劉彥琦, 張 梁， 王瑞瑤

(1.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072;2.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司二灘水力發(fā)電廠，四川 攀枝花 617000)

城市河道治理中景觀壩壩型的對比與優(yōu)選

劉彥琦1, 張 梁2， 王瑞瑤1

(1.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072;2.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司二灘水力發(fā)電廠，四川 攀枝花 617000)

在城市河道治理中，擋水壩不僅要求布置緊湊，安全經(jīng)濟(jì)，滿足防洪、供水、航運(yùn)等常規(guī)功能，還應(yīng)與環(huán)境相協(xié)調(diào)，符合生態(tài)化、景觀化的需求。新型景觀壩的開發(fā)與應(yīng)用現(xiàn)已成為一個(gè)重要發(fā)展方向。本文主要介紹了比較常見的四種景觀壩的具體形式和原理，并從泄洪能力、地基要求、施工安裝、后期運(yùn)行管理、投資造價(jià)、景觀生態(tài)效果等多方面對四類景觀壩進(jìn)行綜合分析，比較不同類型景觀壩的優(yōu)劣，為水系景觀工程的壩型設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。

橡膠壩； 鋼壩； 液壓升降壩； 氣動(dòng)盾形壩； 對比； 優(yōu)選

0 前 言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展和人民生活水平的提高，河道的整治工程已不僅限于防洪、供水、航運(yùn)等傳統(tǒng)要求，也需考慮到凈化環(huán)境、涵養(yǎng)水源、服務(wù)生產(chǎn)、景觀效益、休閑娛樂等多方面的需求。經(jīng)過精心設(shè)計(jì)的河流景觀，不僅可大大改善河道及兩岸沿線面貌，也可帶來生態(tài)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)等效益。反之，若河流設(shè)計(jì)沒有達(dá)到預(yù)期目的，則不僅會(huì)改變河流原有的結(jié)構(gòu)和功能，還會(huì)帶來一些不良的生態(tài)環(huán)境問題。

1 城市河道擋水壩的特點(diǎn)

在城市河道治理中，擋水壩是必不可少的水工建筑物，是位于人群密集區(qū)的重要水利工程措施，工程具備以下特點(diǎn)：

(1)擋水壩工程能形成較好的水面景觀，改善水生態(tài)環(huán)境和人居環(huán)境；

(2)工程區(qū)河道平緩，河道所需的抬水高度一般為3.0～5.0 m，擋水壩屬于低壩，工程等級較低；

(3)河道及其兩岸一般已建成了堤防、居民區(qū)及交通橋等，擋水壩需保證建成后河道的行洪安全，最大程度地減小對原有建筑物的影響；

(4)擋水壩布置緊湊，滿足城市供水、航運(yùn)、排沙排漂等多方面要求；

(5)景觀壩工程位于居民密集區(qū)，有著廣泛的社會(huì)影響，需滿足耐久性好、操作方便、維修簡單等特點(diǎn)；

(6)工程區(qū)對外交通便利，一般能夠滿足大型機(jī)械化設(shè)備入場施工，但由于周邊居民密集，場區(qū)布置會(huì)受到一定的限制，工程施工應(yīng)盡量減少對當(dāng)?shù)鼐用裆畹母蓴_和周邊環(huán)境的污染，這對施工方案也提出了更高的要求；

(7)工程中可能會(huì)產(chǎn)生較多的固體拆除廢棄料、土石開挖量等，需進(jìn)行外運(yùn)處理和棄料場水土保護(hù)。若能對廢棄料加以利用，如保證挖填平衡等，能明顯提高其社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

根據(jù)以上特點(diǎn)我們不難看出，重力壩、閘壩等傳統(tǒng)壩型由于其體型大，對河道的行洪能力影響較大，排沙效果一般、景觀效果較差等特點(diǎn)，已不能滿足當(dāng)前的城市河道治理的需求。而新型的景觀壩正是由于其設(shè)計(jì)新穎、布置緊湊，基本不影響河道行洪、運(yùn)行方便、景觀效果好等特點(diǎn)在城市河道治理中起到越來越重要的作用。

