王旭

（成都市市政工程設(shè)計研究院，四川 成都 610000）

橡膠壩具有低水頭、大開度及運(yùn)行管理上的獨(dú)特性，主要采用底流消能。筆者通過參與成都錦江世紀(jì)灣橡膠壩工程，認(rèn)為下游消能工設(shè)計與橡膠壩自身的運(yùn)行、泄流特點(diǎn)有較大關(guān)系，本文對此進(jìn)行探討。

1 橡膠壩過壩水流特點(diǎn)及設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

《橡膠壩工程技術(shù)規(guī)范》和《水閘設(shè)計規(guī)范》均規(guī)定，根據(jù)運(yùn)用條件選擇最不利的水位和流量組合進(jìn)行消能防沖設(shè)計。

橡膠壩壩袋在充脹過程中，壩袋外形接近實(shí)用堰；坍壩過程中，壩袋外形逐漸接近寬頂堰；當(dāng)壩袋完全泄空，基本恢復(fù)原有河床過流斷面。橡膠壩上下游水面銜接方式隨著坍壩過程逐漸變化：

（1）溢流開始時，水位差最大，但過壩流量、流速很小，不會對沖刷下游河床；

（2）壩袋坍落中，單寬流量逐漸增大，上下游水位差逐漸減小，下游河床逐漸產(chǎn)生遠(yuǎn)趨式水躍，易沖刷下游河床；

（3）當(dāng)壩袋完全坍平后，流量達(dá)到最大，但上下游水位差極小，此時，下游河床為近趨式水躍，不會沖刷下游河床。

圖1 錦江世紀(jì)灣橡膠壩

表1 橡膠壩水面銜接判定表（坍壩過程中）

表2 橡膠壩水面銜接判定表（完全坍平、開敞泄洪）

表3 橡膠壩消力池計算成果

表4 橡膠壩海幔及沖刷深度計算成果

因此，上下游水面銜接最不利、下游沖刷最嚴(yán)重的階段不是溢流開始時和壩袋坍平后，而是在壩袋坍落過程中。因此，消能防沖的設(shè)計工況應(yīng)選擇在這一過程中出現(xiàn)的極限情況，而不應(yīng)簡單地將消能防沖與防洪標(biāo)準(zhǔn)掛鉤，而應(yīng)結(jié)合橡膠壩運(yùn)行及泄流特點(diǎn)進(jìn)行。

2 橡膠壩運(yùn)行方式

橡膠壩在運(yùn)行過程中，過壩水舌厚度不可無限度增加。為防止壩袋內(nèi)外壓差太大而導(dǎo)致壩袋振動、折沖水流等危害運(yùn)行安全的情況，水舌厚度應(yīng)控制在0.5m以內(nèi)，極限狀態(tài)下不可超過1.0m，否則，需坍壩運(yùn)行。

3 成都市錦江世紀(jì)灣橡膠壩消能防沖設(shè)計

3．1 工程概況

由于錦江常流量較小，多年平均流量僅55.7m3/s，僅能滿足約90m寬、0.6～0.8m深常水面，為保證世紀(jì)灣主景區(qū)及上游河段常年具備更加寬闊的水面和親水條件，需在下游末端設(shè)置橡膠壩一座，這是區(qū)域水景觀打造的重要配套工程。

3．2 工程總體布置

世紀(jì)灣橡膠壩正常蓄水位479.00m，設(shè)計壩高2.9m，庫容57萬m3，結(jié)合已建江灘河道主槽進(jìn)行布置。

擬建橡膠壩軸線長126m，采用2孔62+62m布置，由上游鋪蓋段、壩室段、消力池段、海幔1段、海幔2段、防沖槽組成，順河向總長71.61m。

3．3 運(yùn)行方式

根據(jù)本工程橡膠壩在正常運(yùn)用工況下充壩狀態(tài)的過流能力計算，在上游來水量為71.7m3/s時，壩頂水舌將達(dá)到0.5m；在上游來水量為204.8m3/s時，壩頂水舌將達(dá)到1.0m。錦江工程河段多年平均流量為55.7m3/s，枯水期多年平均流量30.6m3/s，可以通過調(diào)節(jié)壩高保證上游正常蓄水位。因此，本工程橡膠壩的運(yùn)行方式為：

