山区河道橡胶坝群蓄水工程水面线计算方法浅析

李江海

(吕梁市横泉水库管理局， 山西 吕梁　033000)

山区河道橡胶坝群蓄水工程水面线计算方法浅析

李江海

(吕梁市横泉水库管理局， 山西 吕梁033000)

【摘要】针对目前橡胶坝群蓄水工程水面线计算中存在的问题，以山西省吕凉市山区河道橡胶坝蓄水工程为例，选择了两种典型工况，从理论上总结了推算水面线的方法，可供类似情况下水面线推求参考。

【关键词】山区河道； 橡胶坝； 蓄水工程； 水面线计算

橡胶坝是一种新型的低水头挡水建筑物，由于具有造价低、工期短、耐久性强、抗震性能强、运用灵活方便以及充坝蓄水、坍坝泄洪等优点，已被广泛应用于灌溉、发电、防洪等方面。近年来，为了美化城市、改善水生态环境、提高城市品位，越来越多的中小城市开始兴建橡胶坝蓄水工程，而且逐步由平原城市向山区城市、由单一坝体向多坝联合运行的坝群发展。由于山区河道宽度小、纵坡陡、洪水峰大量小，河道常采用汛期坍坝泄洪、非汛期充坝蓄水的运行方式，而且在泄洪时洪水多呈急流状态。本文针对山区陡坡河道橡胶坝群蓄水工程水流流态多样性的特点，以山西省吕凉市蓄水工程为例对河道水面线进行分析计算。

1工程概况

山西省吕凉市蓄水工程全长18.6km，防洪标准为50年一遇，河道横断面为矩形，宽80m，河底和两岸堤防均为C25 钢筋混凝土结构。主河槽治理段上游200m和860m处共布置2座拦沙坝，治理段范围内从上游到下游连续布置25 座单跨充水式橡胶坝，采用汛期坍坝泄洪、非汛期充坝蓄水的运行方式。橡胶坝高3.4m，挡水高度3.6m(橡胶坝基础高0.2m)，坝基础宽13.5m，长与河道宽相同，为80m，基础顶高于坝前河底0.2m，坝后设斜坡段与下游底板连接，斜坡段坡比为1∶4，长2.0m，落差0.5m，坝后不设消力池。由于各橡胶坝水力计算方法相同，本文取位于蓄水工程中游的8号橡胶坝进行分析，该河段纵坡1/240，坝区长700m，汛期(6月1日—9月30日)设计洪峰流量为1364m3/s，非汛期(10月1日—次年5月31日)为160m3/s。

2坍坝工况坝区水面线计算

根据橡胶坝蓄水工程设计，坍坝为汛期运行方式，设计洪峰流量1364m3/s。在推算水面线前需先选择控制断面，根据水流情况，共选择2个控制断面，1个选择在坝区下游，即橡胶坝坝址处，另1个选择在上游，即上一座橡胶坝洪水下泄后的水深收缩断面。下面分别对2个控制断面水深进行水力计算。

2.1下游控制断面水深计算

下游控制断面为橡胶坝的坝址，橡胶坝可视作宽顶堰，由于有阻水作用，该断面将产生壅水，壅水高度采用《橡胶坝技术规范》附录A公式计算：

(1)

式中Q——过坝流量，m3/s；

B——溢流断面宽度，m；

H0——坝顶水头，H0=H+v2/2g，m；

H——坝顶水深，m；

v——坝前流速，m/s；

m——流量系数，坍坝时取0.36；

σ——淹没系数，下游水深H0<0.8时取σ=1；

ε——侧收缩系数，无侧收缩，取ε=1。

由此计算的坝顶水头H0=4.86m，坝顶水深H=4.02m，坝前平均流速4.04m/s，控制断面水深为坝顶水深与坝基础高之和：h=4.02+0.2=4.22m。控制断面为最大壅水高度位置，位于坝轴线上游(3～4)H处，本文计算中取距坝轴线15m。

2.2上游控制断面水深计算

上游控制断面水深为上一座橡胶坝洪水下泄后收缩断面的水深，上一座橡胶坝的壅水计算方法和结果与本坝区橡胶坝相同，其坝后收缩断面水深采用下列公式试算：

(2)

式中E0——从下游底板算起的上游水头，E0=P+H0，m；

P——坝基础与下游河道底板高差，P=0.5m；

H0——坝顶以上总水头，由上节知H0=4.86m；

q——过坝单宽流量，q=1364/80=17.05m3/(s·m)；

hc——收缩水深，m；

ψ——流量系数，下游为折线型，取ψ=0.9。

由此计算的收缩水深，即上游控制水深hc=2.56m，平均流速6.66m/s。

2.3水面线推算

2.3.1水面线定性分析

根据有关公式计算的坝区正常水深h0=2.61m(其中混凝土糙率取0.018)，临界水深hk=3.10m，因h01，Fr2<1，故河道在上游为急流，下游为缓流。水深从上游收缩断面开始，经S3型壅水曲线由收缩水深hc向正常水深h0过渡，在急缓流变化处发生水跃(因Fr1<1.7，所以水跃形式为波状水跃)，然后通过S1型壅水曲线，在距坝址(3～4)H处水深达到下游坝前最大壅水高度h。

