橡膠壩在河道生態治理中的設計探析

韋天鵬

(貴州新中水工程有限公司，貴州 貴陽 276000)

隨著經濟的高速發展及社會發展水平的不斷提升，國家在各項基礎設施上的投資不斷加大。水生態文明城市與海綿城市的建設在全國各城市不斷鋪開，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用[1-2]。本文根據濱河河道的功用、水文及地質地貌條件等基礎資料，對比不同型式的水工建筑物的優劣特性，分析確定了橡膠壩的實際應用，并根據具體工程要求對橡膠壩進行了設計探析。

1 河道治理中壩型的選擇

對于該生態河道則綜合治理，合理壩型的選擇對于生態效益、經濟效益、社會效益等多方面具有良好的促進作用。該河道綜合治理中壩型的選擇，選定的為橡膠壩，與傳統水壩及節制閘對比，橡膠壩構造簡單，能有有效的減少傳統閘壩鋼材、木材、石材的使用，能夠有效地節省建造成本[4-6]。其具有建設周期短、施工簡單的特點，在河道景觀方面，其具備一定的美觀作用，同時在日常維護及管理方面具有費用低，簡單高效的特點[7]。綜合該河道的治理目標，該項目壩型選擇橡膠壩。

2 橡膠壩設計

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，根據鉆孔揭露，地層巖性主要為第四系沖洪積砂質粉土、粘質粉土、粉質粘土、粉細砂和中砂為主，建筑物地基建筑在砂質粉土層上，由于砂質粉土層密實度較差，在飽水狀態下，地震烈度Ⅷ度時存在液化問題，建議進行橡膠壩地基進行加密處理，擬建場地內不存在影響建筑場地穩定性的不良地質作用；場地地下水位埋藏較淺，基坑開挖應進行降水，降水方式建議采用輕型井點方式；擬建場地地面下8.00m范圍內以粉質粘土、粘質粉土地層為主，該地層屬于弱透水層，適宜河道開挖后儲水。

2.2 設計流量及常水位的確定

根據《該河道綜合整治工程-河道部分》及《(綜合理工程規劃》，得到入湖河道20年、50年1遇的規劃流量及最高蓄水位，所在區域水務局根據實際情況確定正常運行水位，如表1所列。

表1 該河道規劃流量及常水位表

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，設計常水位為22.0m，20年洪水位為24.75m～24.26m，50年洪水位為25.57m～25.18m，現狀東壩閘下有1個跌差為1.1m的設計跌水，跌水至北小河段設有子槽，子槽起始位置是從跌水下開始的至入口前止，樁號為12+684～13+207，子槽底與設計河底以1:100的緩坡順接，河道縱坡0.0003。該河道縱斷面設計參數如表2所列。

表2 河道縱斷面設計參數

2.4 橡膠壩充泄水系統設計

經計算橡膠壩壩底高程21.80m，壩高3.4m，壩袋容積772m3，內壓比取1.3。根據工程行洪及業主要求，采用深井泵充壩，自流與強排泄壩的充泄水系統，泄水時間2h以內。

充水系統采用深井泵充水，經DN100輸水管，DN400充水立管及充泄水管送入壩袋內，根據水井資料，選取水泵參數如下：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、電動蝶閥以滿足工作及安全檢修的需要。

為保證充水安全，設置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的水排至橡膠壩下游。需要強排時關閉旁通管，啟用設置在泄水管上的立式管道泵強制排水，排水泵參數如下：Q=660m3/h，H=17.5m，N=45kW。在水泵的進出口分別安裝手動碟閥，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，泵房內設集水坑，并設置潛水排污泵用于泵房內的排水，排水泵功率1.5kW。

3 橡膠壩三維數值模擬及結果分析

3.1 三維建模

以設計資料為基礎，利用ATUOCAD對某東橡膠壩建立三維模型，橡膠壩上下游為規則的對稱立體模塊，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入FLUENT軟件進行網格劃分并計算網格數量。設置合理的邊界條件，將劃分的mesh文件導入FLUENT軟件，設對應的參數，開始模型計算[10]。

3.2 泄流能力計算分析

對某橡膠壩設計計算的流量與三維模型模擬計算的結果進行分析對比，結果如表3所列。

表3 泄流能力設計計算流量與三維模型模擬計算流量對比

表中誤差值=(Q1-Q2)/Q1。

分析表3計算結果可知，對2種工況下的設計計算值與三維模型模擬所得流量值進行對比，所測定誤差值均在4%左右，具體引起的誤差可能是實際模擬計算過程中部分參數與實際條件有細微差別，但基本滿足計算精度要求，說明三維模型的邊界條件等參數的設置基本合理。

3.3 水面線模擬計算分析

圖1 不同設計工況下的不面線設計圖

利用FLUENT軟件對計算工況20年1遇及50年1遇條件下水面線水流流態情況進行模擬，圖1為2種工況下某典型斷面處具體情況水面線示意圖，將模擬結果與設計計算結果進行對比，水氣交界面選取的摻氣度為60%。

由計算結果與三維模型模擬結果分析，模擬結果的水面線比較平穩，但在不同流速分界面處比較模糊，但設計計算中變化幅度較三維模擬的結果幅度變動較小，計算方法雖然存在一定差異，但整體計算結果兩者基本一致，驗證了設計計算結果的準確性。

4 結束語

本文對遵義市濱河景區某橡膠壩進行了理論計算分析，并通ANSYS軟件中的FLUENT模塊模擬驗證了設計計算的準確性。有效促進濱河的生態效益和社會效益。