文件導(dǎo)入FLUENT軟件，設(shè)對(duì)應(yīng)的參數(shù)，開始模型計(jì)算[10]。

3.2 泄流能力計(jì)算分析

對(duì)某橡膠壩設(shè)計(jì)計(jì)算的流量與三維模型模擬計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比，結(jié)果如表3所列。

表3 泄流能力設(shè)計(jì)計(jì)算流量與三維模型模擬計(jì)算流量對(duì)比

表中誤差值=(Q1-Q2)/Q1。

分析表3計(jì)算結(jié)果可知，對(duì)2種工況下的設(shè)計(jì)計(jì)算值與三維模型模擬所得流量值進(jìn)行對(duì)比，所測(cè)定誤差值均在4%左右，具體引起的誤差可能是實(shí)際模擬計(jì)算過程中部分參數(shù)與實(shí)際條件有細(xì)微差別，但基本滿足計(jì)算精度要求，說明三維模型的邊界條件等參數(shù)的設(shè)置基本合理。

3.3 水面線模擬計(jì)算分析

圖1 不同設(shè)計(jì)工況下的不面線設(shè)計(jì)圖

利用FLUENT軟件對(duì)計(jì)算工況20年1遇及50年1遇條件下水面線水流流態(tài)情況進(jìn)行模擬，圖1為2種工況下某典型斷面處具體情況水面線示意圖，將模擬結(jié)果與設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，水氣交界面選取的摻氣度為60%。

由計(jì)算結(jié)果與三維模型模擬結(jié)果分析，模擬結(jié)果的水面線比較平穩(wěn)，但在不同流速分界面處比較模糊，但設(shè)計(jì)計(jì)算中變化幅度較三維模擬的結(jié)果幅度變動(dòng)較小，計(jì)算方法雖然存在一定差異，但整體計(jì)算結(jié)果兩者基本一致，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)束語

本文對(duì)遵義市濱河景區(qū)某橡膠壩進(jìn)行了理論計(jì)算分析，并通ANSYS軟件中的FLUENT模塊模擬驗(yàn)證了設(shè)計(jì)計(jì)算的準(zhǔn)確性。有效促進(jìn)濱河的生態(tài)效益和社會(huì)效益。