浅谈本溪市平山区细河北台段拦河坝工程坝型的选择

2016-06-29林治鑫本溪市水利电力勘测设计研究院

河南水利与南水北调 2016年4期

□林治鑫（本溪市水利电力勘测设计研究院）

□林治鑫（本溪市水利电力勘测设计研究院）

摘要：本溪市平山区细河北台段，属于山区型河流。山区性河流，流域面积小，土壤被覆薄、地势起伏大，河道坡降陡，河槽调蓄能力小，故急骤强烈的暴雨形成陡涨陡落的洪水。针对本溪市平山区细河北台段拦河坝工程水文条件，初步设计阶段通过对翻板闸、橡胶坝和混凝土实用堰坝型方案进行壅水高度、经济投资和运行管理方面的对比分析，综合比较了三种坝型方案的建设条件与经济及技术上的优缺点，最终选择橡胶坝坝型。

关键词：壅水高度；经济投资；运行管理；拦河坝

1　工程概况

本溪市平山区细河北台段拦河坝工程，拦河坝长204.40 m，泄流净宽192.00 m。拦河坝底板高程为111.20 m。拦河坝正常蓄水位为113.70 m，挡水高度为2.50 m。工程规模为小（二）型。拦河坝工程建筑物级别为5级，次要建筑物级别为5级，临时性水工建筑物级别为5级。设计洪水标准为10 a一遇，洪峰流量为1700 m3/s。校核洪水标准为20 a一遇，洪峰流量为2520 m3/s。

2　工程水文条件

辽宁省本溪市地处辽东山区，地形地貌特征显著，群山起伏，沟壑纵横，山高谷狭，属于典型的山区型城市。本溪地区河流密布，有大小河流近200条，其中流域面积＞100 km2的有19条，这些河流分属于太子河、浑江和草河三大水系。

山区性河流，流域面积小，土壤被覆薄，地势起伏大，河道坡降陡，河槽调蓄能力小，故急骤强烈的暴雨形成陡涨陡落的洪水。由于一次天气过程造成的暴雨历时较短，而且主要集中在1d时间内，致使较大洪水呈单峰型。一次洪水历时一般3 d左右，涨落历时短，从起涨到峰顶一般1 d左右，洪峰滞时约6 h，退水历时较长，一次洪水总量多集中在24 h内。

3　坝型选择

近年来，本溪市由于灌溉、引调水以及景观的需要，在全市建设了很多拦河坝。拦河坝的坝型主要有翻板闸、橡胶坝和混凝土实用堰。

翻板闸是活动坝，是利用翻板闸门挡水的拦河建筑物，翻板闸利用水力和闸门重量相互制衡，通过增设阻尼反馈系统来达到调控水位的目的：当上游水位升高则闸门绕“横轴”逐渐开启泄流；反之，上游水位下降则闸门逐渐回关蓄水，使上游水位始终保持在设计要求的范围内。

橡胶坝也是活动坝，用胶布按设计要求尺寸，锚固于底板上成封闭状，用水（气）冲胀形成的袋式挡水坝。橡胶坝的高度可调节，坝顶可溢流起活动坝和溢流坝的作用。橡胶坝坝袋内水泄空后，紧贴在底板上，不缩小原有河床的过水断面。橡胶坝坍坝时基本不阻水。

混凝土实用堰主要指坝高较低的实用堰。用混凝土挡水，坝高不能降低，是死坝。

根据3种坝型的各自特点，主要从壅水高度、经济投资、运行管理等3个方面来进行比较选择坝型。

3.1壅水高度

3.1.1翻板闸

翻板闸过流时起调水位为翻板闸的正常蓄水位，翻板闸在水位超过正常蓄水位0.20 m时开始倾斜泄流，随着洪峰流量的增加，翻板闸逐渐翻到泄洪。翻板闸的底板是宽顶堰，过流状态与宽顶堰相似，但是由于有支墩和翻板闸门的影响，过流能力比完全按底板宽顶堰计算要小。其过流量通过大量水工模型试验与原型工程实践，翻板闸的过流公式一般采用翻板闸生产厂家提供经验公式：

式中，Q—翻板坝泄流量；n—翻板闸扇数（翻板闸8 m宽一扇，共24扇）；σ—淹没系数，hs/H0＜0.70，σ=1.00；ε—侧收缩系数，按《水闸设计规范》SL265—2001，=0.70，ε=0.95；ψ—行进流态影响系数，按生产厂家提供的附表；W—行进流速折减系数，经验公式计算：

