多目標橡膠壩改造策略與方法

張 媛，漆文邦，譚明卓，俞增鑫，唐培根

(四川大學水利水電學院，四川 成都 610065)

1 引言

某閘壩位于某江干流，流域內多年平均氣溫為16.3℃，極端最高氣溫38.3℃，極端最低氣溫-5.9℃。最熱月平均溫度37.3℃，最冷月平均溫度為-4.6℃，年平均相對濕度83%。閘址位于某橋下游約70 m處，河道平均比降1.4‰。河道整體流向由北向南，平均河寬75 m～80 m。閘址處集雨面積505 km2。橡膠壩樞紐建于1996年，包括橡膠壩、船閘、壩袋給水系統(tǒng)、管理用房、輸配電系統(tǒng)、進站道路等，橡膠壩和船閘為其主體建筑。主體建筑物為2級建筑物，次要建筑物為3級建筑物，航道等級為Ⅶ級，主要功能為使上游河道保持景觀水面、水系連通、通航等。橡膠壩建成后為解決中心城區(qū)環(huán)境用水調配，營造水城相依、水綠相依的城市景觀起到了積極作用，帶動了河道兩岸城市建設的發(fā)展。

原橡膠壩為單壩袋充水橡膠壩，因橡膠壩建成已久，頻繁升降致使壩袋表面存在不同程度的磨損和老化，安全性下降。為避免壩袋頻繁起落，原設計允許壩頂在一定水深范圍內溢流，根據(jù)省內多數(shù)橡膠壩實際運行經(jīng)驗可以控制在0.3 m以內。由于橡膠壩自身調節(jié)能力很小[1]，除此之外來水溢壩雖形成一道景觀，但也產生了許多噪音，所以為了工程的安全性、噪音以及調節(jié)范圍等問題，對該橡膠壩進行改造。本文改造涉及多個目標，故要運用數(shù)學方法保證改造有序完成。

2 工程需求分析

1)壩型選擇

小水電站擋水壩建設最初采用混凝土壩，但其建設施工成本高、周期長、泄洪能力差，所以處于逐步被淘汰的狀態(tài)。后來逐步發(fā)展為水泥翻板閘、鋼壩閘、橡膠壩、氣盾壩等，壩體建設技術不斷進步。

鋼閘門、橡膠壩與氣盾壩彼此各有特點，如鋼壩閘建造成本高；翻板閘門在長時間運行后由于泥沙堆積和漂浮物卡掛造成閘門關閉不嚴、開啟困難和泄洪能力差；橡膠壩存在使用壽命短、安全性、景觀效果差等問題[2]。通過比較，氣盾壩兼顧了傳統(tǒng)鋼閘門、橡膠壩和翻板閘的優(yōu)點，氣盾壩成本低、結構簡單、施工安裝工期短，運行安全可靠、可控并且排污、排淤能力更強，適應范圍更廣，所以氣盾壩是性價比最優(yōu)的壩型[3]，故本工程壩型選擇氣盾壩。

2)目標分析

橡膠壩改造需達成多個目標，在滿足防洪的前提下，達到水景觀、水系連通、市政設施精細化管理、降噪及通航水位銜接的要求。簡而言之，即在白天保留原有的美麗、壯觀的瀑布景觀下，減小夜晚過流噪音，同時滿足河道生態(tài)流量過流。常見的噪聲治理思路有源頭控制、傳播路徑控制、受聲點防護3種[4]，分析該工程的特殊性后，采用傳播路徑控制的方法來減小噪音最佳，即可設計一個涵洞夜晚過流減小噪音，白天則采用壩頂溢流來保證生態(tài)流量。由于選擇氣盾壩壩型后，氣盾壩啟閉時，只存在半開、全開等狀態(tài)，為發(fā)揮該氣盾壩型的優(yōu)點，更需要全面思考，優(yōu)化設計，怎樣減少整個壩面的升降次數(shù)來延長氣盾壩的使用壽命。例如可設計主副壩的形式，使氣盾壩達到連續(xù)調節(jié)，增大調節(jié)能力。涵洞和副壩的設計會增加閘墩的設計，因此都會使河道凈寬減小，所以要滿足校核流量來臨時，不發(fā)生漫堤危險。綜上所述，為了達到該改造工程的每個目標，將尋求一種數(shù)學方法進行分析求解。

3 理論方法分析

整個橡膠壩改造工程涉及多個目標，為使各目標相對的“最優(yōu)”，采用多目標決策-分層序列法對該工程進行改造設計分析[5]。

多目標分層序列法：由于同時處理m個目標比較麻煩，故可采用分層法。分層法的思想是把目標按其重要性給出一個序列，分為最重要目標、次要目標等。設給出的重要性序列為：

f1(x)、f2(x)，…，fm(x)

