山區(qū)河道橡膠壩群蓄水工程水面線計(jì)算方法淺析

李江海

(呂梁市橫泉水庫管理局， 山西 呂梁　033000)

山區(qū)河道橡膠壩群蓄水工程水面線計(jì)算方法淺析

李江海

(呂梁市橫泉水庫管理局， 山西 呂梁033000)

【摘要】針對目前橡膠壩群蓄水工程水面線計(jì)算中存在的問題，以山西省呂涼市山區(qū)河道橡膠壩蓄水工程為例，選擇了兩種典型工況，從理論上總結(jié)了推算水面線的方法，可供類似情況下水面線推求參考。

【關(guān)鍵詞】山區(qū)河道； 橡膠壩； 蓄水工程； 水面線計(jì)算

橡膠壩是一種新型的低水頭擋水建筑物，由于具有造價(jià)低、工期短、耐久性強(qiáng)、抗震性能強(qiáng)、運(yùn)用靈活方便以及充壩蓄水、坍壩泄洪等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于灌溉、發(fā)電、防洪等方面。近年來，為了美化城市、改善水生態(tài)環(huán)境、提高城市品位，越來越多的中小城市開始興建橡膠壩蓄水工程，而且逐步由平原城市向山區(qū)城市、由單一壩體向多壩聯(lián)合運(yùn)行的壩群發(fā)展。由于山區(qū)河道寬度小、縱坡陡、洪水峰大量小，河道常采用汛期坍壩泄洪、非汛期充壩蓄水的運(yùn)行方式，而且在泄洪時(shí)洪水多呈急流狀態(tài)。本文針對山區(qū)陡坡河道橡膠壩群蓄水工程水流流態(tài)多樣性的特點(diǎn)，以山西省呂涼市蓄水工程為例對河道水面線進(jìn)行分析計(jì)算。

1工程概況

山西省呂涼市蓄水工程全長18.6km，防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，河道橫斷面為矩形，寬80m，河底和兩岸堤防均為C25 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。主河槽治理段上游200m和860m處共布置2座攔沙壩，治理段范圍內(nèi)從上游到下游連續(xù)布置25 座單跨充水式橡膠壩，采用汛期坍壩泄洪、非汛期充壩蓄水的運(yùn)行方式。橡膠壩高3.4m，擋水高度3.6m(橡膠壩基礎(chǔ)高0.2m)，壩基礎(chǔ)寬13.5m，長與河道寬相同，為80m，基礎(chǔ)頂高于壩前河底0.2m，壩后設(shè)斜坡段與下游底板連接，斜坡段坡比為1∶4，長2.0m，落差0.5m，壩后不設(shè)消力池。由于各橡膠壩水力計(jì)算方法相同，本文取位于蓄水工程中游的8號(hào)橡膠壩進(jìn)行分析，該河段縱坡1/240，壩區(qū)長700m，汛期(6月1日—9月30日)設(shè)計(jì)洪峰流量為1364m3/s，非汛期(10月1日—次年5月31日)為160m3/s。

2坍壩工況壩區(qū)水面線計(jì)算

根據(jù)橡膠壩蓄水工程設(shè)計(jì)，坍壩為汛期運(yùn)行方式，設(shè)計(jì)洪峰流量1364m3/s。在推算水面線前需先選擇控制斷面，根據(jù)水流情況，共選擇2個(gè)控制斷面，1個(gè)選擇在壩區(qū)下游，即橡膠壩壩址處，另1個(gè)選擇在上游，即上一座橡膠壩洪水下泄后的水深收縮斷面。下面分別對2個(gè)控制斷面水深進(jìn)行水力計(jì)算。

2.1下游控制斷面水深計(jì)算

下游控制斷面為橡膠壩的壩址，橡膠壩可視作寬頂堰，由于有阻水作用，該斷面將產(chǎn)生壅水，壅水高度采用《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》附錄A公式計(jì)算：

