赤吟橡胶坝不同塌落度下水力特性的试验研究

冯小丽，刘 达，王丽雯

(1.广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510635；2.河口水利技术国家地方联合工程实验室，广东 广州 510635；3.广东省水动力学应用研究重点实验室，广东 广州 510635)

1 工程概况

赤吟水闸枢纽工程位于龙江河下游惠来县南海镇，是以灌溉为主，结合供水、改善下游农田排涝条件和神泉港水环境综合利用水闸枢纽工程。水闸正常蓄水位为3.50 m，相应库容为853万m3。枢纽工程50年一遇的设计洪水流量为4 042 m3/s，100年一遇的校核洪水流量为4 590 m3/s，工程属Ⅱ等，工程规模为大(2)型。在工程可研阶段，比选了两个方案。方案一是在龙江河汊口的新河道赤吟处设一橡胶坝，在老河道邦庄处设一拦河闸，形成河道型水库(见图1所示)。方案二则保持邦庄的拦河闸以及船闸的设计不变，把赤吟处的橡胶坝改为14孔的拦河闸。

图1 赤吟水闸枢纽工程平面布置示意

由于枢纽在两个汊道布置了双水闸[1-3]，又处于弯道，其联合行洪的水流流态较为复杂[4-5]，故需通过物理模型试验进行研究。

本文主要研究橡胶坝不同塌落度时的流态、过流能力及下游消能安全水位[6]。赤吟橡胶坝设计采用对称布置，包括坝袋、坝基础底板、中墩、边墩、上游铺盖、上下游翼墙、上下游护坡、下游消力池及海漫段。每跨坝面长为97.6 m，坝底长为78 m，坝袋顶高程为3.50 m(设计坝高4.60 m)。在橡胶坝下游设消力池，消力池长度为18 m，池深为1.5 m，池底高程为-2.50 m，尾槛顶高程为-1.00 m；在消力池后面设有海漫及防冲槽，海漫及防冲槽长度为42 m(见图2)。

2 模型设计与制作

橡胶坝断面模型截取20 m长的坝袋进行模拟。模型按佛汝德(Froude)相似定律设计为正态，模型几何比尺Lr=40。橡胶坝底板、闸墩、消力池、橡胶坝坝袋等水工建筑物均采用杉木精制、石蜡抛光，可满足糙率相似的要求。

图2 赤吟橡胶坝断面模型设计方案布置示意

试验模拟了上游正常蓄水位，邦庄拦河闸8孔全开、赤吟橡胶坝塌落下泄多余洪水，处于不同塌落度时的工况[3-4]。不同塌落度的剖面形态见图3及表1。

图3 不同塌落度的剖面形态示意

表1 各级坝高编号及坝顶高程 m

3 橡胶坝塌落试验研究成果分析

3.1 橡胶坝的消能流态及消能安全水位

泄洪时，橡胶坝是均匀缓慢地塌落。开始溢流时，随着水位差增大，坝袋缓慢塌落，单宽流量逐渐增加，下游水深相应增加，水位差逐渐减少；当坝袋塌平后，水位差接近于零。

工程可研报告中橡胶坝的运行方式，邦山拦河闸来水量Q为：1 490 m3/s(P=50%)

原设计方案试验结果表明，当上游为正常蓄水位3.50 m、下游遭遇最低潮位-1.01 m(最不利工况)，泄流量为108.95 m3/s时，橡胶坝开始塌落至坝高3.90 m(高程2.80 m)，水流从高处顺坝袋跌落，在消力池斜坡段形成水跃，坎后出现跌水。原设计方案不能满足安全消能的要求，为此，对原方案的消能工进行了修改。

经优化，将消力池水平段池长延长至20 m，降低池底高程至-3.50 m，设消力墩，同时将消力池尾坎高程降至-2.00 m，坎后接1:23.5斜坡海漫段(见图4所示)。最不利工况结果表明，橡胶坝开始塌落至坝高3.90 m时，坝顶堰上水头较低，下泄流量小，水流紧贴坝面而下，在坝后底板以及消力池内形成较薄水垫，下泄水流撞击消力墩后，在消力池斜坡段形成稳定的强迫水跃。水流经消力池消能后，出坎水流较平顺，最大底流速为1.33 m/s，海漫中段的最大底流速已经降为0.51 m/s，至防冲槽末端，流速已经减小至0.39 m/s，与下游天然河道水流正常衔接，消能效果良好。

