甘肃省西河县城段漾水河综合治理工程橡胶坝充排系统方案探讨

孙军平

(陕西省水利电力勘测设计研究院,陕西 西安 710001)

甘肃省西河县城区段漾水河综合治理工程拟在漾水河城区段约4 km范围的河道内布置 10座橡胶坝,形成连续的景观蓄水面,从而达到美化城市环境、提升城市品味的效果。充水枕式橡胶坝既要满足立坝蓄水又要兼顾塌坝泄洪、且塌坝泄洪确保城市防洪安全是本工程实施的基本前提,因此橡胶坝充排水系统的方案选择至关重要。

1 坝袋充排水方案

根据橡胶坝工程充排水方式,可供选择方案有如下三种:

(1)方案一:动力抽排。布设泵站,采用动力抽水塌、立坝袋。

方案优点:传统充排系统,在同类已成工程中大量应用,采用动力抽排、集中控制,方案成熟、运行管理安全、方便、可靠。

方案缺点:泵站运转需耗电、需修建泵房,一次性投资过大。

(2)方案二:自流充排方案。依托地形,通过系统设计形成水头差、完全依赖重力流实现坝袋塌、立充排水。

方案优点:该方案舍弃了布设充排泵站的传统设计形式,最大限度的简化了充排水系统。

方案难点:工程区的 10级坝袋间设计地形高差是否能满足实现重力自流充坝塌坝的条件。

(3)方案三:动力与自流充排结合。布设泵站、塌坝排水时采用动力抽水塌坝,立坝采用河道引水重力流实现。

该方案与方案一基本相同,但坝袋充水采用重力自流,较方案一节省运行电费。

对比以上三种方案优缺点,针对本工程橡胶坝级数多、地形落差大的特点,从节约投资角度看方案二具有明显优势,因此,首先对方案二做具体分析。

2 自流充排方案

2.1 坝袋塌坝排水

按排水至下一级坝后消力池和排水至左右岸污水管道内两种方案考虑进行管路水力计算。

1)基本条件

(1)河道比降:漾水河天然设计河道比降为 5.45‰;

(2)坝袋设计参数:坝高 2.2～3.0m,坝袋容积 500～900m3。

(3)参考《橡胶坝工程技术指南》中规定,国内已建橡胶坝塌坝时间要求在 1～2 h之内,结合城区段防洪安全要求,本次设计塌坝排水时间≤1.5 h。

(4)设计河道内蓄水最大深度区为坝前、与坝袋同高度,最小蓄水深度区为每级坝后为 0.2 m深度,均较坝底板高出0.2m。

(5)塌立坝管路长度均按到下一级坝址位置考虑。

2)自流塌坝排水计算成果表,见表 1。

表1 自流塌坝管道水力要素表

经分析,当采用管径 DN 400时,各坝后排水位均小于坝址处河道 20年一遇洪水位,即排水管路无足够的水头实现自流。若要实现自流排出可采取两种措施,即加粗排水管的管径或选择更远的下游出水口,经进一步计算,按出口富裕水头最小的 4#坝考虑,设计加粗排水管径到 0.8 m,坝后出水水位1 581.78m,仍小于 20年一遇洪水位。若选择更下游排水口,则增加了排水管道长度,从节约投资的角度看,这两种做法均不经济。综上述,选择自流排水塌坝出水口至下游一级坝袋后的方案不具备可行性。

3)排水自流至两岸污水管道

该方案考虑最大限度的利用现有出水措施,减少排水管路长度,从而达到节约投资、方便施工的目的。该方案实施的要点是:能否实现所有坝袋在规定的 1.5 h内完全塌坝,同时要避免排污管内沿途水流量不叠加,保证现有排污管道的过流排污能力。针对该问题,对设计排污管道的自身过流流速进行计算。如果在确定的管径、管材、坡降等条件下,管道内的计算流速在坝袋塌坝 1.5 h内的流程小于两级坝袋之间的距离,则该方案可行,否则会由于沿途流量的叠加最终导致设计沿途排污管道过流能力不足。

左右岸排污管道自身流速计算:采用曼宁公式,结果见表2。

表2 左右岸排污管道设计流速表

根据以上计算结果可知,在塌坝必须的 1.5 h内,按排污管的设计流速,污水最小流程达 7.9 km,远超过总蓄水区的4 km长度,所以沿途各坝袋的塌坝水流必定叠加。目前左右岸排污管道管径设计均按现有排污流量做一定加大流量后确定,根据以上计算结果,当末端管径为DN 800时,其最大过流能力为 0.81m3/s,若再叠加塌坝流量,按左右岸各排 5个坝均摊考虑,平均单岸流量为 0.573m3/s,叠加污水后总流量达到 1.383m3/s,在目前管材、设计管道坡降确定的条件下,经计算需要排污管管径为 DN1 000,才能满足过流要求。

综上述计算结果,本次设计在尽量避免增加排污管径的前提下,根据业主对河道治理工程总体实施的先后顺序,按排污管过流能力,考虑仅将前 4座坝袋塌坝水排入污水管道。对于其余 6座坝袋塌坝排水,由于无实现自流排水的条件,所以设计仍需按动力抽排方案设计。

2.2 坝袋立坝充水

根据地形和水源条件,首先必须对 1#坝就近建蓄水池引河道水抽水立坝,形成对下一级坝袋立坝满水时足够的水头差。其余坝袋均按引取上一级坝前河道蓄水进行充坝管路水力计算。

计算条件:

上水位确定:为上一级坝前蓄水位,因坝袋引取水量远小于库区蓄水量、且考虑河道来水补给而考虑恒定不变。

下水位确定:为下一级坝袋充满时坝袋自身高度乘内压比,设计内压比均为 1.3倍。设计成果见表 3。

表3 自流充坝管道水力要素表

根据计算结果,按充坝时间为15h考虑,充水管道口径为 DN 200设计时,除 5#坝外其余均能满足立坝水头要求,且出水口仍有一定富裕水头。将 5#坝充水管路调为 DN 300管径后,充水时间满足设计15h的要求。所以,2#-10#坝袋立坝完全能采用自流充水方案实现。

3 结语

根据以上分析论证,在不超过左右岸排污管道的过流能力的前提下,方案二:自流充排方案可以实现 1#-4#坝袋的自流塌坝排水,并满足 2#-10#坝袋的立坝充水。但 1#坝充坝、5#-10#坝袋塌坝排水均应结合方案一,即采用动力抽水方式,才能满足所有坝袋充排水系统的正常运行。因此推荐方案三,即动力与自流充排相结合的措施作为实施方案。

[1]GB/T50265-97,泵站设计规范(S).北京:中国计划出版社,1997.

[2]高本虎.橡胶坝工程技术指南(第二版)(M).北京:中国水利水电出版社.

[3]陕西省水电设计院,甘肃省西和县漾水河城区段生态环境治理工程初步设计报告,2008-12.