渭河咸陽城區段水景觀工程五壩聯合塌壩方案探討

胡文兵，趙麗蕓

（1.陜西省咸陽水文水資源勘測局，陜西 咸陽 712000；2.陜西省水文水資源勘測局，陜西 西安 710068）

1 概況

渭河咸陽城區段水景觀工程由2004年建設的“咸陽湖”一期和2016年開始建設的“咸陽湖”二期組成。“咸陽湖”長4.96 km，河床斷面為復式河槽，主槽寬500 m，兩岸灘地寬100 m，主槽內布置北槽蓄水渠和南槽泄洪渠，中間由混凝土擋墻分隔[1]。在北槽蓄水渠的首部、尾部建設了1#橡膠壩和2#橡膠壩，為保證北槽蓄水，在南槽泄洪渠渠首建設了1#副壩（橡膠壩），1#橡膠壩、1#副壩和2#橡膠壩組成了“咸陽湖”北槽蓄水體系，1#橡膠壩和1#副壩為一個壩段。

為使城區河段形成連續的水面景觀，“咸陽湖”二期在1#壩上3.2 km處建設了3#氣盾壩[2]，在“咸陽湖”南槽泄洪渠尾建設了2#氣盾壩[3]，城區河段內形成了三級蓄水區。五壩平面布置圖見圖1，五壩基本設計參數見表1。

圖1 渭河咸陽城區段水景觀工程五壩平面布置圖

表1 渭河咸陽城區段三級五壩設計參數表

2 單壩塌壩泄流計算

2.1 計算公式

根據《橡膠壩技術規范》(SL227-98)溢流堰過流能力計算公式[5]，計算公式如下，計算示意圖見圖2。

式中：Q為過壩流量，m3/s；B為溢流斷面寬度，m；h0為計入行近流速水頭的堰頂水頭，m；m為流量系數；ε為淹沒系數；σ為堰流側收縮系數；g為重力加速度，取9.81m/s2。

圖2 橡膠壩過流能力計算示意圖

2.2 計算方法

采用逐時段演進法計算橡膠壩連續塌壩過程[6]，計算時段長取10 s。先確定橡膠壩塌平時間和計算時段長，再逐時段計算壩高、蓄水量、水深、堰上水頭、各系數、壩泄流量。泄流計算過程繁瑣、運算量大、耗時長，本次編寫計算機程序對橡膠壩塌壩泄流過程進行自動計算，各參數按照《橡膠壩技術規范》(SL227-98)中要求選取[4]。

2.3 計算結果

2#橡膠壩、2#氣盾壩、1#副壩、3#氣盾壩不同塌壩時間最大泄流量見表2。

表2 不同塌壩時間最大泄流量統計表

2.4 單壩泄流特性

橡膠壩塌壩過程中的最大泄量受塌壩時間、橡膠壩設計壩高、河道比降等因素影響。塌壩時間越短，設計壩高越高，泄流量越早達到最大值，且值越大，對應的壩袋塌落高度也越大。反之，塌壩時間越長，設計壩高越小，泄流量越晚達到最大值，且值越小，對應的壩袋塌落高度越小。

3 梯級塌壩泄流計算

3.1 塌壩方式

梯級橡膠壩塌壩方式按照過洪條件，分為完全塌壩泄洪和半壩溢洪。完全塌壩泄洪是指在上游洪水還沒有到達之前就把壩塌平，橡膠壩泄水過程不會與洪水疊加，保障河道行洪安全。半壩溢洪就是指在洪水來臨前先把壩高降低一些，不完全塌壩，保留一定蓄水量，節約水資源。為最大程度保證渭河咸陽城區段行洪安全，本次采用完全塌壩迎汛方式。

3.2 梯級塌壩計算方法

采用逆序逐級塌壩，上級壩下泄流量會使下級壩泄流量增大，但兩級壩相隔距離，上級壩下泄水量抵達下級壩需要時間，不可以簡單把上級壩下泄流量直接疊加在下級壩的泄流量上。相鄰兩級橡膠壩間的塌壩泄流過程，采用水量平衡法來進行分析運算，即壩蓄水量變化量等于下泄水量與上一級壩下泄水量的差值，計算公式如下：

