地下水库汛期调度运用及管理实例研究

2022-02-11李城涵

山西建筑 2022年3期

孙晨，李城涵

(1.山东省水利勘测设计院有限公司，山东济南 250013；2.山东水文水环境科技有限公司，山东济南 250014)

乳山河地下水库位于乳山河流域下游，不仅可以缓解乳山市水资源紧缺状况，满足该区今后社会经济发展对水资源的需求，提高水资源的利用效率，而且能防止海水入侵、水质等问题进一步恶化。地下水库经济效益和环境效益显著。地下水库汛期调度根据各橡胶坝的位置、工程特性、汛期来水、塌坝流量，有计划地进行塌坝，满足地下水库的防洪安全[1]。

1 工程概况

乳山河地下水库位于乳山河干流与支流司马庄河上，分为上级库工程与下级库工程。上级库工程包括上级库地下截渗墙、于家庄橡胶坝工程；下级库工程包括下级库地下截渗墙、乳山寨橡胶坝、凤台顶橡胶坝等。其中乳山寨橡胶坝左岸设调节闸1处。

乳山市乳山河地下水库上下级库总库容共2 197万m3，于2018年9月完成竣工验收，工程洪水标准按20 a一遇设计，50 a一遇校核。乳山河地下水库的3座橡胶坝能够最大限度拦蓄过境水量，为区域地下水补给、工农业供水提供水源。因为这些拦河橡胶坝蓄水能力较大，如果调度不当，会直接影响橡胶坝工程及周边乡镇的防洪安全。乳山河地下水库下游河道为20 a一遇防洪标准，影响下游威青高速、S202省道等以及附近夏村镇、乳山寨镇、乳山口镇等三个镇的沿河村庄、耕地等。

2 汛期控制运用指标计算

2.1 洪水调度原则

乳山河地下水库的3座橡胶坝组成了一个橡胶坝群(见图1)，入汛后，橡胶坝工程首先要考虑的是防洪安全，其次才是兴利、景观需要，结合乳山河地下水库前几年的调度实况和省内其他橡胶坝群调度运用经验，乳山河3座橡胶坝的调度要遵循以下6个原则：限蓄原则、洪水分级原则、峰小量大原则、泄量相当原则、先蓄先泄原则、跟踪预报原则[2]。

2.2 设计特征水位

设计特征水位主要包括橡胶坝的正常蓄水位和下游挡潮水位见表1。

表1 乳山河地下水库主要特征水位指标表 m

2.3 汛期限制水位

根据《山东省橡胶坝控制运用导则(试行)》，汛限水位按汛初(6月1日—6月20日)、汛中(6月21日—8月31日)、汛末(9月1日—9月30日)三个阶段设定。汛中限制水位取闸上1/2正常蓄水深对应的水位，汛初和汛末限制水位可在汛中限制水位至正常蓄水位以下0.5 m之间合理确定。于家庄橡胶坝在乳山河干流上，为安全起见，汛初和汛末限制水位取正常蓄水位以下1 m；乳山寨橡胶坝是乳山河最后一级拦河坝，且承担挡潮作用，防洪压力较小，汛初和汛末限制水位取正常蓄水位以下0.5 m；凤台顶橡胶坝在支流司马庄河上，防洪压力较小，且承担挡潮作用，汛初和汛末限制水位取正常蓄水位以下0.5 m。根据以上原则综合确定的3座橡胶坝特征水位如表2所示。

表2 乳山河地下水库汛限水位指标表 m

2.4 橡胶坝过流计算

根据SL 227—98橡胶坝技术规范，橡胶坝泄洪能力，可按堰流基本公式计算：

其中，Q为过坝流量，m3/s；B为溢流断面的平均宽度,m；h0为计入行进流速水头的堰顶水头，一般情况下，行进流速水头较小，计算时常忽略，m；m为流量系数；σ为淹没系数，可取宽顶堰的试验数据，自由出流为1.0；ε为堰流侧收缩系数，与边界条件有关。

