銀州區(qū)柴河行洪兼灌溉橡膠壩高程設(shè)計(jì)分析

邵 泉，王 杰，韓 成

(1.鐵嶺市銀州區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，遼寧 鐵嶺 112000；2.鐵嶺縣現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，遼寧 鐵嶺 112000；3.遼寧省水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 沈陽(yáng) 110000)

1 基本情況

銀州區(qū)柴河橡膠壩位于銀州區(qū)北部柴河干流上，距離鐵嶺市京哈高速柴河大橋下游約100m，不僅承擔(dān)著城市防洪任務(wù)，滿足平頂灌區(qū)的引水需要，還具有形成生態(tài)水面、改善自然景觀等作用。橡膠壩分3跨，設(shè)2座中墩，寬0.6m，壩體總長(zhǎng)163.20m，壩頂高程63m，橡膠壩底板高程60.50m，底板順?biāo)鲗?.2m，底板下前后各設(shè)一道齒墻，壩體前為鋼筋混凝土鋪蓋，下游設(shè)有混凝土結(jié)構(gòu)消力池，長(zhǎng)18.5m；消力池下游設(shè)海漫，總長(zhǎng)14m。

2 行洪設(shè)計(jì)

2.1 行洪流量設(shè)計(jì)

橡膠壩選址位于柴河入遼河口上游1.1km處，入遼河口處洪水由柴河水庫(kù)以上洪水與柴河水庫(kù)至入遼河口區(qū)間的洪水組成。選擇典型年法和同頻率組成法進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水地區(qū)組成分析。典型年選擇1953年，柴河水庫(kù)1953年典型洪水過程，由太平寨實(shí)測(cè)洪水過程，考慮洪水傳播時(shí)間，按面積比法推求。柴河入遼河口處1953年典型洪水過程，由柴河水庫(kù)洪水過程，考慮洪水傳播時(shí)間，按面積比法推求。柴河水庫(kù)至入遼河口處區(qū)間的洪水過程，由入遼河口處洪水過程減去柴河水庫(kù)演進(jìn)至入遼河口的洪水過程求得[1- 3]。

2.1.1典型年法設(shè)計(jì)洪水地區(qū)組成成果

將柴河入遼河口處各頻率設(shè)計(jì)洪量按1953年典型分配比例分配給柴河水庫(kù)和柴河水庫(kù)至柴河入遼河口處區(qū)間，即可求出各地點(diǎn)對(duì)應(yīng)洪量。各地點(diǎn)不同頻率洪峰，由柴河水庫(kù)按洪量放大的洪水過程線演進(jìn)至柴河入遼河口處，并與區(qū)間按洪量推求。設(shè)計(jì)洪水組成成果見表1。

表1 典型年法(1953年)設(shè)計(jì)洪水成果表

2.1.2同頻率組成法設(shè)計(jì)洪水地區(qū)組成成果

柴河橡膠壩上游柴河水庫(kù)控制面積占柴河流域面積近90%，為簡(jiǎn)化計(jì)算，柴河水庫(kù)以上和柴河水庫(kù)以下至柴河入遼河口區(qū)間，采用同頻率組成法，不按水庫(kù)設(shè)計(jì)、區(qū)間相應(yīng)和水庫(kù)相應(yīng)、區(qū)間設(shè)計(jì)兩種組合方式考慮，僅按同設(shè)計(jì)組合考慮，即水庫(kù)設(shè)計(jì)、區(qū)間設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)洪水成果見表2。

表2 同頻率組成法設(shè)計(jì)洪水成果表

2.1.3橡膠壩泄洪流量設(shè)計(jì)

柴河入遼河口處組合設(shè)計(jì)洪水，由水庫(kù)調(diào)洪后的放流演進(jìn)至柴河入遼河口與區(qū)間洪水組合構(gòu)成。在前述兩種方法中，柴河水庫(kù)洪水按上述調(diào)度運(yùn)用方式調(diào)洪，其出庫(kù)流量經(jīng)演進(jìn)與下游區(qū)間對(duì)應(yīng)洪水過程組合，即為柴河入遼河口處組合設(shè)計(jì)洪水，其最大組合流量見表3。同頻率組成法計(jì)算的組合設(shè)計(jì)流量比典型年法的大，出于偏安全考慮，選擇同頻率組成法計(jì)算的組合設(shè)計(jì)流量[4- 5]。