式中：Vt為橡膠壩蓄水量，m3;為上一級壩泄流量，m3/s，△t為計算時段。

3.3 五壩塌壩泄流計算

3.3.1 塌壩方案設計

根據五壩運行批復要求，咸陽水文站流量小于2800 m3/s，咸陽湖南槽塌壩過洪。咸陽水文站流量大于2800 m3/s，城區河段全斷面過洪。為控制五壩塌壩泄流后，最大泄量不超1000 m3/s，本次五壩總體塌壩次序為先南后北、先下后上，即“咸陽湖”南槽2#氣盾壩、1#副壩和3#氣盾壩完全塌平以后，“咸陽湖”北槽2#橡膠壩、1#橡膠壩開始塌壩。根據不同塌平時間、塌壩間隔時間制定三種聯合塌壩方案，見表3。

3.3.2 泄流計算結果

利用梯級橡膠壩塌壩泄流計算程序計算，結果見表4。

4 最優塌壩方案

4.1 控制變量

梯級橡膠壩自上至下編號為1#、2#、3#.......n#，各級壩自身完全塌落時間依次為T1、T2、T3……Tn，對應的塌壩滯后時間為△T1、△T2、△T3…△Tn。塌壩滯后時間指相鄰兩級橡膠壩中上一級壩滯后于下一級壩的間隔時間。以橡膠壩的自身完全塌落時間Ti和其對應的塌壩滯后時間△Ti為控制變量。

表3 三級蓄水壩聯合塌壩方案設計

表4 不同塌壩方案泄流計算結果

4.2 約束條件

（1）橡膠壩自身塌壩時間應該大于等于其最小塌壩時間。

（2）每一級壩塌壩滯后時間應該小于等于下一級完全塌壩所需時間。

（3）橡膠壩自身完全塌落時間及其對應的塌壩滯后時間大于等于零。

（4）橡膠壩最大泄流量不能超過河道泄洪能力。

4.3 模型建立

以下泄流量最小為目標函數，以 T1、T2、T3、△T1、△T2、△T3為控制變量。T1、T2、T3為 1#、2#、3#自身完全塌壩時間。△T1、△T2、△T3為 1#、2#、3#滯后下一級壩塌壩時間。△T3始終為 0，為最下游一級蓄水壩。4個約束條件：

(1)約束條件 1：Ti≥Timin=1h;

(2)約束條件 2：△T1≤T1，△T2≤T2，△T3≤T3;

(3)約束條件 3:T1、T2、T3≥且△T1、△T2△T3≤0；

(4)約束條件 4：Q下泄≤1000 m3/s。

4.4 模型結果

模型優化計算結果見表5。

表5 渭河咸陽城區段三級壩不同塌壩方案計算結果表

4.5 方案確定

上述三種方案均滿足4個約束條件，方案2的最大下泄流量最小，且下游河段漫灘流量在1500 m3/s左右，塌壩下泄流量在河道全面清灘以后，對下游河段安全行洪影響較小，為本次推薦的聯合塌壩方案，具體如下：

(1)2#氣盾壩塌壩時間1 h、1#副壩1.5小時、3#氣盾壩1小時。2#氣盾壩先塌，間隔1 h后1#副壩開始塌壩，再間隔1.5 h后3#氣盾壩開始塌壩。三級聯合塌壩后2#氣盾壩斷面最大下泄流量692 m3/s。

(2)“咸陽湖”北槽2#橡膠壩、1#橡膠壩塌壩時間1.5 h，在南槽三級蓄水壩完全塌平后開始塌壩，塌壩后2#橡膠壩最大泄量628 m3/s。

5 結語

本文采用溢流堰過流能力計算公式和水量平衡原理來分析梯級壩之間的塌壩泄流過程。對渭河咸陽城區段三級五壩設計三種聯合塌壩方案，以塌壩時間和塌壩間隔時間為控制變量，以塌壩泄量最小為目標函數建立模型，尋求最優塌壩方案。在計算過程中，流量系數對下泄流量影響較大，下一步可以通過模型試驗對橡膠壩泄流過程進行模擬，研究流量系數等變化規律，對計算結果做進一步驗證。