石堤河防倒灌工程调度和运行分析

谭 强

（陕西省三门峡库区华州河务中心,陕西 渭南 714100）

1 工程基本概况

陕西渭南华县境内5 条南山支流由南向北穿境而过汇入渭河,南山支流堤防把华县防护区分割成为四个封闭的独立区域,支流堤防成为华县防护区最后的防洪屏障。受渭河历年洪水倒灌淤积影响,支流河道也发展成为地上“悬河”,渭河“03.8”洪水就是因为渭河洪水倒灌南山支流,多处支流堤防出险决口,造成重大经济损失。为防止南山支流决口后渭河洪水倒灌,减轻支流河道因倒灌淤积,加重“悬河”这一问题,2012 年陕西省在石堤河入渭口建设了第一座防御渭河洪水倒灌工程,该工程为全国首例以橡胶坝作为堤坝拦挡河口洪水的水利工程。石堤河防倒灌工程建设在南山支流石堤河与渭河防洪堤交汇处,工程按照拦挡渭河50 年一遇洪水标准设计,下游消能防冲设施按南山支流20 年一遇洪水标准设计。工程由橡胶坝袋（全长74 m,充坝最大高度4.5 m）,泄洪闸（孔口尺寸6 m×4 m）、坝肩平台、充排水系统、房屋建筑等部分组成。按工程特性可分为四类：橡胶坝袋、洪洪闸门、机电设备、水工建筑物。

2 工程运行现状

2.1 防倒灌工程建设原因

渭河和南山支流入渭口建设防倒灌工程,是因为它们之间存在着渭河水顶托南山支流来水下泄、倒灌南山支流的关系,防倒灌工程就是为了预防这种关系而产生的。顶托是一种地理现象,指支流水流被干流高水位所阻,形成雍水现象；倒灌是雍水以后,干流水位高于支流水位,干流来水从河口流入支流的现象。渭河下游二华（华州、华阴）南山支流受渭河洪水顶托、倒灌现象非常明显,南山支流来水,受渭河水位上涨顶托,不易下泄,渭河水位上涨高于支流来水水位,形成倒灌。受倒灌影响的南山支流河床逐年形成淤积,使支流堤防临背差不断扩大,石堤河堤防最大临背差在3.0 m以上,遇仙河、赤水河堤防最大临背差超过4.0 m。南山支流发生倒灌产生雍水,支流堤防出险机率增加,防汛压力增大,支流堤防一旦决堤,渭河洪水从支流入渭口灌入,后果不堪设想。经过渭河综合治理,支流河口防倒灌工程建成,将支流出险和决堤造成的重大险情机率降低,把南山支流决堤带来的经济损失减轻,成为渭河下游南山支流防汛安全的一道重要屏障。这样一来支流入渭口的防倒灌工程合理启用、科学调度、精准运行就非常重要。

2.2 工程运行情况

石堤河防倒灌工程2013 年建成,运行管理单位预案设定启用标准为预报华县站流量4000 m3/s,该工程在渭河华县水文站上游5 km 渭河右岸。2021 年以前,工程建成7 年未遭遇启用量级洪水,工程无启用运行的水文数据,对工程启用充坝高度、防御渭河洪水和支流来水调节运行,我们无法通过实践进行检验。2021 年9 月～10 月渭河发生了4 次洪水,其中3 次达到编号量级,2 次洪水石堤河防倒灌工程启用,通过对渭河华县站洪水信息分析,与石堤河防倒灌工程水文数据对比,得出相对可靠的数据信息,可为石堤河防倒灌工程科学调度、精准运行和工程防洪预案修编提供一定的依据。

3 工程调度和运行分析结论

3.1 渭河典型洪水特性分析

把渭河2021 年2 号洪水3 号洪水华县站水文特征和石堤河防倒灌工程水文信息进行对比分析,得出石堤河防倒灌工程调度、运行相关数据,这为今后防倒灌工程调度、运行提供了一定的依据。

渭河2021 年2 号洪水是典型的渭河、黄河、南山支流洪水遭遇,9 月28 日渭河华县站出现洪峰4860 m3/s,对应黄河潼关站流量7480 m3/s,南山支流石堤河入渭口水位顶托雍高超渭河水位0.32 m,2 号洪水华县站最高水位341.91 m,为该站建站以来实测最高洪水位,因此取该典型年份洪水进行分析。

渭河2021 年3 号洪水是典型的渭河、黄河洪水遭遇,10 月8 日华县站洪峰流量4560 m3/s,相应黄河潼关站流量8360 m3/s,该流量为黄河潼关站1979 年以来实测最大流量,渭河3 号洪水在上游魏家堡站、咸阳站出现多峰演进,通过临潼站、华县站洪峰叠加持续演进,华县站4000 m3/s 以上流量持续40 h,为自“03.8”洪水以来较为罕见,因此取该典型年份洪水进行分析。