Q单—生产厂家提供试验单扇闸门泄流量取值。

表1　各种坝型水位比较表

从表1可以看出，翻板闸泄流时翻板闸闸顶水位超过正常蓄水位0.24 m时翻板闸开始翻转，并且有一个小流量级别的反复过程，过了小流量级别后，随着流量的增大水位和流量成线性关系。

3.1.2橡胶坝

3.1.2.1橡胶坝溢流能力计算

为防止橡胶坝袋在共振区运行，根据规范坝上溢流水深控制在0.30 m，坝上水深超过0.50 m时，需坍坝泄洪，依据《橡胶坝技术规范》，在正常蓄水位坝高时的泄流量按下列公式计算：

式中：Q—过坝流量，m3/s；δ—淹没系数，δ=1.00；ε—淹流侧收缩系数，ε=1.00；B—泄流坝宽，B=192.00 m；h0—计入行近流速的堰顶水头。

流量系数m：

式中：H0—坝袋内压水头；H—运行时坝袋充胀的实际坝高；h1—坝上游水深，3.00 m；h2—坝下游水深，0.00 m。

经计算，m=0.41，最大溢流量86.28 m3/s。

3.1.2.2橡胶坝泄流能力计算

当坝上水深超过0.50 m时，橡胶坝坍坝开始泄洪，视作宽顶堰，泄流的起调水位为111.20 m，泄流量按下列公式计算：

公式同上，但m取0.35。

从表1可以看出，橡胶坝在过流时最低水位为拦河坝的底板高程111.20 m，水位随着流量的增大与流量成线性关系。3.1.3混凝土实用堰

混凝土实用堰过流状态为实用堰过流，泄流量按下列公式计算，起调水位为拦河坝的正常蓄水位113.70 m：

m取0.39。

式中：Q—过坝流量，m3/s；δ—淹没系数，δ=1.00；ε—淹流侧收缩系数，ε=1.00；B—泄流坝宽，B=192.00 m；h0—计入行近流速的堰顶水头。

表2　各种坝型水位流量关系曲线表

从表2可以看出，混凝土实用堰过流时最低水位为拦河坝的正常蓄水位113.70 m，水位随着流量的增大与流量成线性关系。

图1　各种坝型水位流量关系曲线

从图1可以看出，翻板闸和橡胶坝的水位流量关系曲线比较接近，橡胶坝的略低。翻板闸和橡胶坝的壅水高度差不多，但是从两个坝型的水位流量关系曲线上看，翻板闸在流量小时水位比较高，因为翻板闸的起调水位为拦河坝的正常蓄水位，橡胶坝在洪水来之前是坍坝运行，橡胶坝的起调水位为拦河坝的底板高程，故橡胶坝在流量小时，水位比翻板闸低。因为混凝土实用堰是死坝，不能降低坝高，计算洪水位时从拦河坝的正常蓄水位开始计算洪水位。故混凝土实用堰的坝型壅水高度最大。

3.2经济投资

翻板闸由底板和挡水闸板组成，均为混凝土结构。由于挡水闸板为预支混凝土结构，在施工底板时应预留坑洞来安装挡水闸板，翻板闸的底板相对比较厚。

橡胶坝由底板和挡水橡胶坝顶组成，橡胶坝袋锚固在底板上，底板厚度按结构设计厚度。

混凝土实用堰为混凝土整体结构，结构简单。

从经济投资看，混凝土实用堰投资最低，橡胶坝和翻板闸差不多，橡胶坝费用略低于翻板坝，但橡胶坝后期运行管理维修费用高，要增加泵房机电设备，从长期运行看，橡胶坝要比翻板坝高。

3.3运行管理

从运行管理上看，翻板坝它会随水位抬高自动开启泄流，很少需要人为操作，运用简单，管理方便，缺点一：蓄水水位人为控制较难，翻板门开启、闭合时有不一致现象；缺点二：翻板闸易被漂浮物卡塞或上游泥沙淤积，造成不能自动翻版而影响防洪安全；缺点三是洪水过后，翻板门再关上时，底部被沙石卡住，造成大量漏水。本溪市河流的泥沙含量比较大，更容易造成洪水过后，翻板闸无法关上挡水，不能蓄水。

橡胶坝的优点是蓄水水位可受人为控制，不阻水；缺点是在洪水期运用时需提前塌坝运行；运行时还需增加泵房、机电设备等；运行中遇尖锐物坝袋易破损；修补时需放空水库或修筑临时围堰；增加运行成本。

混凝土实用堰不存在上述问题，但是，混凝土实用堰是死坝，不能降低坝高，运行一段时间后，拦河坝上游淤积了大量的泥沙，拦河坝上游的河床整体抬高，改变了河势，增加了河道的防洪压力。