李志爭(zhēng)

（龍門景區(qū)伊河管理站）

0 引言

自20世紀(jì)50年代初開始，高分子合成材料的橡膠壩開始應(yīng)用于水利、水文及環(huán)境保護(hù)行業(yè)。發(fā)展初期，許多國家和地區(qū)對(duì)橡膠壩進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究和探討。美國、英國以及前蘇聯(lián)均對(duì)橡膠壩的水力特性、材料特性、溢流壩體震動(dòng)以及溢流量計(jì)算等方面進(jìn)行了深入研究并取得了豐富的成果。近年來，中國社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速騰飛，城市生態(tài)環(huán)境問題極為突出。為改善城市生態(tài)環(huán)境和宜居環(huán)境，橡膠壩被廣泛應(yīng)用于城市河道治理、城市發(fā)展規(guī)劃、水力發(fā)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(duì)水文測(cè)驗(yàn)，尤其是流量測(cè)驗(yàn)產(chǎn)生了很大的影響，使得流量測(cè)次大幅增加且難以精準(zhǔn)控制水位流量變化轉(zhuǎn)折處，使得常規(guī)測(cè)驗(yàn)方法難以開展。

1 國內(nèi)研究

格雷斯對(duì)中國橡膠壩的大量實(shí)驗(yàn)研究，可改進(jìn)橡膠壩技術(shù)，使其適應(yīng)不斷變化的氣候條件和復(fù)雜的地區(qū)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(huán)曲線和可變曲線組合而形成的，并給出了曲線的基本計(jì)算公式。橡膠壩包的設(shè)計(jì)和安裝形式可以通過查閱橡膠壩的技術(shù)說明來得到。由于運(yùn)行中的橡膠壩變形大，為了保證壩包的安全，實(shí)用工程中不需要崩塌，形成了壩破裂等一些嚴(yán)重問題。對(duì)不同荷載下橡膠壩荷載的成品進(jìn)行了分析，關(guān)于橡膠的滲流特性，袁世敏進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并得到與此相關(guān)的上游和下游橡膠排放規(guī)律。關(guān)于橡膠壩的流量系數(shù)，陳魯伊也進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)研究。陳瑞研究了可能影響橡膠壩流量系數(shù)的一些主要因素，得到了填滿單錨水的橡膠壩流量系數(shù)與各影響因素的關(guān)系。

2 橡膠壩對(duì)流量測(cè)驗(yàn)的影響

2.1 對(duì)中低水流量測(cè)驗(yàn)的影響

枯水和平水期，上游來水量較小，當(dāng)橡膠壩的壩袋處于充漲狀態(tài)時(shí)，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(cè)驗(yàn)斷面。而橡膠壩頂部泄流量不大，從而在其上游流量測(cè)驗(yàn)斷面處形成高水位低流速、甚至無流速的現(xiàn)象。這對(duì)流量測(cè)驗(yàn)極為不利，流速很小時(shí)，流速儀無法測(cè)出流速。

當(dāng)橡膠壩蓄水完成，壩頂開始溢流時(shí)，河道水力特性發(fā)生變化，由無流速變化為有流速，由于水流具有連續(xù)性，很難找到合適恰當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)施測(cè)到臨界狀態(tài)。

當(dāng)橡膠壩突然落壩時(shí)，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(cè)驗(yàn)時(shí)機(jī)，同時(shí)也難準(zhǔn)確地施測(cè)到最大流量及最大流速，最終難以準(zhǔn)確推算出過水量。

2.2 橡膠壩對(duì)洪水期的影響

洪水期間，根據(jù)防洪調(diào)度，加快洪水下泄速度，橡膠壩一般處于坍塌狀態(tài)。坍壩后的橡膠壩與河底幾乎相平，其壩體對(duì)洪水下泄影響不大。而橡膠壩附件如錨固墻壁等對(duì)水流形成一定的約束，使橡膠壩處的流速增大，水流對(duì)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(duì)水流的影響

由于橡膠壩完全充漲時(shí)，其頂部可以漫溢水流，水力特性與實(shí)用型溢流堰非常相似。水流通過橡膠壩頂部時(shí)，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(xù)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(xiàn)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(nèi)水壓不斷變化，橡膠壩形態(tài)也隨之而變化，這對(duì)橡膠壩泄流、下游流量測(cè)驗(yàn)以及堰流參數(shù)率定造成不利影響。

由于橡膠壩材質(zhì)相對(duì)比較柔韌，在水流的沖擊下，橡膠壩的壩體產(chǎn)生振動(dòng)，從而對(duì)橡膠壩產(chǎn)生不利影響，同時(shí)使得過壩水流不穩(wěn)定，不利于流量測(cè)驗(yàn)。

3 消除影響措施

3.1 遷移測(cè)驗(yàn)斷面

在橡膠壩充漲狀態(tài)下，橡膠壩上游開始蓄水，在上游形成小型湖泊或水庫。當(dāng)回水淹沒測(cè)驗(yàn)斷面，在測(cè)驗(yàn)斷面形成高水位低流速、甚至水位上漲而無流速。根據(jù)情況可以在橡膠壩上、下游勘測(cè)滿足流量測(cè)驗(yàn)要求的斷面。根據(jù)規(guī)范要求，流量測(cè)驗(yàn)斷面可以向上游遷址于回水影響以外且有足夠順直長(zhǎng)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(wěn)且有足夠順直長(zhǎng)度的河段。在勘選流量測(cè)驗(yàn)斷面時(shí)，應(yīng)避開死水區(qū)、回水回流區(qū)，并且勘選斷面與原測(cè)驗(yàn)斷面之間無支流加入，保證現(xiàn)有測(cè)驗(yàn)條件下的流量測(cè)驗(yàn)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(shè)施、配備設(shè)備，投資量大。