表3 2種方式組合流量設(shè)計(jì)成果 單位：m3/s

柴河水庫(kù)壩下至柴河入遼河口之間各地點(diǎn)組合設(shè)計(jì)流量，以柴河入遼河口最大組合設(shè)計(jì)流量和柴河水庫(kù)最大出流為上下限，按水庫(kù)壩下至某地點(diǎn)間集水面積與入遼河口集水面積的比值，直線內(nèi)插求得。平頂灌區(qū)橡膠壩位于樁號(hào)9+060，洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用20年一遇設(shè)計(jì)，50年一遇校核。20年一遇標(biāo)準(zhǔn)洪水組合設(shè)計(jì)流量為550m3/s，50年一遇標(biāo)準(zhǔn)洪水組合設(shè)計(jì)流量為700m3/s。各地點(diǎn)組合設(shè)計(jì)流量見表4。

表4 同頻率組成法各處組合流量設(shè)計(jì)值 單位：m3/s

2.2 橡膠壩高程設(shè)計(jì)

橡膠壩運(yùn)行工況參照現(xiàn)行的工程管理辦法，每年的灌溉季節(jié)，橡膠壩為保證下游灌區(qū)的灌溉水量，需要中孔塌壩運(yùn)行;正常蓄水時(shí)，為避免壩袋頻繁起落，設(shè)計(jì)允許壩頂在一定水深范圍內(nèi)溢流，溢流水深控制在壩袋共振區(qū)內(nèi)運(yùn)行。柴河橡膠壩的壩頂溢流水深最大控制在0.3m，當(dāng)溢流水深超此限，須坍壩泄洪。壩頂及坍壩過程中溢流按實(shí)用堰計(jì)算過流能力；坍壩后，按寬頂堰計(jì)算過流能力。根據(jù)SL 227—98《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》，不同壩高時(shí)的泄流量按下列公式計(jì)算:

(1)

式中，Q—過壩流量，m3/s；B—溢流斷面的平均寬度，取162m；h0—計(jì)入行進(jìn)流速水頭的堰頂水頭，取0.3m；m—流量系數(shù)，壩袋沖脹流量系數(shù)為0.45，壩袋完全坍平的流量系數(shù)為0.36；δ—淹沒系數(shù)，自由出流為1；ε—堰流側(cè)收縮系數(shù)，取0.999。

經(jīng)計(jì)算，橡膠壩充脹運(yùn)行時(shí)要求橡膠壩壩頂最大水深為0.3m，泄流能力為52.98m3/s;灌溉期，橡膠壩過流量為150m3/s時(shí)，橡膠壩坍平中孔泄流，泄流段上游水位按照寬頂堰進(jìn)行計(jì)算，為61.10m;當(dāng)柴河達(dá)到設(shè)計(jì)洪水，橡膠壩坍平泄流，橡膠壩過流量為550m3/s時(shí)，按照寬頂堰進(jìn)行計(jì)算，壩上游水位為62.13m；當(dāng)柴河達(dá)到校核洪水，橡膠壩坍平泄流，橡膠壩過流量為700m3/s時(shí)，按照寬頂堰進(jìn)行計(jì)算，壩上游水位為62.43m。所以壩頂高程設(shè)計(jì)為63.00m。

3 灌溉高程校核

3.1 灌區(qū)灌溉定額計(jì)算

平頂灌區(qū)是以水田為主的灌區(qū)，灌溉方式為淺濕灌溉，灌溉保證率采用75%。對(duì)于萬畝以上灌區(qū)應(yīng)采用時(shí)歷法確定歷年各種主要作物的灌溉制度，根據(jù)灌溉定額的頻率分析選出2～3個(gè)符合設(shè)計(jì)保證率的年份，以其中灌水分配過程最不利的年份作為典型年，以該典型年的灌溉制度作為設(shè)計(jì)灌溉制度[6- 9]。這種方法全面考慮了影響水稻灌溉定額的因素，但計(jì)算工作量相當(dāng)大。遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院對(duì)遼寧省10個(gè)灌區(qū)的23個(gè)代表站進(jìn)行了長(zhǎng)系列操作演算，提出23個(gè)站的水稻歷年灌溉制度設(shè)計(jì)成果，總結(jié)出一套簡(jiǎn)算法——遼寧省水稻灌溉制度設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)算法。銀州區(qū)平頂灌區(qū)灌溉制度的確定即采用此方法。水稻灌溉定額包括育苗用水、泡田期用水和生育期用水。