(1)

式中Q——過壩流量，m3/s；

B——溢流斷面寬度，m；

H0——壩頂水頭，H0=H+v2/2g，m；

H——壩頂水深，m；

v——壩前流速，m/s；

m——流量系數(shù)，坍壩時(shí)取0.36；

σ——淹沒系數(shù)，下游水深H0<0.8時(shí)取σ=1；

ε——側(cè)收縮系數(shù)，無側(cè)收縮，取ε=1。

由此計(jì)算的壩頂水頭H0=4.86m，壩頂水深H=4.02m，壩前平均流速4.04m/s，控制斷面水深為壩頂水深與壩基礎(chǔ)高之和：h=4.02+0.2=4.22m。控制斷面為最大壅水高度位置，位于壩軸線上游(3～4)H處，本文計(jì)算中取距壩軸線15m。

2.2上游控制斷面水深計(jì)算

上游控制斷面水深為上一座橡膠壩洪水下泄后收縮斷面的水深，上一座橡膠壩的壅水計(jì)算方法和結(jié)果與本壩區(qū)橡膠壩相同，其壩后收縮斷面水深采用下列公式試算：

(2)

式中E0——從下游底板算起的上游水頭，E0=P+H0，m；

P——壩基礎(chǔ)與下游河道底板高差，P=0.5m；

H0——壩頂以上總水頭，由上節(jié)知H0=4.86m；

q——過壩單寬流量，q=1364/80=17.05m3/(s·m)；

hc——收縮水深，m；

ψ——流量系數(shù)，下游為折線型，取ψ=0.9。

由此計(jì)算的收縮水深，即上游控制水深hc=2.56m，平均流速6.66m/s。

2.3水面線推算

2.3.1水面線定性分析

根據(jù)有關(guān)公式計(jì)算的壩區(qū)正常水深h0=2.61m(其中混凝土糙率取0.018)，臨界水深hk=3.10m，因h01，F(xiàn)r2<1，故河道在上游為急流，下游為緩流。水深從上游收縮斷面開始，經(jīng)S3型壅水曲線由收縮水深hc向正常水深h0過渡，在急緩流變化處發(fā)生水躍(因Fr1<1.7，所以水躍形式為波狀水躍)，然后通過S1型壅水曲線，在距壩址(3～4)H處水深達(dá)到下游壩前最大壅水高度h。

2.3.2水面線定量分析

通過對水面線定性分析，若要計(jì)算各斷面水深，關(guān)鍵需確定水躍發(fā)生位置。因水躍需滿足躍前和躍后水深條件才能發(fā)生，依據(jù)上下游控制水深，按波狀水躍公式(3)分別向下游和上游推求水面線，當(dāng)上下游水深同時(shí)滿足公式要求的躍前、躍后水深和躍長時(shí)，則為水躍發(fā)生位置。

水面線公式：

(3)

式中z1、z2——上下游水面高程，m；

hj——局部水頭損失，河道為棱柱體明渠，hj=0m；

hf——沿程水頭損失，hf=JL，m；

L——所取河段長度，本次計(jì)算時(shí)取L=20m；

J——平均水力坡度，J=(J1+J2)/2；

J1、J2——河段上下游斷面水力坡度。

波狀水躍公式(《水工設(shè)計(jì)手冊(第二版)》)：

(4)

躍長公式(《水工設(shè)計(jì)手冊(第二版)》)：

(5)

式中h1、h2——躍前、躍后水深，m；

Fr——躍前弗勞得數(shù)；

L——水躍長度，m。

假設(shè)躍前水深已達(dá)正常水深，則躍前水深h1=h0=2.61m，相應(yīng)弗勞得數(shù)Fr=1.29，躍后水深h2=3.48m，躍長L=9.86≈10m。經(jīng)計(jì)算，水躍發(fā)生在距上游控制斷面561～571m之間，躍前水深基本達(dá)到正常水深，故原假設(shè)正確。計(jì)算結(jié)果見表1和水面曲線圖。