橡胶坝的流量系数介于宽顶堰与曲线型实用堰之间，坝袋完全坍平时，可视作宽顶堰，流量系数m=0.33～0.36；坝袋充胀时，可视为曲线型实用堰，流量系数m=0.36～0.45。

通常情况下，橡胶坝坝袋在充满状态下，坝顶水深不宜大于50 cm，所以当坝顶水深0.5 m时即要开始塌坝泄洪。3座橡胶坝泄洪能力计算成果见表3～表6[3-5]。

表3 于家庄橡胶坝泄洪能力计算表

表4 乳山寨橡胶坝泄洪能力计算表

表5 乳山寨橡胶坝调节闸泄洪能力计算表

表6 凤台顶橡胶坝泄洪能力计算表

2.5 洪水调度计划

汛期开始，乳山河水库3座橡胶坝均服从乳山河地下水库管理所统一调度。一般次序是先下游后上游，必须保证各坝塌落总历时最短，以保证最上游坝也是最早接到洪水的那个坝能在洪水来到前腾完库迎接洪水，这是泄洪准备工作，接下来就要根据来水大小各坝确定是否将橡胶坝塌落到底。

1)根据限蓄原则。

a.于家庄橡胶坝汛初执行汛初限制水位(5.00 m)，6月21日前应降至汛中限制水位(3.75 m)，9月1日起，恢复至汛末水位(5.00 m)。

b.乳山寨橡胶坝汛初执行汛初限制水位(1.50 m)，6月21日前应降至汛中限制水位(0.25 m)，9月1日起，恢复至汛末水位(1.50 m)。

c.凤台顶橡胶坝汛初执行汛初限制水位(1.50 m)，6月21日前应降至汛中限制水位(1.00 m)，9月1日起，恢复至汛末水位(1.50 m)。

各特征水位数值见表2。

2)根据洪水分级原则和泄量相当原则，参考橡胶坝过流能力计算表3～表6，制定洪水分级表见表7。

表7 乳山河地下水库3座橡胶坝洪水分级表 m3/s

因为于家庄橡胶坝和乳山寨橡胶坝都在乳山河干流上，是上下游关系，所以以于家庄橡胶坝上游来水大小为准。

a.当于家庄橡胶坝上游来水小于70 m3/s，为小洪水，于家庄橡胶坝不塌坝，来水完全通过坝顶溢流，乳山寨橡胶不塌坝通过调节闸下泄。

b.当来水为70 m3/s～800 m3/s时，为一般洪水，于家庄橡胶坝塌落1/3～1/2坝袋，乳山寨橡胶坝塌落1/3～1/2坝袋或通过调节闸泄洪(在来水流量小于300 m3/s时，乳山寨橡胶坝可以不塌坝调节闸泄洪，以实现其挡潮作用)。

c.当来水为大于800 m3/s时，为中高洪水，于家庄橡胶坝和乳山寨橡胶坝全部塌坝泄洪。

凤台顶橡胶坝位于支流司马庄河上，相对独立：

a.当凤台顶橡胶坝上游来水小于30 m3/s，为小洪水，凤台顶橡胶坝不塌坝，来水完全通过坝顶溢流。

b.当来水为30 m3/s～250 m3/s时，为一般洪水，凤台顶橡胶坝塌落1/3～1/2坝袋。

c.当来水为大于250 m3/s时，为中高洪水，凤台顶橡胶坝全部塌坝泄洪。

3)根据峰小量大原则，橡胶坝塌坝必须在洪水到来之前完成。橡胶坝设计塌坝时间一般在1 h～3 h左右(于家庄橡胶坝1 h～1.9 h，乳山寨橡胶坝1.2 h～2.4 h，凤台顶橡胶坝50 min～1.7 h)。在汛限水位下塌坝，时间比设计水位下塌坝时间略短，为安全起见，汛限水位下塌坝时间仍取设计蓄水位下的最大塌坝时间，即于家庄橡胶坝1.9 h，乳山寨橡胶坝2.4 h，凤台顶橡胶坝1.7 h。因为洪水遇见期有限，得到气象部门大雨预报后，必须提前6 h塌坝运行，恢复原河床断面，宣泄洪水。