3.1.1育苗、泡田用水

根據(jù)試驗(yàn)資料及本地的實(shí)際情況，參考《遼寧省各種作物灌溉制度分析》，平頂灌區(qū)育苗水量為15m3/畝，育苗時(shí)間為4月中下旬；泡田水量為130m3/畝，泡田時(shí)間為5月10—25日，共16d。

3.1.2生育期用水

平頂灌區(qū)屬遼河中游河谷平原，采用鐵嶺站成果，生育期起止時(shí)間為5月26日—9月24日，共122d。水稻生育期用水包括葉面蒸騰、棵間蒸發(fā)、田間滲漏量。計(jì)算方法采用“遼寧省水稻灌溉制度設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)算法”。根據(jù)開原灌區(qū)歷年(1960—1999年)水稻生育期降雨量，查鐵嶺站生育期降雨-生育期有效降雨-生育期灌溉定額關(guān)系曲線，得出開原站歷年生育期灌溉定額，由歷年生育期灌溉定額進(jìn)行頻率計(jì)算，選出灌溉保證率為75%的典型年為1979年、1996年、1962年三年。經(jīng)分析，以最不利的年份1996年作為典型年，以該年的灌溉制度作為設(shè)計(jì)灌溉制度，推求出生育期灌溉定額為707m3/畝。將上述育苗用水、泡田用水、生育期用水相加，得到保證率為75%的水稻凈灌溉定額為852m3/畝。

3.2 灌區(qū)流量設(shè)計(jì)

灌區(qū)土壤為沙土，干支渠均實(shí)行續(xù)灌，支渠以下斗、農(nóng)渠實(shí)行輪灌，以典型二支渠為例，同時(shí)灌水的斗渠有3條，分兩組輪灌，每條斗渠同時(shí)供水給4條農(nóng)渠。算出二支渠渠系水利用系數(shù)，將其作為擴(kuò)大指標(biāo)，確定其他支渠的渠系水利用系數(shù)。經(jīng)計(jì)算，灌區(qū)設(shè)計(jì)流量為1.55m3/s，加大后流量為2m3/s，按照現(xiàn)有灌區(qū)分水閘底板高程，水位按照63.00m高程，采用堰流有關(guān)公式計(jì)算，引水閘進(jìn)水流量為2.5m3/s，大于灌區(qū)所需流量，高程滿足要求。干渠流量設(shè)計(jì)見表5。

表5 灌區(qū)干渠設(shè)計(jì)流量推求表

4 結(jié)語(yǔ)

橡膠壩是一種技術(shù)較為成熟的攔蓄水建筑物，與傳統(tǒng)土壩、混凝土壩相比，具有建設(shè)快、成本低、美觀等特點(diǎn)，在調(diào)節(jié)水頭較低、跨度較大的河道上廣泛應(yīng)用。在壩體設(shè)計(jì)過程中，因橡膠壩的功能不同，壩頂高程設(shè)計(jì)方法也不盡相同，文章所述內(nèi)容雖是行洪兼灌溉橡膠壩高程設(shè)計(jì)的方法，但對(duì)只有行洪或只有灌溉單一功能橡膠壩高程設(shè)計(jì)同樣具有借鑒意義。文章不足之處是未對(duì)橡膠壩的實(shí)際水位、流量運(yùn)行情況進(jìn)行介紹，只是定性說明與設(shè)計(jì)方案較為吻合，不能定量分析實(shí)際運(yùn)行情況與設(shè)計(jì)方案差異程度，希望在這方面能夠與其他學(xué)者進(jìn)行交流、研討。