表1　坍壩運(yùn)行壩區(qū)水面線計(jì)算結(jié)果

3充壩工況壩區(qū)水面線計(jì)算

充壩為非汛期運(yùn)行方式，設(shè)計(jì)洪峰流量160m3/s。控制斷面的選擇與坍壩運(yùn)行方式相同，即分別為該壩區(qū)下游側(cè)的壩前斷面和該壩區(qū)上游側(cè)的上一座橡膠壩后收縮水深斷面。

3.1控制斷面水深計(jì)算

水面線計(jì)算方法與坍壩運(yùn)行時(shí)相同，但在采用公式(1)計(jì)算時(shí)，根據(jù)《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》附錄A，壩袋充脹時(shí)按曲線型實(shí)用堰考慮，流量系數(shù)m取0.40。經(jīng)計(jì)算，壩頂水深H=1.08m，平均流速0.43m/s，橡膠壩蓄水高度3.6m，則壩前水深(下游斷面控制水深)h=3.6+1.08=4.68m。上游斷面控制水深為收縮水深，hc=0.23m，平均流速8.69m/s。上游控制斷面弗勞得數(shù)Fr1=5.78，下游控制斷面Fr2=0.06。河道正常水深h0=0.71m，臨界水深hk=0.74m。

3.2水面線推算

水面曲線類型與坍壩運(yùn)行時(shí)相同，但由于下游水深較高，水躍位置將上移至壩區(qū)上游側(cè)，上游收縮斷面弗勞得數(shù)4.5

(6)

公式中符號(hào)意義同前。由此計(jì)算的躍后水深為h2=1.77m，躍長8m。采用公式(3)推求水面線，可知下游壅水線推算到上游，其水深均不小于1.85m，即大于躍后水深，所以水躍為淹沒水躍，躍前斷面為收縮水深斷面，水面線計(jì)算結(jié)果見表2和水面曲線圖。

表2　充壩運(yùn)行壩區(qū)水面線計(jì)算結(jié)果

水面曲線圖

4結(jié)語

本文水面線計(jì)算時(shí)只選取了完全坍壩和完全充壩兩種典型工況，在計(jì)算堤防高度時(shí)，還應(yīng)考慮其他可能工況，最后取各工況水面線的外包線作為堤頂高程設(shè)計(jì)依據(jù)，許多工程設(shè)計(jì)中僅按汛期坍壩運(yùn)行工況或采用曼寧公式計(jì)算水面線，由此確定的壩高明顯偏低、偏不安全。本文所述工程因底板和側(cè)墻全部采用鋼筋混凝土襯砌，抗沖能力強(qiáng)，未設(shè)消力池，但由本文分析可知，不同工況水躍發(fā)生位置也不同，即使同一工況由于底板順直，水躍位置也不可能固定，建議工程設(shè)計(jì)中應(yīng)在壩下設(shè)消力池固定水躍位置，穩(wěn)定水面曲線，減少急流長度。最后需要說明的是，本文僅從理論上對橡膠壩蓄水工程水面線進(jìn)行了分析，由于水躍水流紊亂復(fù)雜，對特別重要的工程還應(yīng)通過模型試驗(yàn)來復(fù)核計(jì)算成果。

中圖分類號(hào)：TV64

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1005-4774(2015)04-0033-03

On water line calculation method in Mountain River Rubber
Dam Group Water Accumulation Project

LI Jianghai

(LüliangHengquanReservoirAuthority,Lüliang033000,China)

Abstract：Mountain river rubber dam water accumulation project in Shanxi Lüliang is adopted as an example aiming at problems in current Rubber Dam Group Water Accumulation Project water line calculation. Two typical conditions are selected. Methods of calculating water lines can be summarized theoretically, thereby providing reference for water line calculation under similar condition.

Key words：mountain river; rubber dam; water accumulation project; water line calculation