4)根据先蓄先泄原则，梯级橡胶坝无论是塌坝泄水腾空库容还是充水拦蓄洪水尾部均应按照先下游后上游的次序进行。为错峰，塌坝时，先从乳山寨橡胶坝开始，然后再凤台顶橡胶坝，最后于家庄橡胶坝。各橡胶坝塌坝开始时间可分别向后错开10 min。蓄水时，亦先从乳山寨橡胶坝开始，待乳山寨橡胶坝蓄至汛限(汛末)水位时，再依次将凤台顶橡胶坝、于家庄橡胶坝蓄至汛限(汛末)水位。

5)根据跟踪预报原则，乳山市水利局气象局应建立重要天气及时报告制度，当乳山河流域有较大降雨可能时，应提前1 d～3 d通知市防办和有关单位。当乳山河上游发生较大降雨时，乳山市水利局驻市防办水情值班人员应根据乳山河上游的龙角山水文站、中游台依雨量站的实测数据，快速预报出乳山河干流上游来水的洪峰流量、洪水过程，依此来决定橡胶坝的调度方式。乳山市防办、威海市水文局和地下水库管理所应密切配合，汛情传递要畅通，预报手段也要实现现代化。

6)防止海水入侵：在保证完成防洪任务的情况下，凤台顶橡胶坝和乳山寨橡胶坝还应承担防止海水入侵的任务，在遇到洪水需要泄洪时，必须等到坝上洪水位高于坝下潮水位才能泄洪。否则延迟泄洪，待洪水位超过坝下潮水位时再泄洪。当洪水过去后，及时立坝发挥挡潮作用。

2.6 工程险情处置及抢护

当橡胶坝发生险情时，险情处置流程如下：

1)乳山河地下水库管理所加强对橡胶坝工程的监测和巡视检查，动态跟踪水位和工程险情发展变化，做好信息汇总与传递，定时续报相关情况，为处置提供支撑。

2)发生险情后，乳山河地下水库管理所立即组织抢险队进行应急处置，同时向市水利局和市防办报告。

3)乳山市水利局接到险情报告后，应立即派出专家组赶赴现场，组织、指导现场抢险工作；同时调度抢险队伍和抢险物资赴现场待命支援。

4)当险情持续发展，抢险队伍或物资不能满足抢险需求时，应立即报告市防办请求支援，并说明需要的人员数量及抢险物资种类与数量、到达的时间与地点。

结合乳山河地下水库工程基本情况及自然地理位置，对可能发生的橡胶坝险情提出基本的抢险措施：

1)自动化控制系统损坏和断电都是充排设备无法正常工作的原因。如果是自动化控制系统出现故障，抢险队员应该手动操作按钮开关进行充排操作；外用电网停电时，应该第一时间利用发电机组发电带动设备正常运行。

2)建筑物的岸墙、翼墙、边墩、护坡等混凝土或砌体与堤防土坝结合部位，由于土料回填不实，建筑物与堤坝承受的荷载不均匀，或结合面处理不好，很容易引起裂缝。一旦临水面水位升高或遇降雨地面径流侵入，沿岸墙、翼墙、边墩与堤坝结合裂缝流动，可能造成集中渗漏。严重时，在建筑物下游造成管涌、流土等险情，危及建筑物及橡胶坝安全。渗水漏洞抢护的原则：临水截渗，背水导渗。大汛期、遇超标准洪水或平时高水位时，水压力、流速和风浪加大，翼墙可能出现裂缝、塌坡、溃决等险情，必须紧急抢护，避免失事。