首先對第一個序列求最優(yōu)，并找出所有最優(yōu)解的集合R0，然后在R0中求下一個目標的最優(yōu)解，記這時的最優(yōu)解集合為R1，如此等等一直求出第m個目標的最優(yōu)解X0，其模型如下：

f1(x0)=maxRf1(x)x∈R0

f2(x0)=maxR0f2(x)x∈R1

……

fm(x0)=maxRm-2f1(x)x∈Rm-1

4 方法計算

采用分層序列法分析：按照目標的優(yōu)先級排序。

目標1：凈寬滿足校核流量過流要求。

目標2：降低夜晚噪音的同時保證生態(tài)流量過流。

目標3：優(yōu)化整個設計，使氣盾壩增大調節(jié)能力的同時達到連續(xù)調節(jié)的目的。

首先確定問題中三個變量，副壩個數(shù)X1，暗涵寬度為X2，副壩寬度X3。

1)第一個目標：河道凈寬滿足校核流量過流要求，由于副壩個數(shù)增加，副壩閘墩就增加，所以副壩個數(shù)影響河道凈寬大小，因此首先確定副壩個數(shù)X1。

約束1：總凈寬下泄流量需滿足當校核流量來臨時，不會產生漫堤；(校核流量下泄時，氣盾壩下塌泄水，所以采用寬頂堰公式計算)

流量計算公式采用寬頂堰公式計算：

式中：Q為流量m3/s；B為堰頂過水凈寬m；h0為包括流速水頭在內的堰前總水頭m；m為流量系數(shù)；σ為淹沒系數(shù)σ≤1；ε為側收縮系數(shù)，ε≤1。

校核流量Q=1315 m3/s，同樣試算出B最小為69.3 m，故B≥69.3，原河道總凈寬72.3 m，副壩與涵洞閘墩寬均設計為1 m。

故72.3-1-X1×1≥69.3，得X1≤2。

約束2：副壩個數(shù)大于0，但要滿足美觀副壩個數(shù)不能超過四段。

1≤X1≤4，X2為整數(shù)。

綜上1≤X1≤2。

2)第二個目標：確定涵洞寬度X2，使暗涵寬度夜晚下泄的流量大于生態(tài)流量。本工程平均生態(tài)流量為50 m3/s，考慮到波動值，為保證最大生態(tài)流量將額度定為70 m3/s。

涵洞流量計算公式采用寬頂堰公式計算：

約束1：Q≥70

約束2：X2>0

計算出暗涵寬度為X2≥5 m(近似為整數(shù))。

3)第三個目標：設計副壩寬度X3，優(yōu)化氣盾壩調度。氣盾壩高3.7 m，副壩半開的流量與壩頂30 cm溢流的流量和不能大于涵洞平板閘門全開時下泄的流量，才能保證連續(xù)調節(jié)。氣盾壩不開和半開時采用薄壁堰公式計算，氣盾壩全開時采用寬頂堰公式計算。

薄壁堰計算公式中，用側收縮時流量系數(shù)用板谷-手島公式計算：

式中：H為堰頂水頭；P為上游堰高；B為堰寬；B0為引水渠寬。

寬頂堰計算公式中：

式中：H為堰頂水頭m；P1為上游堰高m。

式中：Q1為一個副壩段不開時頂端溢流30 cm流量；Q2為一個副壩段半開時下泄流量；Q3為一個副壩段全開時下泄流量。

約束1：X3>0

約束2：Q2-Q1=ΔQ1≤70

約束3：Q3-Q2=ΔQ2≤70

為了施工方便，副壩寬度取整數(shù)，試算出當X3≤9 m時，可滿足條件。

當X3=9時，Q1=7.09 m3/s，Q2=44.11 m3/s，Q3=111.82 m3/s。

因為X3越小，一個副壩調節(jié)范圍就越小，故取X3=9。

綜上所述：為使橡膠壩改造達成多個目標，并使設計最優(yōu)，該閘壩設計如下，選擇氣盾壩壩型，設計一個涵洞寬5 m，布置兩個副壩段，每個副壩寬9 m，主壩寬46.3 m，可實現(xiàn)連續(xù)調節(jié)范圍為0 m3/s～256 m3/s。

5 氣盾壩運行方案

表1 閘壩運行方案

6 結論

通過多目標分層序列法對橡膠壩改造工程進行分析，實現(xiàn)多個目標的最優(yōu)解。最終橡膠壩的改造設計方案為布置一個5 m寬的暗涵，布置兩個寬9 m的副壩，主壩寬46.3 m，實現(xiàn)連續(xù)調度0 m3/s～256 m3/s。本文的方法分析有序且最優(yōu)地解決了橡膠壩改造時面臨的各個問題，可為以后在閘壩工程改造方面上提供參考。