淶源縣濱湖新區(qū)梯級(jí)橡膠壩塌壩泄流過(guò)程分析

耿建康

（河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，石家莊050021）

自20世紀(jì)60年代世界上首座橡膠壩建成以來(lái)，因其經(jīng)濟(jì)效益明顯、管理方便、景觀優(yōu)美等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于城市河道景觀建設(shè)中，在城區(qū)的河道中修建形成橡膠壩群，在發(fā)揮蓄水功效的同時(shí)，美化自然景觀，補(bǔ)給城市地下水，改善小范圍氣候，在一定程度上提升城市品位。 梯級(jí)橡膠壩的蓄水量大，北方地區(qū)缺水嚴(yán)重，洪水時(shí)間、空間分布不均，塌壩騰空庫(kù)容度汛會(huì)極易造成水資源的浪費(fèi)。 在落實(shí)國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)的大背景下，為更加合理的應(yīng)用水資源，實(shí)現(xiàn)水資源利益最大化，塌壩泄流分析對(duì)制定汛期橡膠壩群聯(lián)合調(diào)度方案，而又不形成“人造洪峰”，具有重要指導(dǎo)意義。

1 基本情況

1.1 流域概況

拒馬河濱湖新區(qū)段石門橡膠壩上游主要有艾河溝、沿村溝等支流匯入，流域面積380km2。 河流水量季節(jié)性強(qiáng)，流域內(nèi)降水主要集中在7、8月份，暴雨特征表現(xiàn)為現(xiàn)歷時(shí)短、強(qiáng)度大。

石門水文站（1956～1994年）等多年觀測(cè)資料，共發(fā)生流量超過(guò)200m3/s以上洪水共10次， 從歷場(chǎng)洪水來(lái)看，石門站出現(xiàn)洪峰時(shí)間一般在開(kāi)始降雨后的30～90min內(nèi)，拒馬河流域洪水屬典型的陡漲陡落型。

1.2 設(shè)計(jì)洪水

拒馬河濱湖新區(qū)治理段設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)20年一遇， 設(shè)計(jì)洪水根據(jù)石門站水文資料系列采用實(shí)測(cè)資料法分析計(jì)算，不同標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)洪水成果如表1。

表1 拒馬河橡膠壩工程位置設(shè)計(jì)洪峰流量成果

1.3 橡膠壩概況

石門橡膠壩壩長(zhǎng)118m， 壩高4.5m， 底板高程791.1m，設(shè)計(jì)蓄水位795.5m；泉坊橡膠壩壩長(zhǎng)100m，壩高4.5m，底板高程796.2m，設(shè)計(jì)蓄水位800.5m。 橡膠壩塌壩均采用壩內(nèi)水壓與下游水位落差自流坍壩方式，坍壩時(shí)間均為2h。 橡膠壩設(shè)計(jì)指標(biāo)如表2。

表2 橡膠壩設(shè)計(jì)指標(biāo)

2 梯級(jí)塌壩泄流計(jì)算原理

根據(jù)GB/T 50979—2014 《橡膠壩工程技術(shù)規(guī)范》，橡膠壩泄量能力可按堰流基本公式計(jì)算：

式中 Q為橡膠壩的下泄流量 （m3/s）；ε為堰流側(cè)收縮系數(shù)；σ為淹沒(méi)系數(shù)；m為流量系數(shù)；B溢流斷面的平均寬度（m）；h0計(jì)入行進(jìn)流速水頭的堰頂水頭（m）；g為重力加速度（m/s2）。

計(jì)算采用逐時(shí)段演進(jìn)法計(jì)算橡膠壩連續(xù)塌壩過(guò)程， 先確定橡膠壩塌壩時(shí)間和計(jì)算時(shí)段長(zhǎng)等基本參數(shù)， 再?gòu)牡谝粫r(shí)段開(kāi)始， 逐時(shí)段計(jì)算壩袋塌落后壩高、蓄水庫(kù)容、水深、堰上水頭、壩泄流量。

