昆都仑水库
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2023年2月21日发(作者：)文章编号：１００６－－４８７７（２００６）０５－００７６—０３
包头市昆都仑河橡胶坝工程
消能防冲设计
何东海
摘要：简要介绍了包头市昆都仑河橡胶坝工程消能防冲设
计，分析了橡胶坝工程设计中过坝洪水流态及设计流量的选
择问题。
关键词：橡胶坝；流态；消能防冲
中图分类号：ＴＶ２２２ 文献标识码：Ａ
１流域概况
昆都仑河发源于内蒙古自治区包头市固阳县大
庙乡，河道由东向西流经固阳县银号乡，在固阳县
城西北转向西南，在朝阳乡进入狭谷石质山区。从
前口子出沟口后自北向南穿越包头市昆区，然后直
泄黄河。沟口以上河长为ｌ１５ ｋｍ，共有支流２４条，
沟口以上流域面积为２ ６５５ ｋｍｚ，水库至沟口区间流
域面积为７４ ｋｍ２（含乌拉山截洪沟流域面积）。出
沟口后到人黄口，此段河道长２７．４ ｋｍ，比降
０．３５％，河道平均宽度为２００～５００ ｍ，系黄河一级
支流。
昆都仑河治理工程包括沟口以上控制流域面积
２ ６５５ ｋｍ ，其中昆都仑水库控制流域面积为２ ５８１
ｋｍ２，水库至沟口区间流域面积为７４ ｋｍ２（含乌拉
山截洪沟流域面积）。平均降水量为３０５ ｍｍ／ａ，平
均汛期径流量为３ ９５８万ｍ （非汛期不产流）。
２橡胶坝工程概述
根据ＧＢ ５０２０１－－－９４防洪标准并结合《昆都
仑河防洪工程可行性研究报告》中对河道防洪的要
求，确定本工程的防洪标准为近期１００年一遇，远
期２００年一遇洪水，蓄水工程按２０年一遇洪水设
计。
２０年一遇（ ５％）时，水库下泄流量为ｌ ３３２
收稿日期：２００６—０４＿ｌｌ；修回日期：２００６－０５—０８
作者简介：何东海（１９７９－），男，山西临汾人。２００１年７月毕
业于太原理工大学，助理工程师。
ｍ３／ｓ，区间设计洪峰为１９８ ｍ３／ｓ，组合后设计洪峰为
ｌ ５３０ ｍ 。
依据《堤防工程设计规范》（ＧＢ ５０２８６－－＇９８）
河道堤防等级定为ｌ级，蓄水工程堤防定为４级。
从昆都仑南桥以下约２００ ｍ至昆都仑北桥以上
约４００ ｍ总长约３－３ ｋｍ的范围，连续布置了４座橡
胶坝。ｌ 橡胶坝布置在南桥下游约２００ｍ处； 橡
胶坝布置在南桥与中桥之间；３ ， 橡胶坝布置在
中桥与北桥之间。坝高均为３．０ ｍ，坝长为２００ ｍ，
由中墩分为等长的三段。两岸边墩与相应堤防结
合，蓄水长度ｌ 至４ 坝分别为８００ ｍ，８００ ｍ，
ｌ ０００ｍ，６２４ｍ。橡胶坝工程特性表（见表１）。
表１橡胶坝工程特性表
３消能防冲设计
３．１消能设计
橡胶坝泄流一般有以下３种流态：
１）橡胶坝全部塌落，坝袋紧贴河道，袋面行
洪，水流比较平稳，流速与原河床流速相近。
２）橡胶坝全部充起，坝顶部类似实用堰。当
坝顶开始溢流时，下游水位很浅甚至无水，水流连
接条件不利，随着溢流量的增加，下游水位逐渐上
升，形成水跃，水跃达到一定的程度，对消能有
利；当坝下游护坦与底板齐平时，下游坝脚处易产
生局部负压区，使坝袋振动。
３）橡胶坝未充到设计高度，或在塌落过程中，
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坝型类似于宽顶堰。
当橡胶坝袋在充胀过程中内压逐渐增大时，坝
顶的宽度逐渐缩小，此时坝袋外形接近实用堰；当
塌坝过程中内压比逐渐减小时，其坝顶宽度逐渐增
大，此时坝袋外形接近宽顶堰；当坝袋内压比等于
零时，坝袋完全泄空，平塌于河床上，恢复河床过
流断面。
泄洪时，橡胶坝均匀缓慢塌落。当溢流开始
时，上下游水位差最大；当坝袋塌落时，单宽流量
逐渐增加，下游水深相应上升，水位差减小；当坝
袋塌平后，水位差接近于零；当坝高充至设计坝顶
溢流时，流速加大，冲刷力强。特别是过坝水流紧
靠下游的锚固处时，容易造成坝袋振动和将砂石等
杂物卷进坝袋底部而磨损坝袋。因此在下游应设护
坦保护坝体。例如：建在河渠上的橡胶坝，基本采
用底流式水跃消能，消力池与底板之间采用陡坡连
接，坡度为１：３ １：４。护坦的设置范围，要考虑
溢流水深、流量、上下游水位差、下游水深、流速
