涞源县滨湖新区梯级橡胶坝塌坝泄流过程分析

耿建康

（河北省水利水电第二勘测设计研究院，石家庄050021）

自20世纪60年代世界上首座橡胶坝建成以来，因其经济效益明显、管理方便、景观优美等优点，被广泛应用于城市河道景观建设中，在城区的河道中修建形成橡胶坝群，在发挥蓄水功效的同时，美化自然景观，补给城市地下水，改善小范围气候，在一定程度上提升城市品位。 梯级橡胶坝的蓄水量大，北方地区缺水严重，洪水时间、空间分布不均，塌坝腾空库容度汛会极易造成水资源的浪费。 在落实国家生态文明建设的大背景下，为更加合理的应用水资源，实现水资源利益最大化，塌坝泄流分析对制定汛期橡胶坝群联合调度方案，而又不形成“人造洪峰”，具有重要指导意义。

1 基本情况

1.1 流域概况

拒马河滨湖新区段石门橡胶坝上游主要有艾河沟、沿村沟等支流汇入，流域面积380km2。 河流水量季节性强，流域内降水主要集中在7、8月份，暴雨特征表现为现历时短、强度大。

石门水文站（1956～1994年）等多年观测资料，共发生流量超过200m3/s以上洪水共10次， 从历场洪水来看，石门站出现洪峰时间一般在开始降雨后的30～90min内，拒马河流域洪水属典型的陡涨陡落型。

1.2 设计洪水

拒马河滨湖新区治理段设计防洪标准20年一遇， 设计洪水根据石门站水文资料系列采用实测资料法分析计算，不同标准设计洪水成果如表1。

表1 拒马河橡胶坝工程位置设计洪峰流量成果

1.3 橡胶坝概况

石门橡胶坝坝长118m， 坝高4.5m， 底板高程791.1m，设计蓄水位795.5m；泉坊橡胶坝坝长100m，坝高4.5m，底板高程796.2m，设计蓄水位800.5m。 橡胶坝塌坝均采用坝内水压与下游水位落差自流坍坝方式，坍坝时间均为2h。 橡胶坝设计指标如表2。

表2 橡胶坝设计指标

2 梯级塌坝泄流计算原理

根据GB/T 50979—2014 《橡胶坝工程技术规范》，橡胶坝泄量能力可按堰流基本公式计算：

式中 Q为橡胶坝的下泄流量 （m3/s）；ε为堰流侧收缩系数；σ为淹没系数；m为流量系数；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）；g为重力加速度（m/s2）。

计算采用逐时段演进法计算橡胶坝连续塌坝过程， 先确定橡胶坝塌坝时间和计算时段长等基本参数， 再从第一时段开始， 逐时段计算坝袋塌落后坝高、蓄水库容、水深、堰上水头、坝泄流量。

对于梯级橡胶坝，当上级橡胶坝泄流时，对下级橡胶坝泄流产生影响，使下级橡胶坝泄流量加大，由于两级橡胶坝之间有一定距离， 上级橡胶坝的泄流到达下级橡胶坝需要一定时间， 上级橡胶坝的泄流量不能简单地叠加到下级橡胶坝泄流量。 相邻两级橡胶坝泄流过程，采用水量平衡原理，可通过上级橡胶坝泄流后增加下级橡胶坝库容的方法计算。计算公式如下：

3 调度方案及泄流计算

3.1 调度方案设计

根据橡胶坝上游典型洪水降雨、洪水历时分析，结合橡胶坝的塌坝时间，考虑充分利用雨洪资源，兼顾县城生态景观蓄水的需求， 橡胶坝及下游河道承担较小风险的情况下， 主要分析橡胶坝满坝塌坝度汛和半坝塌坝两种方案。 为保证橡胶坝的安全和避免发生洪水漫溢， 塌坝顺序必须按自下而上进行操作，且上游坝塌坝时间不应早于下游坝。

根据不同塌平时间、 塌坝间隔时间制定联合塌坝方案，如表3。

表3 梯级橡胶坝塌坝方案设计 单位：h

3.2 计算结果

根据构建的梯级橡胶坝泄流计算模型， 采用计算机程序进行计算， 梯级橡胶坝泄流过程及最大泄流量计算结果如图1～图5和表4。

图1 方案1坝塌泄洪过程线

图2 方案2坝塌泄洪过程线

图3 方案3坝塌泄洪过程线

图4 方案4坝塌泄洪过程线

图5 方案5坝塌泄洪过程线

表4 梯级橡胶坝塌坝最大泄量计算结果

4 调度方案分析

根据橡胶坝计算结果，满坝情况下，橡胶坝同时塌坝形成洪峰流量最大539m3/s， 其流量已超过10年一遇，稍与河道洪水遭遇极易人为造成较大洪峰，威胁下游河道和居民安全。半坝情况下，橡胶坝同时塌坝形成洪峰流量最大155m3/s， 半坝塌坝形成的流量也远小于满坝塌坝流量， 半坝塌坝时间与上游河道形成洪峰时间能错开，为橡胶坝半坝运行提供条件。橡胶坝塌坝方案的最大泄流量及发生时间为制定橡胶坝调度运用方案提供依据。

5 结语

橡胶坝自问世60多年以来，随着新材料的迭新，工程技术条件已经成熟， 与之对应的调度管理尤其是橡胶坝群的调度管理仍是当前急需补齐的短板之一。 通过逐时段演进法和水量平衡原理进行梯级橡胶坝塌坝泄流计算， 能较为准确地推算梯级橡胶坝的塌坝泄流过程和相应的最大泄流量， 指导橡胶坝工程的设计和梯级橡胶坝调度运用方案的编制。 橡胶坝上游的雨情和洪水预报系统对调度方案制定具有重要影响，只有该系统建立完善并妥善运用之后，橡胶坝度汛调度与雨洪资源利用、生态恢复、景观蓄水等之间的矛盾才能更好的解决， 建议待洪水预报系统建立，积累一定的调度经验后，进一步细化研究橡胶坝调度方案。