随着坝袋逐渐下塌，坝前一段距离内水面线逐渐变陡，堰上水头和单宽流量都逐步增大，过坝水流动能加大，除塌落坝高0.70 m的工况外，其余工况水流均能在与消力墩发生碰撞后在消力池斜坡段形成稳定水跃，水流发生较强烈的紊动掺气消能。当上游为正常蓄水位3.50 m时，塌坝高度为3.10 m、2.30 m、1.50 m、0.70 m工况的消力池坎后最大底流速分别为1.52 m/s、2.18 m/s、2.59 m/s、2.29 m/s，消能效果良好(见图5)，出池水流与下游河道水流平顺衔接。当上游为正常蓄水位1.50 m时，塌坝高度为1.50 m和0.70 m工况的消力池坎后最大底流速分别为1.54 m/s和1.91 m/s，出池水流亦能与下游河道水流平顺衔接[7]。

图4 赤吟橡胶坝断面模型优化方案布置示意(单位：高程 m，长度 mm)

图5 赤吟橡胶坝断面模型优化方案流态示意

在正常蓄水位工况下，橡胶坝会处于不同的塌落度进行塌坝溢流，宣泄多余洪水流量，以维持上游正常蓄水位。试验中，分别模拟橡胶坝处于近期1.50 m正常蓄水位下的3个塌落度以及远期3.50 m正常蓄水位的5个塌落度的运行工况，成果见表2。该河段属于感潮河段，下游难以确定稳定的水位流量关系，因此，除初始塌落工况的下游水位以历年最低低潮位-1.01 m作为控制水位，其他塌落度工况均以水跃在消力池发生稳定水跃，满足安全消能为条件控制下游水位。

表2 赤吟橡胶坝不同塌落度泄流量及下游安全水位

3.2 橡胶坝不同塌落度时的过流能力

橡胶坝在不同塌落度时，自由泄流条件下，上游水位对应的泄流量。从图6可看出，同一塌落高度，上游水位越高，下泄流量越大，同时流量越大，上游水位升高逐渐缓慢。

图6 橡胶坝不同塌落度的上游水位与泄流量关系曲线示意

试验研究下游水位变化对橡胶坝过流能力的影响见表3。结果表明：橡胶坝泄流时，下游水位只有上升到一定高度才会对上游过流造成顶托影响。因此，实际橡胶坝泄流时受下游潮位涨落的影响较小，过流能力较为稳定。橡胶坝实际操作过程中可以通过调整塌落坝高灵活控制下泄流量。

表3 正常蓄水位3.5 m时对上游产生顶托影响的下游临界水位

3.3 橡胶坝运行管理建议

1) 由于橡胶坝充起和塌落的周期较长，汛期应根据天气预报和上游洪水预报，预先腾空库容，削减洪峰，保证橡胶坝安全，避免上游淹没损失。

2) 橡胶坝初始泄流时，由于此时下游水位较低，塌坝速度应加以控制，突然泄放较大流量，易造成下游水工建筑物破坏；因此，橡胶坝应该先塌落0.3～0.6 m的高度，泄流一段时间后，待下游水位上升达到下游消能的安全水位后，再继续下塌。

3) 当橡胶坝溢流时，必须随时进行观测，避免坝袋发生振动。若在溢流时出现振动现象，应加快充排速度，迅速改变坝高，以减轻或消除振动现象。

4) 应尽量避免橡胶坝长时间处于较低的坝高进行大流量泄流，以免由于水流强脉动造成坝袋贴地部分磨损破坏。

5) 为防止橡胶坝老化、延长坝袋的使用期，需及时检查坝袋的情况，如出现老化裂纹，应及早进行表面涂防老层的处理，同时注意遮掩坝袋，避免直接照射，尽量保证橡胶坝坝面经常过流[8]。

4 结语

本文通过赤吟橡胶坝断面物理模型试验，研究了橡胶坝的塌落度形态，测试橡胶坝在不同塌落度时，上游水位对应的橡胶坝泄流量。试验表明，同一塌落高度的橡胶坝，上游水位越高，下泄流量越大。研究了不同流量和塌落度组合工况下，橡胶坝坝后消能的流态，优化坝后消力池和海漫段的布置，并提出了不同流量对应的消能安全水位，还提出了赤吟橡胶坝今后运行的调度规则、管理建议。可供类似工程设计和运行参考。