3.2 渭河典型洪水特征和石堤河防倒灌工程运行对比分析

（1）石堤河防倒灌工程坝底板临水（坝底板高程340.3 m）和华县站水位关系见表1。

表1 石堤河防倒灌工程坝底板临水（坝底板高程340.3 m）和华县站水位关系表

石堤河防倒灌工程坝前临水临界点对应华县站不同流量的水位为339.5 m～339.9 m 之间。

（2）石堤河防倒灌工程启用充坝高度和渭河华县站流量水位关系见表2。

表2 石堤河防倒灌工程启用充坝高度和渭河华县站流量水位关系表

石堤河防倒灌工程按照预案要求在华县站4000 m3/s 启用时,对应的防倒灌工程坝后水深为0.87 m～1.63 m 之间,按照省江河局《渭河华县南山支流三处防御渭河洪水倒灌工程运行管理与维护操作指南》要求,充坝高度即橡胶坝坝顶高程应保持高于渭河临坝水位0.3 m,因此启用石堤河防倒灌工程时,橡胶坝充坝高度控制在1.2 m～1.9 m 范围内,橡胶坝坝顶高程为341.5 m～342.2 m。

（3）预报渭河华县站5000 m3/s 流量时,石堤河防倒灌工程应对方案见表3。

表3 石堤河防倒灌工程坝前实测水位与渭河华县站实测洪峰流量水位关系表

根据目前现有华县站和石堤河防倒灌工程水文数据,2020 年9 月28 日19 时华县站水位341.91 m,为该站建站以来实测最高水位,比2003 年8 月渭河华县站最高洪水位341.88 m 高出0.03 m,该水位对应石堤河防倒灌工程坝后水深2.34 m（水位342.64 m）,按照省江河局《渭河华县南山支流三处防御渭河洪水倒灌工程运行管理与维护操作指南》要求,充坝高度即橡胶坝坝顶高程应保持高于渭河临坝水位0.3 m,故华县站预报渭河5000 m3/s 时,石堤河防倒灌工程橡胶坝充坝高度为2.7 m,橡胶坝坝顶高程为343.0 m。

3.3 防倒灌启用后的调度运行方式

石堤河防倒灌工程是防止渭河洪水向支流倒灌,保护支流堤防安全的一道屏障。防倒灌工程启用采用充坝和塌坝拦挡渭河不同量级、不同组合的洪水倒灌,此时还不能造成支流来水雍高,需采用泄洪闸开启和关闭、橡胶坝溢流调节支流水位,减轻支流堤防的防洪压力,这就需要科学的调度、精准的运行方式进行操作。

3.3.1防倒灌工程遭遇未达到启用量级洪水或只有南山支流来水的工况

以渭河2021 年1 号洪水为例,华县站洪峰流量2430 m3/s、水位339.23 m,南山支流和渭河洪水水位同时上涨,渭河干流和南山支流水位关系：h支＞h干（范围在0 m～0.3 m 以内）,支流来水,橡胶坝前临水,渭河干流洪水未临橡胶坝。运行方式：防倒灌工程未启用,此刻泄洪闸全开泄洪,保证支流水位不高于渭河水位0.3 m,保证南山支流来水畅泄,水位不雍高,橡胶坝不用塌坝运行；只有南山支流来水,泄洪闸保证全开畅泄,根据运行手册,雍水超过0.9 m,可根据需要降低坝袋使来水从橡胶坝顶溢流泄洪。

3.3.2防倒灌工程遭遇达到启用量级渭河洪水,南山支流未来水或来水流量小的工况

以渭河2021 年3 号洪水为例,华县站洪峰流量4560 m3/s、水位340.91 m,渭河洪水位持续上涨,南山支流来水流量较小,渭河干流和南山支流水位关系：h支＜h干,南山支流明显雍水发生倒灌。运行方式：启用防倒灌工程,充坝高度和渭河干流水位关系：h坝＞h干（范围控制在0.3 m）,关闭泄洪闸闸门,坝袋高度随渭河干流水位升高而充坝调节,始终保持充坝高度高于干流水位0.3 m。

3.3.3防倒灌工程遭遇启用量级洪水,南山支流和渭河洪水水位同时上涨的工况

以渭河2021 年2 号洪水为例,华县站洪峰流量4860 m3/s、水位341.91 m,石堤河防倒灌工程坝前水深2.66 m,坝后水深2.34 m,渭河干流和南山支流水位关系：h支＞h干（范围超过0.3 m）。运行方式：防倒灌工程启用,用泄洪闸闸门开启高度调节降低h支；若闸门调节未能使h支降至0.3 m 范围内,塌坝运行操作,坝袋高度和干支流水位高度关系为：h支＞h坝＞h干（取值范围为h坝高于h干0.1m）,使支流洪水可正常溢流、渭河洪水不会倒灌,保证溢流水深高于坝顶不超过0.3 m,以确保泄洪过程坝袋运行安全。

4 结语

通过对2021 年渭河华县站洪水分析,得到了石堤河防倒灌工程启用时充坝高度数据信息,得出了渭河华县站水位与石堤河防倒灌工程坝后水位关系。通过石堤河防倒灌工程启用防御2021 年渭河洪水,检验了工程在不同工况下运行方式,通过实践,对原工程运行方案进行了细化,更科学的调度和精准运行,使石堤河防倒灌工程成功防御了渭河2021 年洪水,为以后工程的调度和运行提供了更加详实可靠的数据支撑。