砂山坝调节闸改造工程泄流能力分析

(沈阳翼润水利工程有限公司，辽宁 沈阳 110161)

浑河起源于长白山滚马岭支脉，流经抚顺、沈阳，在三岔河处与太子河汇合，最终汇入大辽河。全长约415km，其控制流域面积为11481km2。随着沈阳市经济社会的快速发展和浑南开发区的建设，浑河作为与城市经济社会紧密结合的内河，逐渐成为了沈阳市城市防洪与景观生态环境的重点。近年来，沈阳市政府逐年加大沈阳城市段浑河的建设力度，以保证充分发挥浑河的综合效益。然而，浑河沈阳城市段在灌溉期存在水资源调配不足，且与景观生态发生用水冲突的问题。对工程实施改造可有效缓解现有矛盾，因此砂山橡胶坝工程拟采取坝调节闸联合泄流方案实施工程改造，以解决水量供需矛盾。

1 现状工程概况

1.1 现状工程基本情况

砂山橡胶坝工程于1994年修建完成，工程防洪标准为20年一遇，设计流量为3569m3/s。现状砂山橡胶坝为4孔充水式橡胶坝，每孔净宽为82.0m，孔间设3座宽0.8m的中墩，全长330.4m，坝高2.5m，其中坝底和坝顶高程分别为34.5m和37.0m。下图为砂山坝地理位置示意图。

砂山坝地理位置示意图

1.2 存在的主要问题

运行监测显示，蓄水期砂山橡胶坝充坝运行时，橡胶坝安全泄流能力为95.7m3/s，而浑河灌溉期最大需水量则为400m3/s，其实际泄流能力远小于实际蓄水量。此外，作为景观河流，该工程需要同时满足汛前景观蓄水要求，而这与灌溉泄流要求产生冲突。鉴于此，目前该工程采用单孔频繁起落的方法来调控流量。计算结果表明：橡胶坝充气况态下，坝顶溢流水深为30cm时，泄流能力仅为95.7m3/s；而当橡胶坝1孔不充气时，泄流量则达到718.0m3/s。由此可以看出，该工程对流量调节的跨度较大，难以同时保证灌溉泄流与景观蓄水的要求。除此之外，为调节流量和水位需求，须频繁地进行充坝与塌坝操作，这势必会增加橡胶坝的工作强度，进而降低其使用寿命，最终产生安全隐患。

2 橡胶坝改造工程

2.1 调节闸工程

通过多方案比选，砂山坝工程拟采用调节闸联合橡胶坝方案进行泄流能力调控改造。拟建调节闸工程布置于现状砂山橡胶坝左岸，占用左岸滩地，接续橡胶坝左边墩修建，原橡胶坝过流断面由328m缩短至308m。调节闸建成后可以通过自身的过闸流量补充橡胶坝溢流过坝流量的不足部分，加大砂山坝调节能力，使之能够满足汛前景观蓄水与灌溉泄流要求。同时，调节闸的建设使得橡胶坝在汛前灌溉期持续保持充坝状态，避免因为流量不足或过大而频繁充坝塌坝的操作，减小橡胶坝的使用强度，提高其使用寿命。调节闸建成后将参与汛期行洪，增大该控制断面综合泄洪能力，提高汛期两岸的防洪安全。砂山坝调节闸的建设，对于浑河沈阳段城市防洪与联合控制运用具有重要意义，砂山坝调节闸工程的建设是非常必要的。

2.2 调节闸工程布置

为降低上部结构高度，拟建调节闸闸室采用平底宽顶堰胸墙式，闸底板高程33.5m，低于现状橡胶坝底板1.0m。闸室上游前端设钢筋混凝土防渗铺盖。铺盖长10.0m,厚0.8m，铺盖上下游均设置齿墙。防渗铺盖前端设置12.0m长护底。护底为钢筋混凝土格框砌石结构，厚0.6m。闸底板顶高程33.5m，顺水流方向长12.0m，厚1.2m。底板上下游均设置齿墙，齿墙深0.8m。闸墩顶高程40.74m，与100年一遇校核洪水位齐平。

水闸共分3孔，单孔净宽7.0m，总净宽21.0m。中墩厚1.50m(2座)，边墩厚1.25m(2座)，闸室总宽26.5m。胸墙底高程36.2m，底角半径0.7m；胸墙顶高程40.74m，与闸墩顶高程一致，胸墙厚0.5m。工作桥顶高程40.74m，宽5.9m，板梁式结构。上游检修桥布置于工作桥上游，宽1.45m。下游检修桥布置于高程36.9m检修平台处，宽2.1m。排架柱为工作桥下游侧桥面段支撑平台，底部与闸墩固接，断面尺寸0.5m×0.5m。

