(沈陽(yáng)翼潤(rùn)水利工程有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110161)

渾河起源于長(zhǎng)白山滾馬嶺支脈，流經(jīng)撫順、沈陽(yáng)，在三岔河處與太子河匯合，最終匯入大遼河。全長(zhǎng)約415km，其控制流域面積為11481km2。隨著沈陽(yáng)市經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展和渾南開(kāi)發(fā)區(qū)的建設(shè)，渾河作為與城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)緊密結(jié)合的內(nèi)河，逐漸成為了沈陽(yáng)市城市防洪與景觀生態(tài)環(huán)境的重點(diǎn)。近年來(lái)，沈陽(yáng)市政府逐年加大沈陽(yáng)城市段渾河的建設(shè)力度，以保證充分發(fā)揮渾河的綜合效益。然而，渾河沈陽(yáng)城市段在灌溉期存在水資源調(diào)配不足，且與景觀生態(tài)發(fā)生用水沖突的問(wèn)題。對(duì)工程實(shí)施改造可有效緩解現(xiàn)有矛盾，因此砂山橡膠壩工程擬采取壩調(diào)節(jié)閘聯(lián)合泄流方案實(shí)施工程改造，以解決水量供需矛盾。

1 現(xiàn)狀工程概況

1.1 現(xiàn)狀工程基本情況

砂山橡膠壩工程于1994年修建完成，工程防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，設(shè)計(jì)流量為3569m3/s。現(xiàn)狀砂山橡膠壩為4孔充水式橡膠壩，每孔凈寬為82.0m，孔間設(shè)3座寬0.8m的中墩，全長(zhǎng)330.4m，壩高2.5m，其中壩底和壩頂高程分別為34.5m和37.0m。下圖為砂山壩地理位置示意圖。

砂山壩地理位置示意圖

1.2 存在的主要問(wèn)題

運(yùn)行監(jiān)測(cè)顯示，蓄水期砂山橡膠壩充壩運(yùn)行時(shí)，橡膠壩安全泄流能力為95.7m3/s，而渾河灌溉期最大需水量則為400m3/s，其實(shí)際泄流能力遠(yuǎn)小于實(shí)際蓄水量。此外，作為景觀河流，該工程需要同時(shí)滿足汛前景觀蓄水要求，而這與灌溉泄流要求產(chǎn)生沖突。鑒于此，目前該工程采用單孔頻繁起落的方法來(lái)調(diào)控流量。計(jì)算結(jié)果表明：橡膠壩充氣況態(tài)下，壩頂溢流水深為30cm時(shí)，泄流能力僅為95.7m3/s；而當(dāng)橡膠壩1孔不充氣時(shí)，泄流量則達(dá)到718.0m3/s。由此可以看出，該工程對(duì)流量調(diào)節(jié)的跨度較大，難以同時(shí)保證灌溉泄流與景觀蓄水的要求。除此之外，為調(diào)節(jié)流量和水位需求，須頻繁地進(jìn)行充壩與塌壩操作，這勢(shì)必會(huì)增加橡膠壩的工作強(qiáng)度，進(jìn)而降低其使用壽命，最終產(chǎn)生安全隱患。

2 橡膠壩改造工程

2.1 調(diào)節(jié)閘工程

通過(guò)多方案比選，砂山壩工程擬采用調(diào)節(jié)閘聯(lián)合橡膠壩方案進(jìn)行泄流能力調(diào)控改造。擬建調(diào)節(jié)閘工程布置于現(xiàn)狀砂山橡膠壩左岸，占用左岸灘地，接續(xù)橡膠壩左邊墩修建，原橡膠壩過(guò)流斷面由328m縮短至308m。調(diào)節(jié)閘建成后可以通過(guò)自身的過(guò)閘流量補(bǔ)充橡膠壩溢流過(guò)壩流量的不足部分，加大砂山壩調(diào)節(jié)能力，使之能夠滿足汛前景觀蓄水與灌溉泄流要求。同時(shí)，調(diào)節(jié)閘的建設(shè)使得橡膠壩在汛前灌溉期持續(xù)保持充壩狀態(tài)，避免因?yàn)榱髁坎蛔慊蜻^(guò)大而頻繁充壩塌壩的操作，減小橡膠壩的使用強(qiáng)度，提高其使用壽命。調(diào)節(jié)閘建成后將參與汛期行洪，增大該控制斷面綜合泄洪能力，提高汛期兩岸的防洪安全。砂山壩調(diào)節(jié)閘的建設(shè)，對(duì)于渾河沈陽(yáng)段城市防洪與聯(lián)合控制運(yùn)用具有重要意義，砂山壩調(diào)節(jié)閘工程的建設(shè)是非常必要的。