3.2 改變測(cè)驗(yàn)整編方法

橡膠壩蓄水時(shí)，在上游形成湖泊或水庫，可根據(jù)其河槽蓄水變量推求水量。在橡膠壩上游的庫區(qū)設(shè)置壩上水尺，觀測(cè)橡膠壩庫區(qū)水位。測(cè)繪橡膠壩上游河道地形，建立水位～蓄水量關(guān)系曲線。橡膠壩充漲蓄水期間，準(zhǔn)確記錄開始蓄水時(shí)間和開始溢流或坍壩放水結(jié)束時(shí)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(jì)算出該時(shí)段內(nèi)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(shí)情況，更無法推求出該段時(shí)間內(nèi)的流量極值，且建立水位～蓄水量關(guān)系較為困難。

3.3 采用多點(diǎn)法測(cè)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(cè)驗(yàn)斷面水面變寬、面積增大，各測(cè)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(shù)型分布。此種情況下，上層部分水體有流速，而下層某測(cè)點(diǎn)以下流速已經(jīng)為0，若采用常規(guī)測(cè)流方法（如水面一點(diǎn)法或0.60一點(diǎn)法）難以得到精確的資料。為保證流量測(cè)驗(yàn)精度，應(yīng)采用五點(diǎn)法甚至十一點(diǎn)法，測(cè)驗(yàn)出斷面流速分布，并采用相應(yīng)公式計(jì)算出垂線平均流速，進(jìn)而計(jì)算出測(cè)驗(yàn)斷面的流量。該方案能夠得到測(cè)驗(yàn)斷面處的實(shí)際流量過程，提高了流量測(cè)驗(yàn)精度，但是測(cè)驗(yàn)工作量大，耗時(shí)長(zhǎng)。

3.4 精準(zhǔn)把握測(cè)流時(shí)機(jī)

橡膠壩蓄水期間至蓄滿期間，由于流速較小，施測(cè)不方便，在此期間不再施測(cè)流量。當(dāng)橡膠壩開始溢流或者坍壩放水時(shí)，及時(shí)布設(shè)流量測(cè)次，并在允許誤差范圍內(nèi)使用短歷時(shí)測(cè)驗(yàn)出臨界狀態(tài)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(guān)注橡膠壩變動(dòng)情況、蓄水、溢流及坍壩放水時(shí)刻，隨時(shí)出動(dòng)，做到精準(zhǔn)把握測(cè)流時(shí)機(jī)。

3.5 利用橡膠壩測(cè)流

橡膠壩屬于低水頭攔水建筑物。橡膠壩充漲時(shí)，其形態(tài)類似于實(shí)用性溢流堰。而坍壩運(yùn)行時(shí)，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(shí)用堰或?qū)掜斞呤褂?，從而推求出流量變化過程。在橡膠壩上游水流平順區(qū)設(shè)立壩上水尺，觀測(cè)壩上水位，計(jì)算壩上水頭。在橡膠壩下游設(shè)立壩下測(cè)流斷面，在壩下測(cè)流斷面施測(cè)流量。通過觀測(cè)橡膠壩形態(tài)變化，通過多次試驗(yàn)建立壩上水頭與橡膠壩泄流量之間的關(guān)系，率定出橡膠壩泄流時(shí)的流量系數(shù)或建立橡膠壩溢流模型。利用橡膠壩流量系數(shù)、壩上水頭、橡膠壩運(yùn)行形態(tài)推求出過壩流量。目前該方案已經(jīng)有了大量的研究成果，有多種經(jīng)驗(yàn)公式可供借鑒。該方案大大減少了后期的流量測(cè)驗(yàn)工作量，并且能夠準(zhǔn)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(yàn)以建立橡膠壩不同狀態(tài)下的關(guān)系模型。

3.6 加強(qiáng)與橡膠壩管理單位的聯(lián)系

橡膠壩管理與水文測(cè)驗(yàn)分屬不同部門，流量測(cè)驗(yàn)往往由于無法準(zhǔn)確掌握橡膠壩狀態(tài)變動(dòng)情況而錯(cuò)過測(cè)流最佳時(shí)機(jī)。因此要加強(qiáng)與橡膠壩管理部門的聯(lián)系，及時(shí)掌握橡膠壩狀態(tài)變動(dòng)情況，作出科學(xué)判斷，及時(shí)合理布設(shè)流量測(cè)次，準(zhǔn)確控制住流量變化過程。

4 結(jié)語

綜上所述，橡膠壩已經(jīng)成為河道治理、水力發(fā)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(duì)流量測(cè)驗(yàn)影響極大。在流量測(cè)驗(yàn)中，應(yīng)根據(jù)不同情況，掌握橡膠壩、水位變動(dòng)情況，通過深入研究分析并及時(shí)改變測(cè)驗(yàn)整編方法，以保證流量測(cè)驗(yàn)精度。