2 景觀壩原理與應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，新型景觀壩的壩型主要有橡膠壩、鋼壩(底軸驅(qū)動(dòng)翻板閘門)、液壓升降壩、氣動(dòng)盾形壩等。選擇合適的壩型是景觀水系工程的關(guān)鍵，影響到整個(gè)河道治理工程的投資、安全與效益。而壩型的選擇主要受泄洪能力、景觀效果、工程造價(jià)及運(yùn)行管理等因素的影響，這四類的新型景觀壩的簡要原理與應(yīng)用現(xiàn)狀如下文所述。

2.1 鋼 壩

鋼壩由鋼板門葉、底橫軸、底鉸座、水封、液壓裝置等組成。底橫軸的兩端穿過閘墻外伸, 其外伸端與電液一體式啟閉機(jī)連接，啟閉機(jī)庫位于閘墩內(nèi)，通過控制閘墩兩側(cè)的電液一體式啟閉機(jī)的正反轉(zhuǎn)，就能實(shí)現(xiàn)門葉的啟閉及開度控制。目前，鋼壩多用于河道寬度20～100 m，水位差1～7 m的城市景觀工程，或山區(qū)河道洪水急漲，要求快速開閘泄洪的工程。目前國內(nèi)已建工程中，最大跨度為蘇州河河口水閘，其單跨為100 m。

2.2 液壓升降壩

液壓升降壩由(弧線或直線)壩面、液壓桿、支撐桿、液壓缸和液壓泵站組成。液壓啟閉機(jī)直接放在河道內(nèi)推動(dòng)閘門起伏，支撐桿支撐壩體背面，構(gòu)成穩(wěn)定的支撐墩壩，小液壓缸帶動(dòng)限位機(jī)構(gòu)，形成支撐墩壩固定和活動(dòng)的相互交換，達(dá)到固定攔水，活動(dòng)降壩的目的。目前，液壓升降壩多用于寬度20～100 m，水位差1～6 m的河道。

2.3 橡膠壩

橡膠壩是用高強(qiáng)度纖維織物做受力骨架，內(nèi)外涂敷橡膠作保護(hù)層，加工成膠布，再將其錨固于底板上成封閉狀的壩袋，通過充排管路用水(氣)將其充脹形成的袋式擋水壩。目前，橡膠壩的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)已比較成熟，有專門的《橡膠壩工程技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50979-2014)。我國已建成的橡膠壩工程中壩高絕大多數(shù)低于5 m，單跨長度一般為50～100 m。國內(nèi)橡膠壩目前最大壩高為6 m，單跨跨度最長為176 m，多跨最長為1 135 m。

2.4 氣動(dòng)盾形壩

氣動(dòng)盾形壩由門體結(jié)構(gòu)、埋件、氣囊和氣動(dòng)系統(tǒng)組成。門體擋水面是一排強(qiáng)化鋼板，氣囊支撐在鋼板下游面，利用氣囊的充氣或排氣控制門體起伏和支撐門體擋水。根據(jù)目前氣袋制造工藝能力，氣盾閘最高擋水高度可達(dá)10 m，寬度可達(dá)數(shù)百米，目前擋水高度最高、跨度最長的氣動(dòng)盾形壩是貴陽南明河的氣動(dòng)壩，擋水高度為8 m，跨度為60 m。

四類景觀壩的原理示意見圖1～4。

圖1 鋼壩示意 圖2 液壓升降壩示意

圖3 橡膠壩示意 圖4 氣動(dòng)盾形壩示意

3 景觀壩的共性及區(qū)別

3.1 工程結(jié)構(gòu)布置對比

一般來說，景觀壩的工程結(jié)構(gòu)布置非常相似，都由三部分組成：

(1)基礎(chǔ)土建。包括基礎(chǔ)底板、邊墩(岸墻)、中墩(多跨式)、上下游翼墻、上下游護(hù)坡、上游防滲鋪蓋或防滲墻、下游消力池、海漫等；

(2)壩體。如橡膠壩的橡膠壩袋、鋼壩的鋼板門葉、液壓升降壩的混凝土或鋼面板、氣動(dòng)盾形壩的鋼盾板；

(3)控制和安全觀測系統(tǒng)。包括鋼壩的液壓裝置、橡膠壩的充脹或坍落壩體的充排設(shè)備、安全及檢測裝置等。

在運(yùn)用時(shí)，要注意過壩水流與下游水深的關(guān)系，認(rèn)真布置消能設(shè)施，防止河床和河岸的沖刷。在不影響泄流情況下，特別是在推移質(zhì)較嚴(yán)重的河道上，一般基礎(chǔ)底板比河床略高較為有利，可防止過壩推移質(zhì)泥沙隨水流卷入壩體底部從而減輕磨損和淤積，壩底板高程比上游河床地形平均高程適當(dāng)抬高0.3～0.6 m。

