橡膠壩流量測驗中的問題及對策

李志爭

（龍門景區伊河管理站）

0 引言

自20世紀50年代初開始，高分子合成材料的橡膠壩開始應用于水利、水文及環境保護行業。發展初期，許多國家和地區對橡膠壩進行了系統性的研究和探討。美國、英國以及前蘇聯均對橡膠壩的水力特性、材料特性、溢流壩體震動以及溢流量計算等方面進行了深入研究并取得了豐富的成果。近年來，中國社會經濟快速騰飛，城市生態環境問題極為突出。為改善城市生態環境和宜居環境，橡膠壩被廣泛應用于城市河道治理、城市發展規劃、水力發電、灌溉、防洪抗旱等方面。然而大量的橡膠壩攔河而建，其改變了河道原有的水力特性，使得河道的水位和流量等水文要素失去了代表性。這對水文測驗，尤其是流量測驗產生了很大的影響，使得流量測次大幅增加且難以精準控制水位流量變化轉折處，使得常規測驗方法難以開展。

1 國內研究

格雷斯對中國橡膠壩的大量實驗研究，可改進橡膠壩技術，使其適應不斷變化的氣候條件和復雜的地區條件。在膠袋形狀方面，周松康提出，充水膠袋的幾何形狀是由循環曲線和可變曲線組合而形成的，并給出了曲線的基本計算公式。橡膠壩包的設計和安裝形式可以通過查閱橡膠壩的技術說明來得到。由于運行中的橡膠壩變形大，為了保證壩包的安全，實用工程中不需要崩塌，形成了壩破裂等一些嚴重問題。對不同荷載下橡膠壩荷載的成品進行了分析，關于橡膠的滲流特性，袁世敏進行了實驗研究，并得到與此相關的上游和下游橡膠排放規律。關于橡膠壩的流量系數，陳魯伊也進行了一些實驗研究。陳瑞研究了可能影響橡膠壩流量系數的一些主要因素，得到了填滿單錨水的橡膠壩流量系數與各影響因素的關系。

2 橡膠壩對流量測驗的影響

2.1 對中低水流量測驗的影響

枯水和平水期，上游來水量較小，當橡膠壩的壩袋處于充漲狀態時，在橡膠壩上游形成面積較大的水域，即小型人工湖泊或水庫。受橡膠壩影響，水位壅高，形成的回水淹沒流量測驗斷面。而橡膠壩頂部泄流量不大，從而在其上游流量測驗斷面處形成高水位低流速、甚至無流速的現象。這對流量測驗極為不利，流速很小時，流速儀無法測出流速。

當橡膠壩蓄水完成，壩頂開始溢流時，河道水力特性發生變化，由無流速變化為有流速，由于水流具有連續性，很難找到合適恰當的時機施測到臨界狀態。

當橡膠壩突然落壩時，大量水流下泄，水位快速下降，流速陡然增大，使得很難掌握到流量測驗時機，同時也難準確地施測到最大流量及最大流速，最終難以準確推算出過水量。

2.2 橡膠壩對洪水期的影響

洪水期間，根據防洪調度，加快洪水下泄速度，橡膠壩一般處于坍塌狀態。坍壩后的橡膠壩與河底幾乎相平，其壩體對洪水下泄影響不大。而橡膠壩附件如錨固墻壁等對水流形成一定的約束，使橡膠壩處的流速增大，水流對橡膠壩的沖刷力增大，加劇了橡膠壩的磨損。

2.3 橡膠壩特性對水流的影響

由于橡膠壩完全充漲時，其頂部可以漫溢水流，水力特性與實用型溢流堰非常相似。水流通過橡膠壩頂部時，其水舌受到橡膠壩的約束和頂托，水舌形狀與橡膠壩擬合的很好，水面線光滑連續過渡。由于橡膠壩壩體柔韌且水流中泓部位流速大，因此橡膠壩呈現變形，中間扭曲程度比兩端大。水舌在橡膠壩前形成交涉衍行，水流紊亂。隨著上游來水變化，橡膠壩承受的水壓和壩體內水壓不斷變化，橡膠壩形態也隨之而變化，這對橡膠壩泄流、下游流量測驗以及堰流參數率定造成不利影響。