闸室下游布置消力池，消力池底板与闸室底板用斜坡连接，斜坡段长8.0m，坡比为1∶4，消力池水平段长17.0m，深1.0m，底板厚1.0m。

3 砂山橡胶坝改造工程溢流能力分析

本节将分别对现状橡胶坝净宽328.0m及工程改造后橡胶坝净宽308.0m充起时最大过流量进行分析。

根据《橡胶坝技术规范》(SL227—1998)，橡胶坝充起时过流量按下列公式计算：

(1)

式中Q——过坝流量，m3/s；

B——溢流断面的平均宽度，m；

h0——计入行进流速水头的堰顶水头，m；

m——流量系数，本文取为0.40；

δ——淹没系数，本文取1.0；

ε——堰流侧收缩系数，本文取1.0。

此外，本文采用下列公式计算双锚固充水橡胶坝的流量系数m：

(2)

(3)

式中H0——坝袋内压水头,m；

H——运行时坝袋充胀的实际坝高,m；

H1——设计坝高,m；

h1——坝上游水深,m；

h2——坝下游水深,m。

将橡胶坝体型参数及式(2)带入式(1)求解，得出橡胶坝坝顶溢流时水位流量关系计算结果，见表1。

计算结果表明，随着坝顶水头的增加，橡胶坝泄流量逐渐加大，当坝顶水头达到0.3m时，泄流能力达到最大。此时，现状橡胶坝(净宽328.0m)最大过流量为95.68m3/s，而改造后橡胶坝(净宽308.0m)最大过流量则仅为89.87m3/s，相差5.81m3/s。

根据工程需要，砂山坝调节闸改造工程汛前灌溉期坝址处设计泄流量为400m3/s，也就是说，调节闸设计过闸流量和橡胶坝坝顶溢流0.3m时，最大过流量总和应达到400m3/s。根据上文计算可知，改造工程后，橡胶坝最大过流量为89.87m3/s，调节闸设计过闸流量应达到310.13m3/s才能满足设计要求。因此，下文将以此为设计目标开展调节闸泄流能力复核研究。

此外，为保证橡胶坝充坝时能够安全运行，应严格避免坝袋发生较强振动。一旦坝顶溢流坝袋发生较强振动，尽快调整坝高，使坝袋避开共振区。同时，充水时应先充左右岸坝袋，再充中间坝袋；放空坍平坝袋时，所有坝袋应同时放空。因冰冻易使运行中的橡胶坝损坏，沈阳市地处寒冷地区，冬季充坝挡水时，不应调节坝高，以保证不破坏坝袋而安全运行，在临水面采取防冻破冰措施。注意对坝袋的保护，避免人为损坏。

4 新建调节闸泄流能力复核

砂山坝调节闸泄流能力复核分为两部分：ⓐ汛前灌溉期泄流能力复核计算；ⓑ汛期发生设计及校核洪水条件下，上游水位复核计算。

4.1 汛前灌溉期泄流能力复核计算

基本资料：橡胶坝充坝坝顶水头为0.3m，即闸上水位为37.3m，调节闸闸门为全开状态；调节闸底板高程为33.50m，水深3.8m，闸下水位为36.13m；闸孔为3孔布置，单孔净宽7.0m，中墩1.5m，总净宽21.0m。

根据堰流计算工程进行调节闸泄流能力复核，计算公式为：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中B0——闸室总净宽,m；

Q——计算过闸流量,m3/s；

m——堰流流量系数，0.385；

σ——堰流淹没系数，hs/H0=0.612≤0.72，本文取1.0；

ε——堰流侧收缩系数，本文取0.975；

H0——计入行进流速的坝前水头，本文取37.3+0.49=37.79m。

将基本参数带入式(4)计算过闸流量可知，砂山坝闸改造工程实际过闸流量达到311.87m3/s，略大于设计过闸流量310.13m3/s，由此可知，砂山坝调节闸改造工程实施后，砂山坝调节闸实际过流能力达到401.74m3/s，满足汛前灌溉期放流要求400m3/s。

4.2 汛期行洪闸上水位复核

基本资料：橡胶坝为塌坝状态，调节闸闸门处于全开状态；设计水位下过闸流量为4174m3/s(P=2%)，校核水位下过闸流量为4939m3/s(P=1%)。橡胶坝塌坝底板高程为34.50m，调节闸底板高程为33.50m；设计水位和校核水位条件下闸下水位分别为40.01m(P=2%)和40.61m(P=1%)。橡胶坝总净宽308m(现状328m，规划船闸20m)，四孔，中墩宽1.0m；调节闸总净宽21m，三孔，单孔净宽7.0m，中墩宽1.5m。