2.2 調(diào)節(jié)閘工程布置

為降低上部結(jié)構(gòu)高度，擬建調(diào)節(jié)閘閘室采用平底寬頂堰胸墻式，閘底板高程33.5m，低于現(xiàn)狀橡膠壩底板1.0m。閘室上游前端設(shè)鋼筋混凝土防滲鋪蓋。鋪蓋長(zhǎng)10.0m,厚0.8m，鋪蓋上下游均設(shè)置齒墻。防滲鋪蓋前端設(shè)置12.0m長(zhǎng)護(hù)底。護(hù)底為鋼筋混凝土格框砌石結(jié)構(gòu)，厚0.6m。閘底板頂高程33.5m，順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)12.0m，厚1.2m。底板上下游均設(shè)置齒墻，齒墻深0.8m。閘墩頂高程40.74m，與100年一遇校核洪水位齊平。

水閘共分3孔，單孔凈寬7.0m，總凈寬21.0m。中墩厚1.50m(2座)，邊墩厚1.25m(2座)，閘室總寬26.5m。胸墻底高程36.2m，底角半徑0.7m；胸墻頂高程40.74m，與閘墩頂高程一致，胸墻厚0.5m。工作橋頂高程40.74m，寬5.9m，板梁式結(jié)構(gòu)。上游檢修橋布置于工作橋上游，寬1.45m。下游檢修橋布置于高程36.9m檢修平臺(tái)處，寬2.1m。排架柱為工作橋下游側(cè)橋面段支撐平臺(tái)，底部與閘墩固接，斷面尺寸0.5m×0.5m。

閘室下游布置消力池，消力池底板與閘室底板用斜坡連接，斜坡段長(zhǎng)8.0m，坡比為1∶4，消力池水平段長(zhǎng)17.0m，深1.0m，底板厚1.0m。

3 砂山橡膠壩改造工程溢流能力分析

本節(jié)將分別對(duì)現(xiàn)狀橡膠壩凈寬328.0m及工程改造后橡膠壩凈寬308.0m充起時(shí)最大過(guò)流量進(jìn)行分析。

根據(jù)《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》(SL227—1998)，橡膠壩充起時(shí)過(guò)流量按下列公式計(jì)算：

(1)

式中Q——過(guò)壩流量，m3/s；

B——溢流斷面的平均寬度，m；

h0——計(jì)入行進(jìn)流速水頭的堰頂水頭，m；

m——流量系數(shù)，本文取為0.40；

δ——淹沒(méi)系數(shù)，本文取1.0；

ε——堰流側(cè)收縮系數(shù)，本文取1.0。

此外，本文采用下列公式計(jì)算雙錨固充水橡膠壩的流量系數(shù)m：

(2)

(3)

式中H0——壩袋內(nèi)壓水頭,m；

H——運(yùn)行時(shí)壩袋充脹的實(shí)際壩高,m；

H1——設(shè)計(jì)壩高,m；

h1——壩上游水深,m；

h2——壩下游水深,m。

將橡膠壩體型參數(shù)及式(2)帶入式(1)求解，得出橡膠壩壩頂溢流時(shí)水位流量關(guān)系計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表1。

計(jì)算結(jié)果表明，隨著壩頂水頭的增加，橡膠壩泄流量逐漸加大，當(dāng)壩頂水頭達(dá)到0.3m時(shí)，泄流能力達(dá)到最大。此時(shí)，現(xiàn)狀橡膠壩(凈寬328.0m)最大過(guò)流量為95.68m3/s，而改造后橡膠壩(凈寬308.0m)最大過(guò)流量則僅為89.87m3/s，相差5.81m3/s。

根據(jù)工程需要，砂山壩調(diào)節(jié)閘改造工程汛前灌溉期壩址處設(shè)計(jì)泄流量為400m3/s，也就是說(shuō)，調(diào)節(jié)閘設(shè)計(jì)過(guò)閘流量和橡膠壩壩頂溢流0.3m時(shí)，最大過(guò)流量總和應(yīng)達(dá)到400m3/s。根據(jù)上文計(jì)算可知，改造工程后，橡膠壩最大過(guò)流量為89.87m3/s，調(diào)節(jié)閘設(shè)計(jì)過(guò)閘流量應(yīng)達(dá)到310.13m3/s才能滿足設(shè)計(jì)要求。因此，下文將以此為設(shè)計(jì)目標(biāo)開(kāi)展調(diào)節(jié)閘泄流能力復(fù)核研究。