3.2 行洪能力對比

四類景觀壩的壩體都能完全倒伏或塌落，基本保持原河道斷面，整體來說對原有河道的行洪能力影響都很小。差異主要如下：

(1)立壩溢流時(shí)，鋼壩、液壓升降壩、氣動(dòng)盾形壩較易形成薄壁堰流(δ/H<0.67，δ為堰頂厚度，H為堰上水頭)，堰頂?shù)乃嘈螤畈皇苎唔敽穸鹊挠绊懀髁肯禂?shù)大于0.403。而橡膠壩近似于寬頂堰(2.5<δ/H<10)，堰頂對水流的頂托作用明顯，流量系數(shù)的最大值為0.385。因此，在同樣的堰上水頭下，橡膠壩的單寬泄量小于其他三種壩型。

(2)臥壩(或塌壩)泄洪時(shí)，阻水部分主要為壩底坎、中墩(多跨式)、塌落的壩袋(橡膠壩)。對于比較窄不需設(shè)中墩的河床，橡膠壩方案的泄洪能力相對其他壩最弱。對于比較寬的河床，由于鋼壩單跨限制大，鋼壩方案的中墩個(gè)數(shù)最多，泄洪能力最弱。

3.3 地基與壩長要求對比

四類景觀壩對地基要求、壩長限制的差異見表1。

3.4 施工安裝對比

四類景觀壩在施工安裝方面的差異見表2。

表1 地基要求、壩長限制比較

表2 施工安裝比較

3.5 運(yùn)行管理對比

四類景觀壩在運(yùn)行管理方面有以下共性特點(diǎn)。

3.5.1 運(yùn)行期溢流水深限制

對于四類景觀壩，其運(yùn)行期的壩頂溢流水深一般不允許超過30～50 cm。若要突破30～50 cm這一限制，一是對壩體強(qiáng)度、啟閉設(shè)備有了更高的要求，造價(jià)將大大增加;二是溢流水深超過50 cm時(shí)，在視覺上給人以強(qiáng)烈的不安感，對于景觀壩來說則并不必要。

3.5.2 檢修

一般都需要在上下游填筑擋水圍堰，形成干地施工條件。也可在設(shè)計(jì)時(shí)采用分跨布置，在閘墩的上下游方向設(shè)置檢修門槽。檢修時(shí)，利用起重設(shè)備將船閘的疊梁式檢修門吊入上下游檢修門槽中，再利用水泵將上下游檢修門中的水排出，從而滿足干地檢修的條件，即可在不影響河道行洪過水、排沙排污的條件下進(jìn)行檢修。

3.5.3 操作難易程度

目前四類景觀壩的自動(dòng)化程度都較好，都可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制與手動(dòng)操作，操作簡單。

3.5.4 排沙、排漂

(1)立壩擋水狀態(tài)，只要止水狀態(tài)良好，始終保持密封狀態(tài)，淤沙不會(huì)影響壩的正常啟閉；

(2)在臥門(或塌壩)泄洪時(shí)，四類景觀壩的排漂、排沙效果都比較好；

(3)針對淤積較嚴(yán)重的地區(qū)，一般在壩前設(shè)擋沙(泥)檻和喇叭口。一是為了有效地?fù)踝〈蟮氖瘔K，二是當(dāng)塌壩泄洪時(shí)，提高壩口位置的流速，可有效地讓泥沙、水混合物直接隨洪水沖至下游；