對(duì)于梯級(jí)橡膠壩，當(dāng)上級(jí)橡膠壩泄流時(shí)，對(duì)下級(jí)橡膠壩泄流產(chǎn)生影響，使下級(jí)橡膠壩泄流量加大，由于兩級(jí)橡膠壩之間有一定距離， 上級(jí)橡膠壩的泄流到達(dá)下級(jí)橡膠壩需要一定時(shí)間， 上級(jí)橡膠壩的泄流量不能簡(jiǎn)單地疊加到下級(jí)橡膠壩泄流量。 相鄰兩級(jí)橡膠壩泄流過(guò)程，采用水量平衡原理，可通過(guò)上級(jí)橡膠壩泄流后增加下級(jí)橡膠壩庫(kù)容的方法計(jì)算。計(jì)算公式如下：

3 調(diào)度方案及泄流計(jì)算

3.1 調(diào)度方案設(shè)計(jì)

根據(jù)橡膠壩上游典型洪水降雨、洪水歷時(shí)分析，結(jié)合橡膠壩的塌壩時(shí)間，考慮充分利用雨洪資源，兼顧縣城生態(tài)景觀蓄水的需求， 橡膠壩及下游河道承擔(dān)較小風(fēng)險(xiǎn)的情況下， 主要分析橡膠壩滿壩塌壩度汛和半壩塌壩兩種方案。 為保證橡膠壩的安全和避免發(fā)生洪水漫溢， 塌壩順序必須按自下而上進(jìn)行操作，且上游壩塌壩時(shí)間不應(yīng)早于下游壩。

根據(jù)不同塌平時(shí)間、 塌壩間隔時(shí)間制定聯(lián)合塌壩方案，如表3。

表3 梯級(jí)橡膠壩塌壩方案設(shè)計(jì) 單位：h

3.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)構(gòu)建的梯級(jí)橡膠壩泄流計(jì)算模型， 采用計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行計(jì)算， 梯級(jí)橡膠壩泄流過(guò)程及最大泄流量計(jì)算結(jié)果如圖1～圖5和表4。

圖1 方案1壩塌泄洪過(guò)程線

圖2 方案2壩塌泄洪過(guò)程線

圖3 方案3壩塌泄洪過(guò)程線

圖4 方案4壩塌泄洪過(guò)程線

圖5 方案5壩塌泄洪過(guò)程線

表4 梯級(jí)橡膠壩塌壩最大泄量計(jì)算結(jié)果

4 調(diào)度方案分析

根據(jù)橡膠壩計(jì)算結(jié)果，滿壩情況下，橡膠壩同時(shí)塌壩形成洪峰流量最大539m3/s， 其流量已超過(guò)10年一遇，稍與河道洪水遭遇極易人為造成較大洪峰，威脅下游河道和居民安全。半壩情況下，橡膠壩同時(shí)塌壩形成洪峰流量最大155m3/s， 半壩塌壩形成的流量也遠(yuǎn)小于滿壩塌壩流量， 半壩塌壩時(shí)間與上游河道形成洪峰時(shí)間能錯(cuò)開(kāi)，為橡膠壩半壩運(yùn)行提供條件。橡膠壩塌壩方案的最大泄流量及發(fā)生時(shí)間為制定橡膠壩調(diào)度運(yùn)用方案提供依據(jù)。

5 結(jié)語(yǔ)

橡膠壩自問(wèn)世60多年以來(lái)，隨著新材料的迭新，工程技術(shù)條件已經(jīng)成熟， 與之對(duì)應(yīng)的調(diào)度管理尤其是橡膠壩群的調(diào)度管理仍是當(dāng)前急需補(bǔ)齊的短板之一。 通過(guò)逐時(shí)段演進(jìn)法和水量平衡原理進(jìn)行梯級(jí)橡膠壩塌壩泄流計(jì)算， 能較為準(zhǔn)確地推算梯級(jí)橡膠壩的塌壩泄流過(guò)程和相應(yīng)的最大泄流量， 指導(dǎo)橡膠壩工程的設(shè)計(jì)和梯級(jí)橡膠壩調(diào)度運(yùn)用方案的編制。 橡膠壩上游的雨情和洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)調(diào)度方案制定具有重要影響，只有該系統(tǒng)建立完善并妥善運(yùn)用之后，橡膠壩度汛調(diào)度與雨洪資源利用、生態(tài)恢復(fù)、景觀蓄水等之間的矛盾才能更好的解決， 建議待洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)建立，積累一定的調(diào)度經(jīng)驗(yàn)后，進(jìn)一步細(xì)化研究橡膠壩調(diào)度方案。