此外，為保證橡膠壩充壩時(shí)能夠安全運(yùn)行，應(yīng)嚴(yán)格避免壩袋發(fā)生較強(qiáng)振動(dòng)。一旦壩頂溢流壩袋發(fā)生較強(qiáng)振動(dòng)，盡快調(diào)整壩高，使壩袋避開(kāi)共振區(qū)。同時(shí)，充水時(shí)應(yīng)先充左右岸壩袋，再充中間壩袋；放空坍平壩袋時(shí)，所有壩袋應(yīng)同時(shí)放空。因冰凍易使運(yùn)行中的橡膠壩損壞，沈陽(yáng)市地處寒冷地區(qū)，冬季充壩擋水時(shí)，不應(yīng)調(diào)節(jié)壩高，以保證不破壞壩袋而安全運(yùn)行，在臨水面采取防凍破冰措施。注意對(duì)壩袋的保護(hù)，避免人為損壞。

4 新建調(diào)節(jié)閘泄流能力復(fù)核

砂山壩調(diào)節(jié)閘泄流能力復(fù)核分為兩部分：?汛前灌溉期泄流能力復(fù)核計(jì)算；?汛期發(fā)生設(shè)計(jì)及校核洪水條件下，上游水位復(fù)核計(jì)算。

4.1 汛前灌溉期泄流能力復(fù)核計(jì)算

基本資料：橡膠壩充壩壩頂水頭為0.3m，即閘上水位為37.3m，調(diào)節(jié)閘閘門為全開(kāi)狀態(tài)；調(diào)節(jié)閘底板高程為33.50m，水深3.8m，閘下水位為36.13m；閘孔為3孔布置，單孔凈寬7.0m，中墩1.5m，總凈寬21.0m。

根據(jù)堰流計(jì)算工程進(jìn)行調(diào)節(jié)閘泄流能力復(fù)核，計(jì)算公式為：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中B0——閘室總凈寬,m；

Q——計(jì)算過(guò)閘流量,m3/s；

m——堰流流量系數(shù)，0.385；

σ——堰流淹沒(méi)系數(shù)，hs/H0=0.612≤0.72，本文取1.0；

ε——堰流側(cè)收縮系數(shù)，本文取0.975；

H0——計(jì)入行進(jìn)流速的壩前水頭，本文取37.3+0.49=37.79m。

將基本參數(shù)帶入式(4)計(jì)算過(guò)閘流量可知，砂山壩閘改造工程實(shí)際過(guò)閘流量達(dá)到311.87m3/s，略大于設(shè)計(jì)過(guò)閘流量310.13m3/s，由此可知，砂山壩調(diào)節(jié)閘改造工程實(shí)施后，砂山壩調(diào)節(jié)閘實(shí)際過(guò)流能力達(dá)到401.74m3/s，滿足汛前灌溉期放流要求400m3/s。

4.2 汛期行洪閘上水位復(fù)核

基本資料：橡膠壩為塌壩狀態(tài)，調(diào)節(jié)閘閘門處于全開(kāi)狀態(tài)；設(shè)計(jì)水位下過(guò)閘流量為4174m3/s(P=2%)，校核水位下過(guò)閘流量為4939m3/s(P=1%)。橡膠壩塌壩底板高程為34.50m，調(diào)節(jié)閘底板高程為33.50m；設(shè)計(jì)水位和校核水位條件下閘下水位分別為40.01m(P=2%)和40.61m(P=1%)。橡膠壩總凈寬308m(現(xiàn)狀328m，規(guī)劃船閘20m)，四孔，中墩寬1.0m；調(diào)節(jié)閘總凈寬21m，三孔，單孔凈寬7.0m，中墩寬1.5m。

由于橡膠壩與調(diào)節(jié)閘同時(shí)泄流，因此需進(jìn)行聯(lián)合泄流調(diào)試計(jì)算。此外，橡膠壩泄流時(shí)，由于下游水深與堰上水頭之比大于0.9，因此橡膠壩過(guò)流量采用高淹沒(méi)度的堰流公式進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)，調(diào)節(jié)閘泄流時(shí)按孔流計(jì)算過(guò)閘流量。

橡膠壩過(guò)流量計(jì)算為：

(9)

(10)

式中Q——過(guò)閘流量,m3/s；

hs——由堰頂算起的下游水深，設(shè)計(jì)水位時(shí)相對(duì)水深為5.51m(P=2%)，校核水位時(shí)相對(duì)水深為6.11m(P=1%)；

μo——綜合流量系數(shù)，在設(shè)計(jì)水位工況中，本文取0.966(P=2%)，在校核水位工況中，本文取0.963m(P=1%)；

Bo——閘孔總凈寬，328-20=308m；

Ho——計(jì)入行進(jìn)水頭的堰上水頭，m。

調(diào)節(jié)閘過(guò)流量計(jì)算為：

(11)

式中Q——過(guò)閘流量,m3/s；

hs——由堰頂算起的下游水深，設(shè)計(jì)水位時(shí)相對(duì)水深為6.51m(P=2%)，校核水位時(shí)相對(duì)水深為7.11m(P=1%)；

