渭河咸阳城区段水景观工程五坝联合塌坝方案探讨

胡文兵，赵丽芸

（1.陕西省咸阳水文水资源勘测局，陕西 咸阳 712000；2.陕西省水文水资源勘测局，陕西 西安 710068）

1 概况

渭河咸阳城区段水景观工程由2004年建设的“咸阳湖”一期和2016年开始建设的“咸阳湖”二期组成。“咸阳湖”长4.96 km，河床断面为复式河槽，主槽宽500 m，两岸滩地宽100 m，主槽内布置北槽蓄水渠和南槽泄洪渠，中间由混凝土挡墙分隔[1]。在北槽蓄水渠的首部、尾部建设了1#橡胶坝和2#橡胶坝，为保证北槽蓄水，在南槽泄洪渠渠首建设了1#副坝（橡胶坝），1#橡胶坝、1#副坝和2#橡胶坝组成了“咸阳湖”北槽蓄水体系，1#橡胶坝和1#副坝为一个坝段。

为使城区河段形成连续的水面景观，“咸阳湖”二期在1#坝上3.2 km处建设了3#气盾坝[2]，在“咸阳湖”南槽泄洪渠尾建设了2#气盾坝[3]，城区河段内形成了三级蓄水区。五坝平面布置图见图1，五坝基本设计参数见表1。

图1 渭河咸阳城区段水景观工程五坝平面布置图

表1 渭河咸阳城区段三级五坝设计参数表

2 单坝塌坝泄流计算

2.1 计算公式

根据《橡胶坝技术规范》(SL227-98)溢流堰过流能力计算公式[5]，计算公式如下，计算示意图见图2。

式中：Q为过坝流量，m3/s；B为溢流断面宽度，m；h0为计入行近流速水头的堰顶水头，m；m为流量系数；ε为淹没系数；σ为堰流侧收缩系数；g为重力加速度，取9.81m/s2。

图2 橡胶坝过流能力计算示意图

2.2 计算方法

采用逐时段演进法计算橡胶坝连续塌坝过程[6]，计算时段长取10 s。先确定橡胶坝塌平时间和计算时段长，再逐时段计算坝高、蓄水量、水深、堰上水头、各系数、坝泄流量。泄流计算过程繁琐、运算量大、耗时长，本次编写计算机程序对橡胶坝塌坝泄流过程进行自动计算，各参数按照《橡胶坝技术规范》(SL227-98)中要求选取[4]。

2.3 计算结果

2#橡胶坝、2#气盾坝、1#副坝、3#气盾坝不同塌坝时间最大泄流量见表2。

表2 不同塌坝时间最大泄流量统计表

2.4 单坝泄流特性

橡胶坝塌坝过程中的最大泄量受塌坝时间、橡胶坝设计坝高、河道比降等因素影响。塌坝时间越短，设计坝高越高，泄流量越早达到最大值，且值越大，对应的坝袋塌落高度也越大。反之，塌坝时间越长，设计坝高越小，泄流量越晚达到最大值，且值越小，对应的坝袋塌落高度越小。

3 梯级塌坝泄流计算

3.1 塌坝方式

梯级橡胶坝塌坝方式按照过洪条件，分为完全塌坝泄洪和半坝溢洪。完全塌坝泄洪是指在上游洪水还没有到达之前就把坝塌平，橡胶坝泄水过程不会与洪水叠加，保障河道行洪安全。半坝溢洪就是指在洪水来临前先把坝高降低一些，不完全塌坝，保留一定蓄水量，节约水资源。为最大程度保证渭河咸阳城区段行洪安全，本次采用完全塌坝迎汛方式。

3.2 梯级塌坝计算方法

采用逆序逐级塌坝，上级坝下泄流量会使下级坝泄流量增大，但两级坝相隔距离，上级坝下泄水量抵达下级坝需要时间，不可以简单把上级坝下泄流量直接叠加在下级坝的泄流量上。相邻两级橡胶坝间的塌坝泄流过程，采用水量平衡法来进行分析运算，即坝蓄水量变化量等于下泄水量与上一级坝下泄水量的差值，计算公式如下：