等因素。为此，首先要判断水流的衔接状态，这可
用下游水深ｈ 与收缩断面水深ｈ 的共轭水深 来
进行比较判断。当ｈ ＞ 时，跃前断面在收缩断面
的前边，为淹没水深，产生淹没式水跃；当ｈＩ＝
时，跃前断面恰在收缩断面处，为临界水深，产生
临界水深和临界水跃；当ｈ ＜ 时，跃前断面在收
缩断面的后边，为远驱式水深，产生远驱式水跃。
经过实际观测得知，水跃上部的旋滚不是任何
情况下都能产生的，水跃的形式与跃前端面的弗劳
德数有关，当出现波状水跃时，就形成一系列起伏
不大的单波，使波峰沿流速逐渐消失，消除的能量
逐渐减少Ｉ１１。
在消力池设计中，我们需要考虑最不利
状况的组合（流量与上下游水位差、下游水
深等），且这种组合必须满足水流连续性的
要求，即为水跃动量平衡方程的适用条件。
从理论上讲，橡胶坝塌坝时，下游无水
最不利，但实际中橡胶坝的塌坝是一个过
程，而不是瞬间塌落，所以应选择过坝洪水
稳定时的流量及相关水深。
在橡胶坝底流式消能设计中，消力池的
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流量时都能保证池中均形成淹没水跃，必须选择一
个设计消力池尺寸的设计流量。
从计算消力池池深式ｄ－ｏｒ 一ｈ ’一△ 中略去
△ｚ，用护坦降低前收缩断面水深ｈ ”的共轭水深代
替ｈ”，可得出粗算池深的近似公式：
ｄ＝ｏ
。
ｈｉ＂－ｈ ’ （１）
从公式（１）可以看出，池深ｄ是随着（ｈ ”一
。’）增大而增加。所以可以认为，相当于（ｈｌ＂－ｈ。’）
为最大时的流量即为池深的设计流量。据此求出的
池深ｄ是各种流量下所需消力池深度的最大值，实
践证明，池深ｄ的设计流量并不一定是橡胶坝所通
过的最大流量。
实际计算时，应在给定的流量范围内，对不同
的流量计算 及ｈ ”（即护坦降低前，坝址断面的
收缩水深及其跃后水深）。如在直角坐标上绘出
ｈｅ＂ （Ｑ）的关系曲线，同时，将已知的 （Ｑ）
（即所谓下游水深一流量关系曲线）的关系曲线也
绘人同一坐标上，从中找出（ 一 ’）为最大值时
的相应流量，即为消力池池深ｄ的设计流量。
因消力池的长度取决于水跃长度 ，一般说
来，水跃长度系随流量的增加而增大。所以，消力
池长度的设计流量应为建筑物通过的最大流量Ｉ３】。
在昆都仑河工程中共设４处跌水（陡坡），各
级跌差分别在１．０ ２．１ ｍ之间，总跌差为６．２ ｍ，
将河道比降从０．４９％左右调整到０．３０％左右，采用
陡坡式跌水，陡坡坡降为１：４，陡坡与消力池均采
用矩形断面，底宽与上游河道等同。水面线的推求
可采用明渠恒定非均匀流公式，消力池的深度及长
度计算公式可参照水闸设计规范。消能计算成果如
表２所示。
表２消能计算成果表 卷蛙／ｍ ｍ一３／（ｓ－ｍ，
池深ｄ及池长 的计算，都是针对一个给定的流
量及相应的下游水深 ’，但消力池建成后，则必须
在不同的流量下工作。为使所设计的消力池在不同
注：设计流量ｑ＝ｌ ５３０ｍａ／ｓ
３－２防冲设计
在海漫末端水流仍具有较小的冲刷能力，当下
游河床冲深后，势必将危及到海漫的安全。如果要
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求河床完全消除冲刷，财海漫必须做得彳艮长；这样做
既不经济，又无必要。解决的方法通常是在海漫的末
端设置 游防冲槽， 当下游河床形成最终冲刷状态
时 确保海漫不 ＝破坏 所以，在昆都仑阿橡胶
坝设计中，根据结村防冲要求及洪水泥沙冲刷分
析，对４ 橡胶坝下游的防冲工程，用水闸设计经
验公式计算，．经计算得出，海漫长度需要２２．５
４４．０ ｉｎ。综合考虑可在消力池下游应设５６‘ 的长浆
砌石及千砌石海漫 厚为‘ｏ．５ ｍ，海漫后设长ｉ０．ｂ
深 的防冲槽 。。 。。， Ｉ －－ ＿ ・’。
‘总之ｊ“消能防冲设计关系到橡胶琐工程能否安
全 稳楚 ｝有效的运行 因扯 Ｉ针对具体的工程
依据其运行方案，选择合理的设计流量，以便使设
计方案更加合理可靠 ｌｌ＿ ．’ ：‘：■ ’
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