2.3.2水面线定量分析

通过对水面线定性分析，若要计算各断面水深，关键需确定水跃发生位置。因水跃需满足跃前和跃后水深条件才能发生，依据上下游控制水深，按波状水跃公式(3)分别向下游和上游推求水面线，当上下游水深同时满足公式要求的跃前、跃后水深和跃长时，则为水跃发生位置。

水面线公式：

(3)

式中z1、z2——上下游水面高程，m；

hj——局部水头损失，河道为棱柱体明渠，hj=0m；

hf——沿程水头损失，hf=JL，m；

L——所取河段长度，本次计算时取L=20m；

J——平均水力坡度，J=(J1+J2)/2；

J1、J2——河段上下游断面水力坡度。

波状水跃公式(《水工设计手册(第二版)》)：

(4)

跃长公式(《水工设计手册(第二版)》)：

(5)

式中h1、h2——跃前、跃后水深，m；

Fr——跃前弗劳得数；

L——水跃长度，m。

假设跃前水深已达正常水深，则跃前水深h1=h0=2.61m，相应弗劳得数Fr=1.29，跃后水深h2=3.48m，跃长L=9.86≈10m。经计算，水跃发生在距上游控制断面561～571m之间，跃前水深基本达到正常水深，故原假设正确。计算结果见表1和水面曲线图。

表1　坍坝运行坝区水面线计算结果

3充坝工况坝区水面线计算

充坝为非汛期运行方式，设计洪峰流量160m3/s。控制断面的选择与坍坝运行方式相同，即分别为该坝区下游侧的坝前断面和该坝区上游侧的上一座橡胶坝后收缩水深断面。

3.1控制断面水深计算

水面线计算方法与坍坝运行时相同，但在采用公式(1)计算时，根据《橡胶坝技术规范》附录A，坝袋充胀时按曲线型实用堰考虑，流量系数m取0.40。经计算，坝顶水深H=1.08m，平均流速0.43m/s，橡胶坝蓄水高度3.6m，则坝前水深(下游断面控制水深)h=3.6+1.08=4.68m。上游断面控制水深为收缩水深，hc=0.23m，平均流速8.69m/s。上游控制断面弗劳得数Fr1=5.78，下游控制断面Fr2=0.06。河道正常水深h0=0.71m，临界水深hk=0.74m。

3.2水面线推算

水面曲线类型与坍坝运行时相同，但由于下游水深较高，水跃位置将上移至坝区上游侧，上游收缩断面弗劳得数4.5

(6)

公式中符号意义同前。由此计算的跃后水深为h2=1.77m，跃长8m。采用公式(3)推求水面线，可知下游壅水线推算到上游，其水深均不小于1.85m，即大于跃后水深，所以水跃为淹没水跃，跃前断面为收缩水深断面，水面线计算结果见表2和水面曲线图。

表2　充坝运行坝区水面线计算结果

水面曲线图

4结语

本文水面线计算时只选取了完全坍坝和完全充坝两种典型工况，在计算堤防高度时，还应考虑其他可能工况，最后取各工况水面线的外包线作为堤顶高程设计依据，许多工程设计中仅按汛期坍坝运行工况或采用曼宁公式计算水面线，由此确定的坝高明显偏低、偏不安全。本文所述工程因底板和侧墙全部采用钢筋混凝土衬砌，抗冲能力强，未设消力池，但由本文分析可知，不同工况水跃发生位置也不同，即使同一工况由于底板顺直，水跃位置也不可能固定，建议工程设计中应在坝下设消力池固定水跃位置，稳定水面曲线，减少急流长度。最后需要说明的是，本文仅从理论上对橡胶坝蓄水工程水面线进行了分析，由于水跃水流紊乱复杂，对特别重要的工程还应通过模型试验来复核计算成果。

中图分类号：TV64

文献标志码：A

文章编号：1005-4774(2015)04-0033-03

On water line calculation method in Mountain River Rubber
Dam Group Water Accumulation Project

LI Jianghai

(LüliangHengquanReservoirAuthority,Lüliang033000,China)

Abstract：Mountain river rubber dam water accumulation project in Shanxi Lüliang is adopted as an example aiming at problems in current Rubber Dam Group Water Accumulation Project water line calculation. Two typical conditions are selected. Methods of calculating water lines can be summarized theoretically, thereby providing reference for water line calculation under similar condition.

Key words：mountain river; rubber dam; water accumulation project; water line calculation