式中：Vt为橡胶坝蓄水量，m3;为上一级坝泄流量，m3/s，△t为计算时段。

3.3 五坝塌坝泄流计算

3.3.1 塌坝方案设计

根据五坝运行批复要求，咸阳水文站流量小于2800 m3/s，咸阳湖南槽塌坝过洪。咸阳水文站流量大于2800 m3/s，城区河段全断面过洪。为控制五坝塌坝泄流后，最大泄量不超1000 m3/s，本次五坝总体塌坝次序为先南后北、先下后上，即“咸阳湖”南槽2#气盾坝、1#副坝和3#气盾坝完全塌平以后，“咸阳湖”北槽2#橡胶坝、1#橡胶坝开始塌坝。根据不同塌平时间、塌坝间隔时间制定三种联合塌坝方案，见表3。

3.3.2 泄流计算结果

利用梯级橡胶坝塌坝泄流计算程序计算，结果见表4。

4 最优塌坝方案

4.1 控制变量

梯级橡胶坝自上至下编号为1#、2#、3#.......n#，各级坝自身完全塌落时间依次为T1、T2、T3……Tn，对应的塌坝滞后时间为△T1、△T2、△T3…△Tn。塌坝滞后时间指相邻两级橡胶坝中上一级坝滞后于下一级坝的间隔时间。以橡胶坝的自身完全塌落时间Ti和其对应的塌坝滞后时间△Ti为控制变量。

表3 三级蓄水坝联合塌坝方案设计

表4 不同塌坝方案泄流计算结果

4.2 约束条件

（1）橡胶坝自身塌坝时间应该大于等于其最小塌坝时间。

（2）每一级坝塌坝滞后时间应该小于等于下一级完全塌坝所需时间。

（3）橡胶坝自身完全塌落时间及其对应的塌坝滞后时间大于等于零。

（4）橡胶坝最大泄流量不能超过河道泄洪能力。

4.3 模型建立

以下泄流量最小为目标函数，以 T1、T2、T3、△T1、△T2、△T3为控制变量。T1、T2、T3为 1#、2#、3#自身完全塌坝时间。△T1、△T2、△T3为 1#、2#、3#滞后下一级坝塌坝时间。△T3始终为 0，为最下游一级蓄水坝。4个约束条件：

(1)约束条件 1：Ti≥Timin=1h;

(2)约束条件 2：△T1≤T1，△T2≤T2，△T3≤T3;

(3)约束条件 3:T1、T2、T3≥且△T1、△T2△T3≤0；

(4)约束条件 4：Q下泄≤1000 m3/s。

4.4 模型结果

模型优化计算结果见表5。

表5 渭河咸阳城区段三级坝不同塌坝方案计算结果表

4.5 方案确定

上述三种方案均满足4个约束条件，方案2的最大下泄流量最小，且下游河段漫滩流量在1500 m3/s左右，塌坝下泄流量在河道全面清滩以后，对下游河段安全行洪影响较小，为本次推荐的联合塌坝方案，具体如下：

(1)2#气盾坝塌坝时间1 h、1#副坝1.5小时、3#气盾坝1小时。2#气盾坝先塌，间隔1 h后1#副坝开始塌坝，再间隔1.5 h后3#气盾坝开始塌坝。三级联合塌坝后2#气盾坝断面最大下泄流量692 m3/s。

(2)“咸阳湖”北槽2#橡胶坝、1#橡胶坝塌坝时间1.5 h，在南槽三级蓄水坝完全塌平后开始塌坝，塌坝后2#橡胶坝最大泄量628 m3/s。

5 结语

本文采用溢流堰过流能力计算公式和水量平衡原理来分析梯级坝之间的塌坝泄流过程。对渭河咸阳城区段三级五坝设计三种联合塌坝方案，以塌坝时间和塌坝间隔时间为控制变量，以塌坝泄量最小为目标函数建立模型，寻求最优塌坝方案。在计算过程中，流量系数对下泄流量影响较大，下一步可以通过模型试验对橡胶坝泄流过程进行模拟，研究流量系数等变化规律，对计算结果做进一步验证。