σ′——孔流淹沒(méi)系數(shù)，在設(shè)計(jì)水位工況中，本文取0.073(P=2%)，在校核水位工況中，本文取0.069m(P=1%)；

μ——孔流流量系數(shù)，在設(shè)計(jì)水位工況中，本文取0.698(P=2%)，在校核水位工況中，本文取0.713m(P=1%)；

Bo——閘孔總凈寬，21m；

Ho——計(jì)入行進(jìn)水頭的堰上水頭,m。

橡膠壩與調(diào)節(jié)閘聯(lián)合泄流調(diào)試計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。經(jīng)聯(lián)合泄流調(diào)試計(jì)算表明，在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)50年一遇洪水條件下，橡膠壩泄流能力為4135m3/s，調(diào)節(jié)閘泄流能力為39m3/s，堰上水位40.15m，上下游水位差14cm；在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)100年一遇洪水條件下，橡膠壩泄流能力為4896m3/s，調(diào)節(jié)閘泄流能力為43m3/s，堰上水位40.74m，上下游水位差13cm。

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL225—2016)的規(guī)定，綜合考慮攔河建筑物對(duì)防洪的影響及經(jīng)濟(jì)性，平原區(qū)水閘過(guò)閘水位差，一般應(yīng)為10～30cm。因此，砂山壩調(diào)節(jié)閘改造工程設(shè)計(jì)較為合理，既不會(huì)為城市防洪帶來(lái)較大負(fù)擔(dān)，又較為經(jīng)濟(jì)。

表2 橡膠壩與調(diào)節(jié)閘聯(lián)合泄流調(diào)試計(jì)算成果

4.3 調(diào)節(jié)閘運(yùn)行方式

為保證砂山壩調(diào)節(jié)閘工程泄流能力，調(diào)節(jié)閘正常的運(yùn)行方式為閘前水位低于37.0m時(shí)關(guān)閘蓄水，閘前水位高于37.3m時(shí)開(kāi)閘泄水。水閘的控制運(yùn)用作用是通過(guò)有目的地啟閉閘門，從而控制下泄流量，調(diào)節(jié)水位。閘門具體運(yùn)用方式由水閘管理人員在工程建成運(yùn)行后，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行修訂。

調(diào)節(jié)閘調(diào)度運(yùn)行原則為：?正常運(yùn)用時(shí)，當(dāng)閘前水位高于37.3m時(shí)開(kāi)閘泄水；閘前水位低于37.0m時(shí)關(guān)閘蓄水。?汛期前，應(yīng)開(kāi)閘泄水，或根據(jù)當(dāng)?shù)亟涤觐A(yù)報(bào)及渾河流域整體防洪規(guī)劃制定運(yùn)用方式及運(yùn)行水位。?汛期應(yīng)充分利用泄水在閘下低水位時(shí)排淤?zèng)_沙。

5 結(jié) 論

渾河灌溉期最大需水量為400m3/s，而砂山橡膠壩充壩運(yùn)行時(shí)安全泄流能力僅為95.7m3/s，泄流能力遠(yuǎn)小于渾河灌溉期最大需水量，需要采用頻繁起落的方法來(lái)調(diào)控流量。此外，原砂山橡膠壩工程存在汛前景觀蓄水與灌溉泄流需求矛盾，須對(duì)砂山壩工程方案進(jìn)行優(yōu)化。經(jīng)過(guò)方案比選，擬采用橡膠壩聯(lián)合調(diào)節(jié)閘工程實(shí)現(xiàn)泄流能力調(diào)控。

以此為基礎(chǔ)，本文對(duì)砂山壩調(diào)節(jié)閘改造工程泄流能力進(jìn)行了分析研究，通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)：工程改造后橡膠壩最大過(guò)流量為89.87m3/s，相比工程改造前降低了5.81m3/s，這是由于工程改造后其過(guò)流斷面由328m縮短到308m所致。結(jié)合最大過(guò)流量需求對(duì)新建調(diào)節(jié)閘泄流能力及汛期行洪閘上水位進(jìn)行復(fù)核研究，結(jié)果表明：砂山壩調(diào)節(jié)閘改造工程實(shí)施后，過(guò)閘流量為311.87m3/s，總過(guò)流能力達(dá)到401.74m3/s，滿足下游灌溉需水400m3/s的要求和過(guò)閘水位差的規(guī)定，與原方案相比，無(wú)須頻繁起落橡膠壩以實(shí)現(xiàn)流量調(diào)控，可有效解決景觀蓄水與灌溉泄流之間的矛盾。綜上所述，砂山壩調(diào)節(jié)閘改造工程設(shè)計(jì)較為合理，可為其他工程提供借鑒。