（1）上游來水量小于30.6～55.7m3/s時，壩頂水舌達(dá)到0.3～0.4m，此時維持設(shè)計壩高，對應(yīng)最高擋水位；

（2）上游來水量小于71.7m3/s時，壩頂水舌達(dá)到0.5m，此時，需逐步降低壩頂高程，調(diào)節(jié)流量及水位；

（3）上游來水量增大至204.8m3/s時，壩頂水舌將達(dá)到1.0m（水位不變），為確保橡膠壩運(yùn)行安全，需盡快降低壩頂高程至設(shè)計河床，準(zhǔn)備泄洪；

（4）當(dāng)上游來水量繼續(xù)增大，兩孔開敞式泄洪。

3．4 消能防沖工況選擇

結(jié)合上述橡膠壩的運(yùn)行方式，在消能工設(shè)計中，考慮極端情況，保護(hù)下游消能安全。經(jīng)過對本工程橡膠壩分別在坍壩過程中和完全坍平后的上下游水面銜接進(jìn)行計算分析(表1、2)。

（1）在完全坍平后，橡膠壩在各頻率設(shè)計洪水條件下穩(wěn)定泄流時，均只產(chǎn)生淹沒度較高的近趨式水躍，不是本工程消能防沖計算的控制工況。

（2）橡膠壩坍壩至1/2設(shè)計壩高時，此時已超過前述橡膠壩的實(shí)際運(yùn)行條件，處于極端情況下維持上游正常水位不變，將產(chǎn)生遠(yuǎn)趨式水躍。選擇此時對應(yīng)的單寬流量、上下游水位差作為本工程消能工設(shè)計的控制工況，是偏安全的。

3．5 消能防沖設(shè)計及布置

按選定的控制工況，經(jīng)消能防沖計算，橡膠壩消力池及海幔計算尺寸如表4、5。

根據(jù)對以上最不利工況的消能防沖計算，世紀(jì)灣橡膠壩消能防沖布置如下：

下游消力池設(shè)計長度為17.4m：斜坡段坡率為1:4，水平投影長度為6.0m；水平段長11.4m，設(shè)計池深1.5m，底板厚度為0.5m，采用C25鋼筋砼結(jié)構(gòu)。

下游海幔設(shè)計長度為25m，水平段采用10m長，0.5m厚M10漿砌卵石結(jié)構(gòu)；斜坡段坡率1:30，采用長15m，厚0.5m干砌卵石結(jié)構(gòu)與下游設(shè)計河床相接。

海幔段后接1.0m深拋石防沖槽。

圖2 錦江世紀(jì)灣橡膠壩斷面布置

4 結(jié)語

（1）橡膠壩的消能防沖控制工況出現(xiàn)在坍壩過程中，受限于流量和水位差的變化，與防洪標(biāo)準(zhǔn)沒有直接聯(lián)系。

（2）在世紀(jì)灣橡膠壩的設(shè)計過程中，結(jié)合壩袋的極限工作狀況選擇了坍壩1/2壩高時作為消能設(shè)計控制工況，是偏安全的考慮。但實(shí)際上，坍壩過程中的泄流狀態(tài)是動態(tài)變化的，且十分復(fù)雜，與上游來水和坍壩過程均有關(guān)系。

（3）相關(guān)設(shè)計規(guī)范雖然規(guī)定應(yīng)按不同的工作狀態(tài)和流量組合來確定設(shè)計工況，但鑒于橡膠壩有自身運(yùn)行和泄流特點(diǎn)，在設(shè)計時，有必要針對流量、水位差等變化進(jìn)行深入分析，必要時可通過數(shù)值模擬或模型試驗等動態(tài)方法得到最不利情況，可以使消能工設(shè)計依據(jù)更加充實(shí)。