石堤河防倒灌工程橡胶坝实践运行分析

谭 强

（陕西省三门峡库区华县河务局，陕西 渭南 714100）

1 工程概述

陕西的地理环境和水系分布使陕西的防汛重点主要集中在“一江两河一库区”，这里指的库区即渭河下游陕西三门峡库区，库区的防汛重点主要集中在“二华”（华阴市和华县），“二华”的防汛重点在华县防护区，该防护区位于渭河下游华县境内335 m高程（大沽）以上，即陕西渭河流域防洪的重点地区，该地区位于三门峡库区二华夹槽西部，地势南高北仰、中间夹槽部位低洼。华县境内5条南山支流由南向北穿境而过汇入渭河，依次为赤水河、遇仙河、石堤河、罗纹河、方山河，防护区老西潼公路以北南山支流至入渭口段全由支流堤防工程约束，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，南山支流老西潼公路以北河段河床不断淤高，支流下游段比降变缓，河道也发展成为地上“悬河”，支流堤防最大临背差超过3.5 m，单靠支流堤防防御洪水，防洪风险很大。渭河“03.8”洪水就是因为渭河洪水倒灌南山支流，支流堤防无法经受高水位持续运行，多处支流堤防出险，造成尤孟堤、南山支流石堤河、罗纹河、方山河堤防8处决口，渭河洪水直接倒灌，淹没涉及华县、华阴2县、15乡镇、66个自然村的30万人口，事后统计直接经济损失23.2亿元。

当渭河发生洪水时，渭河洪水向南山支流倒灌，造成南山支流堤防防御洪水风险增加，易造成决口等重大险情，直接威胁当地社会经济发展和群众安居乐业。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。

2 工程设计思路及系统组成

2.1 设计思路

①石堤河堤防自身为砂质土堤，临背差大，河床多有透水砂层，启用石堤河入渭口防倒灌工程拦挡渭河洪水向支流倒灌，同时拦挡石堤河上游来水下泄，河槽水位升高，会迅速形成蓄水库容并向石堤河上游产生回水长度，石堤河堤防防洪压力增加，临水状态的堤防易发生滑坡、渗水、管涌、裂缝等，甚至会因自身来水发生支堤决口等，应在防倒灌工程启用时，做好支流堤防巡堤查险工作。②石堤河防倒灌工程作为渭河下游防洪体系预防洪水的应急辅助工程，一旦石堤河堤防决口，工程可以迅速启用，拦挡渭河洪水倒灌减少灾情扩大化，这也是石堤河防倒灌工程建设的初衷。③工程启用挡水后，假设石堤河上游来水造成支流堤防决口，因支流来水自身水量有限，灾情损失也有限；若石堤河支流堤防决口，工程可拦挡渭河洪水向支流堤防决口倒灌。④橡胶坝充水时可当做拦水坝，防止渭河水倒灌。放水时又可将石堤河水排入渭河，具有根据需要人工可操控的特点。通过对工程的建设目标进行对比，该工程拦挡渭河洪水倒灌作用利大于弊。

2.2 系统组成

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、泄洪闸、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。

2.2.1 橡胶坝袋

石堤河防倒灌工程橡胶坝袋是立坝时拦挡渭河洪水进入石堤河支流的核心部件，为充水枕式结构，多层橡胶结构，厚度约12.5 mm，橡胶坝共一跨，坝袋净宽74 m，设计最大坝高为4.5 m，坝袋充满需水量2543 m3。

按照设计制定的橡胶坝袋运行方案：非汛期坝袋充水高度保持在1.5 m左右，泄洪闸门全部打开，用于下泄支流石堤河来水；汛期南山支流和渭河均未发生洪水时，橡胶坝袋充水高度保持在1.5 m，泄洪闸门全部打开，用于下泄支流石堤河来水。

2.2.2 泄洪闸

石堤河防倒灌工程泄洪闸是调节支流洪水的重要建筑物。泄洪闸布置在橡胶坝的左侧，为1孔闸，闸门孔口尺寸为B×H=6.0 m×4.0 m，闸门为平板螺杆钢闸门，设计为双向挡水，闸室设有启闭机，以电机启闭为主，在电机故障无法运行时，可手动摇把启闭。因石堤河常年未断流，该防倒灌工程日常运行方式以空库运行为主，支流无蓄水任务，泄洪闸门处于常开状态，开启高度H=3.0 m。

2.2.3 充排水系统

充排水系统是防倒灌工程的供给保障系统，控制着橡胶坝的充、塌坝。该系统由水源井、蓄水池、供水管道、2台蜗壳泵、8个调节充塌坝的蝶阀、一套电力自动化控制系统。石堤河防倒灌工程橡胶坝设计充坝时间为4小时，充排水系统采用“单双泵结合、互为备用”的运行方式。充排水安全设施包括：坝袋超压溢流设施、排气设施；安全监测设施包括：坝内水压观测、上下游水位观测等设备。

3 工程运行管理技术分析

3.1 运行原则和状态

石堤河防倒灌工程的运行原则是：拦挡渭河干流设防标准范围内的洪水向支流倒灌，设防流量标准为：3000 m3/s＜工程运行流量范围＜50年一遇洪水，即渭河干流洪水小于平滩流量（对应华县站预报流量小于3000 m3/s）时，橡胶坝不运行；当渭河干流发生超过50年一遇洪水时，为保护工程，橡胶坝袋塌坝运行。

