淶源縣濱湖新區梯級橡膠壩塌壩泄流過程分析

耿建康

（河北省水利水電第二勘測設計研究院，石家莊050021）

自20世紀60年代世界上首座橡膠壩建成以來，因其經濟效益明顯、管理方便、景觀優美等優點，被廣泛應用于城市河道景觀建設中，在城區的河道中修建形成橡膠壩群，在發揮蓄水功效的同時，美化自然景觀，補給城市地下水，改善小范圍氣候，在一定程度上提升城市品位。 梯級橡膠壩的蓄水量大，北方地區缺水嚴重，洪水時間、空間分布不均，塌壩騰空庫容度汛會極易造成水資源的浪費。 在落實國家生態文明建設的大背景下，為更加合理的應用水資源，實現水資源利益最大化，塌壩泄流分析對制定汛期橡膠壩群聯合調度方案，而又不形成“人造洪峰”，具有重要指導意義。

1 基本情況

1.1 流域概況

拒馬河濱湖新區段石門橡膠壩上游主要有艾河溝、沿村溝等支流匯入，流域面積380km2。 河流水量季節性強，流域內降水主要集中在7、8月份，暴雨特征表現為現歷時短、強度大。

石門水文站（1956～1994年）等多年觀測資料，共發生流量超過200m3/s以上洪水共10次， 從歷場洪水來看，石門站出現洪峰時間一般在開始降雨后的30～90min內，拒馬河流域洪水屬典型的陡漲陡落型。

1.2 設計洪水

拒馬河濱湖新區治理段設計防洪標準20年一遇， 設計洪水根據石門站水文資料系列采用實測資料法分析計算，不同標準設計洪水成果如表1。

表1 拒馬河橡膠壩工程位置設計洪峰流量成果

1.3 橡膠壩概況

石門橡膠壩壩長118m， 壩高4.5m， 底板高程791.1m，設計蓄水位795.5m；泉坊橡膠壩壩長100m，壩高4.5m，底板高程796.2m，設計蓄水位800.5m。 橡膠壩塌壩均采用壩內水壓與下游水位落差自流坍壩方式，坍壩時間均為2h。 橡膠壩設計指標如表2。

表2 橡膠壩設計指標

2 梯級塌壩泄流計算原理

根據GB/T 50979—2014 《橡膠壩工程技術規范》，橡膠壩泄量能力可按堰流基本公式計算：

式中 Q為橡膠壩的下泄流量 （m3/s）；ε為堰流側收縮系數；σ為淹沒系數；m為流量系數；B溢流斷面的平均寬度（m）；h0計入行進流速水頭的堰頂水頭（m）；g為重力加速度（m/s2）。

計算采用逐時段演進法計算橡膠壩連續塌壩過程， 先確定橡膠壩塌壩時間和計算時段長等基本參數， 再從第一時段開始， 逐時段計算壩袋塌落后壩高、蓄水庫容、水深、堰上水頭、壩泄流量。

對于梯級橡膠壩，當上級橡膠壩泄流時，對下級橡膠壩泄流產生影響，使下級橡膠壩泄流量加大，由于兩級橡膠壩之間有一定距離， 上級橡膠壩的泄流到達下級橡膠壩需要一定時間， 上級橡膠壩的泄流量不能簡單地疊加到下級橡膠壩泄流量。 相鄰兩級橡膠壩泄流過程，采用水量平衡原理，可通過上級橡膠壩泄流后增加下級橡膠壩庫容的方法計算。計算公式如下：

3 調度方案及泄流計算

3.1 調度方案設計

根據橡膠壩上游典型洪水降雨、洪水歷時分析，結合橡膠壩的塌壩時間，考慮充分利用雨洪資源，兼顧縣城生態景觀蓄水的需求， 橡膠壩及下游河道承擔較小風險的情況下， 主要分析橡膠壩滿壩塌壩度汛和半壩塌壩兩種方案。 為保證橡膠壩的安全和避免發生洪水漫溢， 塌壩順序必須按自下而上進行操作，且上游壩塌壩時間不應早于下游壩。

根據不同塌平時間、 塌壩間隔時間制定聯合塌壩方案，如表3。

表3 梯級橡膠壩塌壩方案設計 單位：h

3.2 計算結果

根據構建的梯級橡膠壩泄流計算模型， 采用計算機程序進行計算， 梯級橡膠壩泄流過程及最大泄流量計算結果如圖1～圖5和表4。

圖1 方案1壩塌泄洪過程線

圖2 方案2壩塌泄洪過程線

圖3 方案3壩塌泄洪過程線

圖4 方案4壩塌泄洪過程線

圖5 方案5壩塌泄洪過程線

表4 梯級橡膠壩塌壩最大泄量計算結果

4 調度方案分析

根據橡膠壩計算結果，滿壩情況下，橡膠壩同時塌壩形成洪峰流量最大539m3/s， 其流量已超過10年一遇，稍與河道洪水遭遇極易人為造成較大洪峰，威脅下游河道和居民安全。半壩情況下，橡膠壩同時塌壩形成洪峰流量最大155m3/s， 半壩塌壩形成的流量也遠小于滿壩塌壩流量， 半壩塌壩時間與上游河道形成洪峰時間能錯開，為橡膠壩半壩運行提供條件。橡膠壩塌壩方案的最大泄流量及發生時間為制定橡膠壩調度運用方案提供依據。

5 結語

橡膠壩自問世60多年以來，隨著新材料的迭新，工程技術條件已經成熟， 與之對應的調度管理尤其是橡膠壩群的調度管理仍是當前急需補齊的短板之一。 通過逐時段演進法和水量平衡原理進行梯級橡膠壩塌壩泄流計算， 能較為準確地推算梯級橡膠壩的塌壩泄流過程和相應的最大泄流量， 指導橡膠壩工程的設計和梯級橡膠壩調度運用方案的編制。 橡膠壩上游的雨情和洪水預報系統對調度方案制定具有重要影響，只有該系統建立完善并妥善運用之后，橡膠壩度汛調度與雨洪資源利用、生態恢復、景觀蓄水等之間的矛盾才能更好的解決， 建議待洪水預報系統建立，積累一定的調度經驗后，進一步細化研究橡膠壩調度方案。