由于橡膠壩材質相對比較柔韌，在水流的沖擊下，橡膠壩的壩體產生振動，從而對橡膠壩產生不利影響，同時使得過壩水流不穩定，不利于流量測驗。

3 消除影響措施

3.1 遷移測驗斷面

在橡膠壩充漲狀態下，橡膠壩上游開始蓄水，在上游形成小型湖泊或水庫。當回水淹沒測驗斷面，在測驗斷面形成高水位低流速、甚至水位上漲而無流速。根據情況可以在橡膠壩上、下游勘測滿足流量測驗要求的斷面。根據規范要求，流量測驗斷面可以向上游遷址于回水影響以外且有足夠順直長度的河段，也可以向下游遷移于橡膠壩泄流消能影響以外、水流平穩且有足夠順直長度的河段。在勘選流量測驗斷面時，應避開死水區、回水回流區，并且勘選斷面與原測驗斷面之間無支流加入，保證現有測驗條件下的流量測驗精度。該方案雖然完全擺脫了橡膠壩的影響，但遷移斷面需要新建設施、配備設備，投資量大。

3.2 改變測驗整編方法

橡膠壩蓄水時，在上游形成湖泊或水庫，可根據其河槽蓄水變量推求水量。在橡膠壩上游的庫區設置壩上水尺，觀測橡膠壩庫區水位。測繪橡膠壩上游河道地形，建立水位～蓄水量關系曲線。橡膠壩充漲蓄水期間，準確記錄開始蓄水時間和開始溢流或坍壩放水結束時間。由開始蓄水至溢流或放水期間水位變化情況，推求出蓄水變量，從而計算出該時段內水量變化及平均流量。這種方案雖能推求出水量，但無法反映出流量變化的真實情況，更無法推求出該段時間內的流量極值，且建立水位～蓄水量關系較為困難。

3.3 采用多點法測速

橡膠壩蓄水期間，上游水位不斷抬升，水面比降逐漸減小至0。流量測驗斷面水面變寬、面積增大，各測速垂線的流速很小，各垂線流速分布不再遵循拋物線或指數型分布。此種情況下，上層部分水體有流速，而下層某測點以下流速已經為0，若采用常規測流方法（如水面一點法或0.60一點法）難以得到精確的資料。為保證流量測驗精度，應采用五點法甚至十一點法，測驗出斷面流速分布，并采用相應公式計算出垂線平均流速，進而計算出測驗斷面的流量。該方案能夠得到測驗斷面處的實際流量過程，提高了流量測驗精度，但是測驗工作量大，耗時長。

3.4 精準把握測流時機

橡膠壩蓄水期間至蓄滿期間，由于流速較小，施測不方便，在此期間不再施測流量。當橡膠壩開始溢流或者坍壩放水時，及時布設流量測次，并在允許誤差范圍內使用短歷時測驗出臨界狀態下的流量。該方案能夠客觀反映出天然徑流過程，但要求密切關注橡膠壩變動情況、蓄水、溢流及坍壩放水時刻，隨時出動，做到精準把握測流時機。

3.5 利用橡膠壩測流

橡膠壩屬于低水頭攔水建筑物。橡膠壩充漲時，其形態類似于實用性溢流堰。而坍壩運行時，橡膠壩幾乎與河底平行，仍有阻水作用，其特性與寬頂堰相似。因此在橡膠壩溢流或坍壩期間，可以將橡膠壩作為實用堰或寬頂堰使用，從而推求出流量變化過程。在橡膠壩上游水流平順區設立壩上水尺，觀測壩上水位，計算壩上水頭。在橡膠壩下游設立壩下測流斷面，在壩下測流斷面施測流量。通過觀測橡膠壩形態變化，通過多次試驗建立壩上水頭與橡膠壩泄流量之間的關系，率定出橡膠壩泄流時的流量系數或建立橡膠壩溢流模型。利用橡膠壩流量系數、壩上水頭、橡膠壩運行形態推求出過壩流量。目前該方案已經有了大量的研究成果，有多種經驗公式可供借鑒。該方案大大減少了后期的流量測驗工作量，并且能夠準確推求出橡膠壩過壩流量，但是其前期工作量大，需要多次試驗以建立橡膠壩不同狀態下的關系模型。

3.6 加強與橡膠壩管理單位的聯系

橡膠壩管理與水文測驗分屬不同部門，流量測驗往往由于無法準確掌握橡膠壩狀態變動情況而錯過測流最佳時機。因此要加強與橡膠壩管理部門的聯系，及時掌握橡膠壩狀態變動情況，作出科學判斷，及時合理布設流量測次，準確控制住流量變化過程。

4 結語

綜上所述，橡膠壩已經成為河道治理、水力發電、灌溉等方面的重要攔水物。橡膠壩的建立改變了河道特性，對流量測驗影響極大。在流量測驗中，應根據不同情況，掌握橡膠壩、水位變動情況，通過深入研究分析并及時改變測驗整編方法，以保證流量測驗精度。