王家湾橡胶坝工程优化调度

丁立国

（辽宁省水利水电科学研究院，辽宁 沈阳 110003）

1 工程概况

王家湾橡胶坝工程位于浑河干流沈阳城市段的河段上，坝址位于干河子拦河坝下游6.86 km，长青桥上游约5 km处，是为拦河蓄水形成连续水面，开发旅游、美化环境、改善自然景观的水利工程。工程等别为Ⅲ等，建筑物级别为3级，其洪水设计标准为50年一遇设计，相应设计泄量为4 074 m3/s。拦河建筑物为充气式橡胶坝，橡胶坝工程长401 m，共6跨，泄流净宽396.0 m，坝高3.5 m，坝顶高程46.5 m。右岸一孔坝下为底流消能，二级消力池，其余坝段为面流消能。工程于2004年10月竣工。

王家湾橡胶坝是浑河整治工程中的一项重要内容，该工程以拦河蓄水形成人工水面，达到了改善浑河的自然景观，开发旅游业，美化城市环境的目的。

2 工程优化的必要性

2005年8月，浑河发生洪水，沈阳站实测洪峰流量3 740 m3/s。由于王家湾橡胶坝为充气式橡胶坝，无法对来水进行调节。洪水来临时，橡胶坝工程运行发生危险，并对下游河道造成严重冲刷。

根据工程安全运行要求，坝顶溢流深度不宜超过50 cm。据此设计要求，坝顶最大溢流量为247 m3/s，当超过这一流量时，只能坍落右岸一跨进行泄流。气坝坍落后，无法在动水中充气，只能待水位降到坝底板43.0 m，坝上无水后，才能重新充气蓄水。由于充气式橡胶坝无法在动水中启动，当上游来水流量在247 m3/s上下变动的情况下，橡胶坝上难以保证正常蓄水，无法满足景观用水需要。因此急需对充气式橡胶坝进行改造，使之满足上游景观用水的要求。

在灌溉期，王家湾橡胶坝应在保证自身运行安全的前提下，既保证下游农田灌溉用水的要求，又保证上游景观用水的需要，这就要求橡胶坝进行流量的调节。在灌溉期，大伙房水库根据下游需水情况进行放水，流量一般在200～400 m3/s之间变动，一旦流量超过247 m3/s，王家湾橡胶坝即需坍落1孔运行，此时堰上水头稳定在1.6～2.5 m之间，即水位在44.6～45.5 m之间，很难满足上游景观用水要求。若要满足上游景观用水，第一需要增加上游来水流量，这是很难实现的；第二需要在流量超过247 m3/s时，橡胶坝不坍落而继续溢流，这样坝顶溢流水深将超过50 cm，橡胶坝运行安全得不到满足。因此急需对橡胶坝功能优化，达到调节流量的目的。

3 优化调度运用方式

根据运行中出现的问题，王家湾橡胶坝需要功能优化，既保证水景观要求，又保证橡胶坝及河道安全。为节省投资，利用原有建筑物，采用气坝与水坝结合的方式，将6号坝段充气式橡胶坝改为2孔充水式橡胶坝，经多方案对比分析，采用等宽32.5 m的2孔水坝，间设1 m厚中墩。为利用原坝袋及施工方便，水坝底板高程抬高0.6 m，即43.6 m，拆除原有10 m宽底流消能工，重建水坝消能工程。

王家湾橡胶坝在汛期洪水来临前，应坍落所有坝袋，空库度期。

在灌溉期，大伙房水库放水流量200～400 m3/s，大伙房～沈阳区间灌溉期多年最大来水为188 m3/s，合计最大来水量为588 m3/s。此流量即为灌溉期王家湾橡胶坝最大来水量。

橡胶坝坝顶安全溢流水深为0.5 m，相应泄流量为247 m3/s，即上游来水在247 m3/s以下时，可以通过坝顶溢流。当上游来水超过247 m3/s，需坍落1孔水坝泄流，坍落1孔时水坝最大调节流量为534 m3/s，当上游来水超过534 m3/s，需坍落2孔水坝泄流，坍落2孔时水坝最大调节流量为820 m3/s。

通过对王家湾橡胶坝增设调节功能，既能保证橡胶坝的安全运行，又能调节流量，解决上游景观用水和下游灌溉用水之间的矛盾。王家湾橡胶坝功能优化后，其运行方式也随之发生变化。调度方式的优化，将使橡胶坝运行更加安全，对流量的调节能力更强，更好地完成橡胶坝工程担负的任务。

4 优化设计

根据王家湾橡胶坝的特点，结合运行中出现的问题，考虑功能优化工程造价，橡胶坝第1～5孔仍采用充气式，第6，7孔采用充水式。既能满足橡胶坝调节流量的需要，又能保证橡胶坝安全运行。

4.1 溢流能力计算

依据SL227-98《橡胶坝技术规范》，在不同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=1.0；ε—淹流侧收缩系数，ε=1.0；m—流量系数；B—溢流断面平均宽度；h0—计入行进流速的堰顶水头。

经计算，流量系数m=0.4，溢流水深按0.5 m计，橡胶坝总溢流能力247.3 m3/s。

4.2 泄流能力计算

橡胶坝坍坝时的泄流，可视作宽顶堰计算，泄流量公式与（1）相同，但m取0.34，分水坝和气坝两部分，当水位为46.71 m时，泄流量为4 086 m3/s，满足河道泄洪要求。

4.3 坝袋设计

橡胶坝总长401 m，共分7孔，中墩厚1.0 m。充气式橡胶坝不变，充水坝坝袋长32.5 m，坝袋高2.9 m。坝袋为无缝彩色橡胶坝袋，采用原坝袋进行改造，堵头胶布选用一布二胶。内压比1.5，采用螺栓压板式双锚固。

1）坝袋强度计算：

原充气坝袋径向强度520 kN/m，纬向强度260 kN/m。则安全系数 K=520/63.07=8.24＞6，满足要求。

2）坝袋周长计算：

原坝高3.5 m充气坝坝断面周长12.71 m，现坝高2.9 m充水坝坝断面周长11.14 m，坝袋周长满足要求。

原底板宽度10 m，经计算并重新布置，能满足布置坝高2.9 m充水坝要求。

5 结语

通过对王家湾橡胶坝工程的结构优化，既保证王家湾橡胶坝蓄水后上游水面要求，达到美化环境、改善浑河景观的目的，又能消除王家湾橡胶坝对下游河道防洪的不利影响，同时改善了橡胶坝在运行中出现的问题，避免了运行中出现险情，解决了上游景观用水和下游灌溉用水之间的矛盾。