银州区柴河行洪兼灌溉橡胶坝高程设计分析

邵 泉，王 杰，韩 成

(1.铁岭市银州区农业农村局，辽宁 铁岭 112000；2.铁岭县现代农业发展服务中心，辽宁 铁岭 112000；3.辽宁省水利事务服务中心，辽宁 沈阳 110000)

1 基本情况

银州区柴河橡胶坝位于银州区北部柴河干流上，距离铁岭市京哈高速柴河大桥下游约100m，不仅承担着城市防洪任务，满足平顶灌区的引水需要，还具有形成生态水面、改善自然景观等作用。橡胶坝分3跨，设2座中墩，宽0.6m，坝体总长163.20m，坝顶高程63m，橡胶坝底板高程60.50m，底板顺水流宽8.2m，底板下前后各设一道齿墙，坝体前为钢筋混凝土铺盖，下游设有混凝土结构消力池，长18.5m；消力池下游设海漫，总长14m。

2 行洪设计

2.1 行洪流量设计

橡胶坝选址位于柴河入辽河口上游1.1km处，入辽河口处洪水由柴河水库以上洪水与柴河水库至入辽河口区间的洪水组成。选择典型年法和同频率组成法进行设计洪水地区组成分析。典型年选择1953年，柴河水库1953年典型洪水过程，由太平寨实测洪水过程，考虑洪水传播时间，按面积比法推求。柴河入辽河口处1953年典型洪水过程，由柴河水库洪水过程，考虑洪水传播时间，按面积比法推求。柴河水库至入辽河口处区间的洪水过程，由入辽河口处洪水过程减去柴河水库演进至入辽河口的洪水过程求得[1- 3]。

2.1.1典型年法设计洪水地区组成成果

将柴河入辽河口处各频率设计洪量按1953年典型分配比例分配给柴河水库和柴河水库至柴河入辽河口处区间，即可求出各地点对应洪量。各地点不同频率洪峰，由柴河水库按洪量放大的洪水过程线演进至柴河入辽河口处，并与区间按洪量推求。设计洪水组成成果见表1。

表1 典型年法(1953年)设计洪水成果表

2.1.2同频率组成法设计洪水地区组成成果

柴河橡胶坝上游柴河水库控制面积占柴河流域面积近90%，为简化计算，柴河水库以上和柴河水库以下至柴河入辽河口区间，采用同频率组成法，不按水库设计、区间相应和水库相应、区间设计两种组合方式考虑，仅按同设计组合考虑，即水库设计、区间设计，设计洪水成果见表2。

表2 同频率组成法设计洪水成果表

2.1.3橡胶坝泄洪流量设计

柴河入辽河口处组合设计洪水，由水库调洪后的放流演进至柴河入辽河口与区间洪水组合构成。在前述两种方法中，柴河水库洪水按上述调度运用方式调洪，其出库流量经演进与下游区间对应洪水过程组合，即为柴河入辽河口处组合设计洪水，其最大组合流量见表3。同频率组成法计算的组合设计流量比典型年法的大，出于偏安全考虑，选择同频率组成法计算的组合设计流量[4- 5]。

表3 2种方式组合流量设计成果 单位：m3/s

柴河水库坝下至柴河入辽河口之间各地点组合设计流量，以柴河入辽河口最大组合设计流量和柴河水库最大出流为上下限，按水库坝下至某地点间集水面积与入辽河口集水面积的比值，直线内插求得。平顶灌区橡胶坝位于桩号9+060，洪水设计标准采用20年一遇设计，50年一遇校核。20年一遇标准洪水组合设计流量为550m3/s，50年一遇标准洪水组合设计流量为700m3/s。各地点组合设计流量见表4。

表4 同频率组成法各处组合流量设计值 单位：m3/s

2.2 橡胶坝高程设计

橡胶坝运行工况参照现行的工程管理办法，每年的灌溉季节，橡胶坝为保证下游灌区的灌溉水量，需要中孔塌坝运行;正常蓄水时，为避免坝袋频繁起落，设计允许坝顶在一定水深范围内溢流，溢流水深控制在坝袋共振区内运行。柴河橡胶坝的坝顶溢流水深最大控制在0.3m，当溢流水深超此限，须坍坝泄洪。坝顶及坍坝过程中溢流按实用堰计算过流能力；坍坝后，按宽顶堰计算过流能力。根据SL 227—98《橡胶坝技术规范》，不同坝高时的泄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，取162m；h0—计入行进流速水头的堰顶水头，取0.3m；m—流量系数，坝袋冲胀流量系数为0.45，坝袋完全坍平的流量系数为0.36；δ—淹没系数，自由出流为1；ε—堰流侧收缩系数，取0.999。