由于橡胶坝与调节闸同时泄流，因此需进行联合泄流调试计算。此外，橡胶坝泄流时，由于下游水深与堰上水头之比大于0.9，因此橡胶坝过流量采用高淹没度的堰流公式进行计算。同时，调节闸泄流时按孔流计算过闸流量。

橡胶坝过流量计算为：

(9)

(10)

式中Q——过闸流量,m3/s；

hs——由堰顶算起的下游水深，设计水位时相对水深为5.51m(P=2%)，校核水位时相对水深为6.11m(P=1%)；

μo——综合流量系数，在设计水位工况中，本文取0.966(P=2%)，在校核水位工况中，本文取0.963m(P=1%)；

Bo——闸孔总净宽，328-20=308m；

Ho——计入行进水头的堰上水头，m。

调节闸过流量计算为：

(11)

式中Q——过闸流量,m3/s；

hs——由堰顶算起的下游水深，设计水位时相对水深为6.51m(P=2%)，校核水位时相对水深为7.11m(P=1%)；

σ′——孔流淹没系数，在设计水位工况中，本文取0.073(P=2%)，在校核水位工况中，本文取0.069m(P=1%)；

μ——孔流流量系数，在设计水位工况中，本文取0.698(P=2%)，在校核水位工况中，本文取0.713m(P=1%)；

Bo——闸孔总净宽，21m；

Ho——计入行进水头的堰上水头,m。

橡胶坝与调节闸联合泄流调试计算结果见表2。经联合泄流调试计算表明，在设计标准50年一遇洪水条件下，橡胶坝泄流能力为4135m3/s，调节闸泄流能力为39m3/s，堰上水位40.15m，上下游水位差14cm；在设计标准100年一遇洪水条件下，橡胶坝泄流能力为4896m3/s，调节闸泄流能力为43m3/s，堰上水位40.74m，上下游水位差13cm。

根据《水闸设计规范》(SL225—2016)的规定，综合考虑拦河建筑物对防洪的影响及经济性，平原区水闸过闸水位差，一般应为10～30cm。因此，砂山坝调节闸改造工程设计较为合理，既不会为城市防洪带来较大负担，又较为经济。

表2 橡胶坝与调节闸联合泄流调试计算成果

4.3 调节闸运行方式

为保证砂山坝调节闸工程泄流能力，调节闸正常的运行方式为闸前水位低于37.0m时关闸蓄水，闸前水位高于37.3m时开闸泄水。水闸的控制运用作用是通过有目的地启闭闸门，从而控制下泄流量，调节水位。闸门具体运用方式由水闸管理人员在工程建成运行后，根据实测数据资料进行修订。

调节闸调度运行原则为：ⓐ正常运用时，当闸前水位高于37.3m时开闸泄水；闸前水位低于37.0m时关闸蓄水。ⓑ汛期前，应开闸泄水，或根据当地降雨预报及浑河流域整体防洪规划制定运用方式及运行水位。ⓒ汛期应充分利用泄水在闸下低水位时排淤冲沙。

5 结 论

浑河灌溉期最大需水量为400m3/s，而砂山橡胶坝充坝运行时安全泄流能力仅为95.7m3/s，泄流能力远小于浑河灌溉期最大需水量，需要采用频繁起落的方法来调控流量。此外，原砂山橡胶坝工程存在汛前景观蓄水与灌溉泄流需求矛盾，须对砂山坝工程方案进行优化。经过方案比选，拟采用橡胶坝联合调节闸工程实现泄流能力调控。

以此为基础，本文对砂山坝调节闸改造工程泄流能力进行了分析研究，通过计算发现：工程改造后橡胶坝最大过流量为89.87m3/s，相比工程改造前降低了5.81m3/s，这是由于工程改造后其过流断面由328m缩短到308m所致。结合最大过流量需求对新建调节闸泄流能力及汛期行洪闸上水位进行复核研究，结果表明：砂山坝调节闸改造工程实施后，过闸流量为311.87m3/s，总过流能力达到401.74m3/s，满足下游灌溉需水400m3/s的要求和过闸水位差的规定，与原方案相比，无须频繁起落橡胶坝以实现流量调控，可有效解决景观蓄水与灌溉泄流之间的矛盾。综上所述，砂山坝调节闸改造工程设计较为合理，可为其他工程提供借鉴。