成都世纪湾橡胶坝泄水特性与消能防冲设计

王旭

（成都市市政工程设计研究院，四川 成都 610000）

橡胶坝具有低水头、大开度及运行管理上的独特性，主要采用底流消能。笔者通过参与成都锦江世纪湾橡胶坝工程，认为下游消能工设计与橡胶坝自身的运行、泄流特点有较大关系，本文对此进行探讨。

1 橡胶坝过坝水流特点及设计标准

《橡胶坝工程技术规范》和《水闸设计规范》均规定，根据运用条件选择最不利的水位和流量组合进行消能防冲设计。

橡胶坝坝袋在充胀过程中，坝袋外形接近实用堰；坍坝过程中，坝袋外形逐渐接近宽顶堰；当坝袋完全泄空，基本恢复原有河床过流断面。橡胶坝上下游水面衔接方式随着坍坝过程逐渐变化：

（1）溢流开始时，水位差最大，但过坝流量、流速很小，不会对冲刷下游河床；

（2）坝袋坍落中，单宽流量逐渐增大，上下游水位差逐渐减小，下游河床逐渐产生远趋式水跃，易冲刷下游河床；

（3）当坝袋完全坍平后，流量达到最大，但上下游水位差极小，此时，下游河床为近趋式水跃，不会冲刷下游河床。

图1 锦江世纪湾橡胶坝

表1 橡胶坝水面衔接判定表（坍坝过程中）

表2 橡胶坝水面衔接判定表（完全坍平、开敞泄洪）

表3 橡胶坝消力池计算成果

表4 橡胶坝海幔及冲刷深度计算成果

因此，上下游水面衔接最不利、下游冲刷最严重的阶段不是溢流开始时和坝袋坍平后，而是在坝袋坍落过程中。因此，消能防冲的设计工况应选择在这一过程中出现的极限情况，而不应简单地将消能防冲与防洪标准挂钩，而应结合橡胶坝运行及泄流特点进行。

2 橡胶坝运行方式

橡胶坝在运行过程中，过坝水舌厚度不可无限度增加。为防止坝袋内外压差太大而导致坝袋振动、折冲水流等危害运行安全的情况，水舌厚度应控制在0.5m以内，极限状态下不可超过1.0m，否则，需坍坝运行。

3 成都市锦江世纪湾橡胶坝消能防冲设计

3．1 工程概况

由于锦江常流量较小，多年平均流量仅55.7m3/s，仅能满足约90m宽、0.6～0.8m深常水面，为保证世纪湾主景区及上游河段常年具备更加宽阔的水面和亲水条件，需在下游末端设置橡胶坝一座，这是区域水景观打造的重要配套工程。

3．2 工程总体布置

世纪湾橡胶坝正常蓄水位479.00m，设计坝高2.9m，库容57万m3，结合已建江滩河道主槽进行布置。

拟建橡胶坝轴线长126m，采用2孔62+62m布置，由上游铺盖段、坝室段、消力池段、海幔1段、海幔2段、防冲槽组成，顺河向总长71.61m。

3．3 运行方式

根据本工程橡胶坝在正常运用工况下充坝状态的过流能力计算，在上游来水量为71.7m3/s时，坝顶水舌将达到0.5m；在上游来水量为204.8m3/s时，坝顶水舌将达到1.0m。锦江工程河段多年平均流量为55.7m3/s，枯水期多年平均流量30.6m3/s，可以通过调节坝高保证上游正常蓄水位。因此，本工程橡胶坝的运行方式为：

（1）上游来水量小于30.6～55.7m3/s时，坝顶水舌达到0.3～0.4m，此时维持设计坝高，对应最高挡水位；

（2）上游来水量小于71.7m3/s时，坝顶水舌达到0.5m，此时，需逐步降低坝顶高程，调节流量及水位；

（3）上游来水量增大至204.8m3/s时，坝顶水舌将达到1.0m（水位不变），为确保橡胶坝运行安全，需尽快降低坝顶高程至设计河床，准备泄洪；

（4）当上游来水量继续增大，两孔开敞式泄洪。

3．4 消能防冲工况选择

结合上述橡胶坝的运行方式，在消能工设计中，考虑极端情况，保护下游消能安全。经过对本工程橡胶坝分别在坍坝过程中和完全坍平后的上下游水面衔接进行计算分析(表1、2)。

（1）在完全坍平后，橡胶坝在各频率设计洪水条件下稳定泄流时，均只产生淹没度较高的近趋式水跃，不是本工程消能防冲计算的控制工况。

（2）橡胶坝坍坝至1/2设计坝高时，此时已超过前述橡胶坝的实际运行条件，处于极端情况下维持上游正常水位不变，将产生远趋式水跃。选择此时对应的单宽流量、上下游水位差作为本工程消能工设计的控制工况，是偏安全的。

3．5 消能防冲设计及布置

按选定的控制工况，经消能防冲计算，橡胶坝消力池及海幔计算尺寸如表4、5。

根据对以上最不利工况的消能防冲计算，世纪湾橡胶坝消能防冲布置如下：

下游消力池设计长度为17.4m：斜坡段坡率为1:4，水平投影长度为6.0m；水平段长11.4m，设计池深1.5m，底板厚度为0.5m，采用C25钢筋砼结构。

下游海幔设计长度为25m，水平段采用10m长，0.5m厚M10浆砌卵石结构；斜坡段坡率1:30，采用长15m，厚0.5m干砌卵石结构与下游设计河床相接。

海幔段后接1.0m深抛石防冲槽。

图2 锦江世纪湾橡胶坝断面布置

4 结语

（1）橡胶坝的消能防冲控制工况出现在坍坝过程中，受限于流量和水位差的变化，与防洪标准没有直接联系。

（2）在世纪湾橡胶坝的设计过程中，结合坝袋的极限工作状况选择了坍坝1/2坝高时作为消能设计控制工况，是偏安全的考虑。但实际上，坍坝过程中的泄流状态是动态变化的，且十分复杂，与上游来水和坍坝过程均有关系。

（3）相关设计规范虽然规定应按不同的工作状态和流量组合来确定设计工况，但鉴于橡胶坝有自身运行和泄流特点，在设计时，有必要针对流量、水位差等变化进行深入分析，必要时可通过数值模拟或模型试验等动态方法得到最不利情况，可以使消能工设计依据更加充实。