经计算，橡胶坝充胀运行时要求橡胶坝坝顶最大水深为0.3m，泄流能力为52.98m3/s;灌溉期，橡胶坝过流量为150m3/s时，橡胶坝坍平中孔泄流，泄流段上游水位按照宽顶堰进行计算，为61.10m;当柴河达到设计洪水，橡胶坝坍平泄流，橡胶坝过流量为550m3/s时，按照宽顶堰进行计算，坝上游水位为62.13m；当柴河达到校核洪水，橡胶坝坍平泄流，橡胶坝过流量为700m3/s时，按照宽顶堰进行计算，坝上游水位为62.43m。所以坝顶高程设计为63.00m。

3 灌溉高程校核

3.1 灌区灌溉定额计算

平顶灌区是以水田为主的灌区，灌溉方式为浅湿灌溉，灌溉保证率采用75%。对于万亩以上灌区应采用时历法确定历年各种主要作物的灌溉制度，根据灌溉定额的频率分析选出2～3个符合设计保证率的年份，以其中灌水分配过程最不利的年份作为典型年，以该典型年的灌溉制度作为设计灌溉制度[6- 9]。这种方法全面考虑了影响水稻灌溉定额的因素，但计算工作量相当大。辽宁省水利水电勘测设计研究院对辽宁省10个灌区的23个代表站进行了长系列操作演算，提出23个站的水稻历年灌溉制度设计成果，总结出一套简算法——辽宁省水稻灌溉制度设计的简算法。银州区平顶灌区灌溉制度的确定即采用此方法。水稻灌溉定额包括育苗用水、泡田期用水和生育期用水。

3.1.1育苗、泡田用水

根据试验资料及本地的实际情况，参考《辽宁省各种作物灌溉制度分析》，平顶灌区育苗水量为15m3/亩，育苗时间为4月中下旬；泡田水量为130m3/亩，泡田时间为5月10—25日，共16d。

3.1.2生育期用水

平顶灌区属辽河中游河谷平原，采用铁岭站成果，生育期起止时间为5月26日—9月24日，共122d。水稻生育期用水包括叶面蒸腾、棵间蒸发、田间渗漏量。计算方法采用“辽宁省水稻灌溉制度设计的简算法”。根据开原灌区历年(1960—1999年)水稻生育期降雨量，查铁岭站生育期降雨-生育期有效降雨-生育期灌溉定额关系曲线，得出开原站历年生育期灌溉定额，由历年生育期灌溉定额进行频率计算，选出灌溉保证率为75%的典型年为1979年、1996年、1962年三年。经分析，以最不利的年份1996年作为典型年，以该年的灌溉制度作为设计灌溉制度，推求出生育期灌溉定额为707m3/亩。将上述育苗用水、泡田用水、生育期用水相加，得到保证率为75%的水稻净灌溉定额为852m3/亩。

3.2 灌区流量设计

灌区土壤为沙土，干支渠均实行续灌，支渠以下斗、农渠实行轮灌，以典型二支渠为例，同时灌水的斗渠有3条，分两组轮灌，每条斗渠同时供水给4条农渠。算出二支渠渠系水利用系数，将其作为扩大指标，确定其他支渠的渠系水利用系数。经计算，灌区设计流量为1.55m3/s，加大后流量为2m3/s，按照现有灌区分水闸底板高程，水位按照63.00m高程，采用堰流有关公式计算，引水闸进水流量为2.5m3/s，大于灌区所需流量，高程满足要求。干渠流量设计见表5。

表5 灌区干渠设计流量推求表

4 结语

橡胶坝是一种技术较为成熟的拦蓄水建筑物，与传统土坝、混凝土坝相比，具有建设快、成本低、美观等特点，在调节水头较低、跨度较大的河道上广泛应用。在坝体设计过程中，因橡胶坝的功能不同，坝顶高程设计方法也不尽相同，文章所述内容虽是行洪兼灌溉橡胶坝高程设计的方法，但对只有行洪或只有灌溉单一功能橡胶坝高程设计同样具有借鉴意义。文章不足之处是未对橡胶坝的实际水位、流量运行情况进行介绍，只是定性说明与设计方案较为吻合，不能定量分析实际运行情况与设计方案差异程度，希望在这方面能够与其他学者进行交流、研讨。