当渭河发生在防倒灌工程运行设防范围洪水时，工程运行状态为：橡胶坝袋充水立坝，泄洪闸关闭，坝袋充坝高度根据渭河洪水和南山支流来水情况调节，始终保持橡胶坝项高程高出渭河倒灌水位0.30 m左右。

3.2 日常运行分析

橡胶坝袋为单跨坝体，设计坝体高度H=4.5 m，日常运行充水高度控制在1.50 m左右，橡胶坝袋体为环形搭接，每档搭接跨度约2.0 m，坝体两端有圆弧形裹头，由于日常运行充水高度未达到设计高度，坝体两端裹头未充水部分向坝体纵向塌落，裹头塌落部位橡胶体形成褶皱，褶皱处由于自然工况加快了橡胶老化，裹头坝体上形成了细小裂纹，而且在不断增加，充坝高度增加后，坝体内部压力加大（坝体高度3.0 m时，坝袋实测压力为40.0 kPa），一旦坝体从裂纹处破裂，强大的内压使充坝的水外泄，坝体内部失压，这就造成坝袋运行拦挡洪水失败。2018年7月，石堤河挡水闸拦挡渭河洪水时就因左侧裹头坝袋撕裂，造成挡水失败，事后调查，撕裂部位为坝体裹头部位，该处搭接缝橡胶层有老化迹象，造成坝袋撕裂直接原因为搭接老化处裂纹受压，搭接处脱胶，造成开裂。后经对华县境内三处入渭口防倒灌工程橡胶坝袋排查，均存在坝体搭接处裂纹老化问题，以坝体两端裹头部位较为严重。

3.3 蓄水分析

石堤河防倒灌工程2012年建成，2014年移交管理单位运行，为测试工程运行工况，经上级主管部门和当地防汛指挥部同意，启用石堤河挡水闸工程，橡胶坝袋充坝运行高度1.50 m，关闭泄洪闸，拦蓄石堤河上游来水，形成人工蓄水库容。

工程拦蓄石堤河支流来水后，水位上升向上游延伸形成水面，产生回水长度，模拟渭河洪水向支流倒灌长度，模拟工程启用拦挡渭河洪水支流蓄水情况分析。经实测，当支流来水水位高程为橡胶坝袋底板高程340.3 m时，蓄水量13.6万m3（达到小（二）型水库标准），回水长度3.8 km，支流下游堤防临堤水深0.3 m；当支流蓄水水位高程为341.8 m时，橡胶坝充坝高度1.50 m，坝袋顶过水溢流，蓄水量49万m3（达到小（二）型水库标准），回水长度5.0 km，支流下游堤防临堤水深1.80 m；因考虑到石堤河支流堤防承受能力，出于安全考虑，未在测试高水位运行。后通过理论测算，当石堤河来水水位高程为橡胶坝袋设计顶高程344.80 m时，蓄水量177.9万m3（达到小（一）型水库标准），回水长度5.5 km，支流下游堤防临堤水深4.8 m。

4 橡胶坝挡水过程存在问题分析

4.1 没有成熟运行管理经验

橡胶坝在世界范围多做为景观工程或民用工程，以抬高上游河道水位形成水面或景观溢流，多为单面挡水。石堤河防倒灌工程橡胶坝为双面上下游挡水，拦挡渭河洪水倒灌和石堤河支流洪水下泄调节，在入渭口防洪倒灌起到关键作用，国内属于首创，坝袋的运行无临水实战经验，还需不断探索，掌握坝袋运行过程性能和各种运行数据。

4.2 橡胶坝在入渭口挡水隐患较多

坝袋日常运行工况较差，常年处于不临水状态，自然环境加速老化；日常坝袋运行高度造成两端裹头不能充胀，形成塌落褶皱，褶皱处老化出现裂纹；汛期石堤河暴雨型洪水流速大、携带杂物较多，其中的尖锐物对橡胶坝袋冲击，易划伤橡胶面和纤维织物，给坝袋留下严重隐患。

4.3 挡水过程坝袋除险无应急措施

一旦防倒灌工程启用拦挡渭河洪水倒灌，若坝袋出现漏水险情，因内部压力大，橡胶坝袋为环形搭接，搭接缝会因内压迅速脱胶，因橡胶粘接要求严格，这种情况无从抢修，会直接造成拦挡渭河洪水失败，故把橡胶坝作为拦挡渭河洪水向支流倒灌的最后屏障是是存在很大风险的。

5 结语

1）石堤河防倒灌工程是渭河下游防洪体系中的应急辅助性工程，工程建设目的为拦挡渭河洪水向石堤河倒灌，工程核心部位为橡胶坝袋。

2）橡胶坝袋因其橡胶自身老化、怕尖锐物、粘接过程环境要求高等特点，坝袋出险后无较好应急抢险补救措施，坝袋拦挡渭河干流洪水是有风险的，不是万无一失的。

3）加强石堤河防倒灌工程日常巡查、工程检查，假设不同工况，对坝袋进行充塌坝演练，寻找缺陷；加强日常坝袋养护工作，研究坝袋在常年不临水工况下运行探索，减少坝袋老化速度；减少日常过程人为对坝袋的损坏，保持坝袋两侧翼墙、底板清洁，避免充塌坝过程尖锐物对坝袋的刺伤破坏。

4）建议针对渭河发生较大洪水，石堤河防倒灌工程启用挡水后，应立即开展石堤河堤防巡堤查险工作，并做好石堤河支流抢险应急物料储备，确保防洪万无一失。