(4)建在多泥沙河流上的工程，應(yīng)掌握蓄清排沙的原則，摸清沖淤規(guī)律，適時(shí)地利用泄洪時(shí)機(jī)將泥沙沖走；

(5)在設(shè)計(jì)時(shí)，因根據(jù)當(dāng)?shù)禺a(chǎn)沙含量、汛期輸沙量等資料，計(jì)算行洪后沉淀在門體上的淤沙(泥)量，及升壩時(shí)需要的啟閉力。對液壓啟閉設(shè)備(充排水泵站的機(jī)電設(shè)備)提出較高要求；

(6)一旦壩面淤積較厚，機(jī)電設(shè)備無法強(qiáng)行頂開壩面淤沙時(shí)，一般借助人工高壓水槍充沙清理。

四類景觀壩在運(yùn)行管理方面的差異見表3。

3.6 景觀生態(tài)效果分析

四類景觀壩在景觀生態(tài)效果的差異見表4。

表3 運(yùn)行管理比較

表4 景觀生態(tài)效果比較

3.7 投資對比

以設(shè)計(jì)壩高3.0 m，壩長30 m的景觀壩工程為例，鋼壩方案造價(jià)為7.5萬/延米，液壓升降壩方案為5.2萬/延米，橡膠壩方案為4.9萬/延米，氣動(dòng)盾形壩方案為6.0萬/延米。一般來說，鋼壩方案的整體投資最大，氣動(dòng)盾形壩次之，隨后是液壓升降壩，橡膠壩投資最低。橡膠壩一次性投入雖相對較小，但由于其設(shè)計(jì)壽命較其他景觀壩短，后期維護(hù)費(fèi)用較大。

3.8 小 結(jié)

綜上所述，四類景觀壩在泄流、排沙、運(yùn)行管理等方面都具有明顯的優(yōu)勢，而各自的顯要缺點(diǎn)見表5。

表5 缺點(diǎn)比較

4 結(jié)論及建議

(1)隨著城市發(fā)展和經(jīng)濟(jì)增長，橡膠壩、鋼壩、液壓升降壩、氣動(dòng)盾形壩等新型景觀壩以運(yùn)行安全、易于維護(hù)、適宜現(xiàn)代生態(tài)水利、景觀水利要求,得到了各界的認(rèn)可，為水利工程設(shè)計(jì)提供了新的思路，市場運(yùn)用前景廣闊；

(2)橡膠壩適于我國南方平原城市，河道泥沙含量小、水流清澈、縱坡較緩的河道；

(3)鋼壩和液壓升降壩由于壩體結(jié)構(gòu)堅(jiān)固可靠，抗洪水沖擊能力強(qiáng)，特別適合雨量充沛的南方、洪水漲落快速的山區(qū)及北方泥沙含量大的河道；

(4)氣動(dòng)盾形壩由于本身具有環(huán)保生態(tài)性，又具有能效較低的特點(diǎn)，特別適合于城市河流梯級開發(fā)和通電不便的山區(qū)河流；

(5)鋼壩適合于跨度較小的河道，同時(shí)由于底軸對地基要求嚴(yán)格，對巖石基礎(chǔ)的窄河床較宜采用。在河床軟基和跨度大的情況，地基處理費(fèi)用和設(shè)計(jì)難度會(huì)大幅增加，為投資敏感項(xiàng)目時(shí)不宜采用；

(6)不建議在河流彎道附近布置橡膠壩和氣動(dòng)盾形壩。這主要是因?yàn)?，在河道彎道建壩，由于彎道作用，過壩水流不均勻，水流流態(tài)不穩(wěn)，使得作用在壩體上的壓力不均勻，極易引起壩袋的振動(dòng)，氣枕內(nèi)的氣量平衡也極其不穩(wěn)定，輕則造成門頂溢流不均勻的現(xiàn)象，重則由于溢流部位的門體受到靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的雙重壓力出現(xiàn)塌壩。這方面已有工程失敗的例子。

(7)除橡膠壩外，其他景觀壩壩型技術(shù)在國內(nèi)尚無設(shè)計(jì)規(guī)范可循，其設(shè)計(jì)計(jì)算方法、施工控制指標(biāo)、工程質(zhì)量檢測、施工質(zhì)量評定、安全監(jiān)測設(shè)施等內(nèi)容亟待進(jìn)一步研究及工程實(shí)例檢驗(yàn)。

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2017-01-12

劉彥琦(1987-)，女，四川成都人，碩士，工程師，從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及相關(guān)工作。

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