孫冬艷

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，山西 太原 030024）

1 工程概況

神嘴窩生態(tài)蓄水工程位于朔州市懷仁縣神嘴窩村南的桑干河干流上，與懷仁縣縣城相距約13 km，是桑干河綜合治理與生態(tài)修復(fù)工程的重要組成部分。該項(xiàng)工程能夠使得桑干河干流和支流匯入口處形成一處較大規(guī)模的生態(tài)蓄水濕地，以此來(lái)增加水面和濕地面積、優(yōu)化河流生態(tài)環(huán)境、增強(qiáng)河水自凈能力、改良景區(qū)觀賞效果，顯著體現(xiàn)出該工程強(qiáng)大的生態(tài)效益和社會(huì)效益。

該項(xiàng)工程主要包括總長(zhǎng)252 m 的攔河壩1 座，以及河道左右側(cè)生態(tài)護(hù)岸和植物護(hù)岸。其中主槽攔河閘高3 m、長(zhǎng)102 m，灘地?cái)r河閘高2 m、長(zhǎng)150 m，中間景觀平臺(tái)寬49 m。攔河閘蓄水水位為978.5 m，蓄水面積為113.8 萬(wàn)m2，水庫(kù)總庫(kù)容為95.2 萬(wàn)m3。根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL 252-2017），確定該項(xiàng)工程等別為Ⅴ等，主要建筑物液壓壩級(jí)別為5 級(jí)永久性水工建筑物，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)重現(xiàn)期為10 a，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)重現(xiàn)期為20 a。

2 工程設(shè)計(jì)原則

為了實(shí)現(xiàn)桑干河基流量逐步恢復(fù)、河段生態(tài)水量得到保障、生態(tài)環(huán)境得以根本好轉(zhuǎn)等目標(biāo)，根據(jù)相關(guān)工程規(guī)定，結(jié)合桑干河相應(yīng)位置特點(diǎn)，工程布置需要遵循原則如下：

2.1 服從總體規(guī)劃

作為永定河綜合治理與生態(tài)修復(fù)工程的子項(xiàng)目，工程應(yīng)以《永定河綜合治理與生態(tài)修復(fù)總體方案》《永定河綜合治理與生態(tài)修復(fù)實(shí)施方案（山西水利部分）》等方案為依據(jù)，確定工程應(yīng)遵循的原則、目標(biāo)及要求，做到局部服從總體規(guī)劃。

2.2 貫徹生態(tài)文明理念

著眼建設(shè)生態(tài)型水利工程，工程布置盡可能維持現(xiàn)有河道兩岸自然狀態(tài)，在工程立面設(shè)計(jì)上，采用主槽和淺灘相結(jié)合的生態(tài)蓄水方式，蓄水區(qū)不設(shè)防滲措施，形成開(kāi)放的生境條件，以保持河道與左右岸生態(tài)系統(tǒng)的連續(xù)性，造就完整的生態(tài)系統(tǒng)。

2.3 堅(jiān)持因地制宜

在不影響行洪的前提下，工程施工充分利用現(xiàn)有護(hù)岸；同時(shí)，在施工過(guò)程中注重土方平衡，做到內(nèi)土不外運(yùn)，外土不進(jìn)場(chǎng)。

2.4 突出主體功能

所建水閘主要用于攔河蓄水、改善生態(tài)環(huán)境、提高河水自凈能力、提升區(qū)域景觀效果，不承擔(dān)下游防洪任務(wù)，不設(shè)防洪庫(kù)容。

2.5 保持河道行洪能力

攔河閘的設(shè)計(jì)要保證不降低現(xiàn)有河道斷面行洪能力，過(guò)流寬度與原河道寬度基本一致；水閘在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)條件下，宣泄洪水時(shí)閘前上游水位不造成壅高，不影響現(xiàn)狀防洪堤因水位壅高而需增加堤身高度。

3 攔河壩壩型比選

從神嘴窩生態(tài)蓄水工程概況和設(shè)計(jì)原則可以看出，攔河壩壩型的選擇在工程設(shè)計(jì)中顯得尤為關(guān)鍵。在桑干河上興建蓄水?dāng)r河壩，不但需要在平時(shí)可以關(guān)閘蓄水，而且還應(yīng)該在汛期能夠倒伏行洪，使得河道的行洪安全具有堅(jiān)實(shí)的保證。在河道生態(tài)治理蓄水工程中，國(guó)內(nèi)常用的幾種景觀壅水閘壩有：橡膠壩、底橫軸轉(zhuǎn)動(dòng)翻板閘、鋼壩閘。結(jié)合本工程具體情況，對(duì)上述三種壩型進(jìn)行綜合比較。

3.1 橡膠壩

橡膠壩分為充水式和充氣式兩種，主要是利用充水（氣）泵對(duì)橡膠壩袋充水（氣）膨脹，進(jìn)而達(dá)到擋水目的。與常規(guī)閘壩相比，橡膠壩具有造價(jià)低、施工期短、抗震性能好等特點(diǎn)，同時(shí)受內(nèi)外部因素影響，橡膠壩在運(yùn)行維護(hù)、防洪效能、景觀效果等方面存在一定劣勢(shì)。①運(yùn)行維護(hù)不易。壩袋使用壽命一般為10～15 a，而且易受外界水沙、尖銳漂浮物及人為破壞發(fā)生壩袋泄漏進(jìn)而影響正常運(yùn)行。夏季壩頂溢流長(zhǎng)時(shí)間超過(guò)50 cm，易跨壩，需加強(qiáng)汛期的運(yùn)行管理；冬季需塌壩運(yùn)行或壩前鑿冰越冬。②防洪效能較差。立壩、塌壩時(shí)間較長(zhǎng)，影響快速截流、蓄水或泄洪，會(huì)給河道行洪帶來(lái)安全隱患；特別是塌壩時(shí)，壩內(nèi)的水體不能完全放盡，會(huì)形成不低于20 cm 的壅水高度，影響泄洪流量。③觀景體驗(yàn)欠佳。由于壩袋易褪色、變形，從而導(dǎo)致了壩體外形美感欠佳；而且瀑布景觀給游客的體驗(yàn)效果會(huì)受到壩頂溢流的影響。④沖砂性能過(guò)弱。壩體整體升降，壩前較淤積，清理困難。⑤建設(shè)成本較低。本工程若采用橡膠壩，在壩高3 m 的情況下，延米投資約為5 萬(wàn)元。

3.2 底橫軸轉(zhuǎn)動(dòng)翻板閘

底橫軸翻板閘門主要是利用液壓系統(tǒng)通過(guò)設(shè)在閘板下游的液壓油缸支撐轉(zhuǎn)動(dòng)伸縮來(lái)實(shí)現(xiàn)閘板臥倒開(kāi)門直立擋水。與其他常規(guī)閘壩相比，底橫軸翻板閘不僅具有造價(jià)低、適用范圍廣、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固可靠等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在運(yùn)行維護(hù)、防洪效能、景觀效果、沖砂性能等方面存在較大優(yōu)勢(shì)。①運(yùn)行維護(hù)容易。閘門門體能夠做到單扇開(kāi)啟行洪、沖砂和關(guān)閉蓄水；門體間可相互導(dǎo)流、分段維護(hù)；部件經(jīng)久耐用、不易損壞，而且更換非常簡(jiǎn)便，使用年限相對(duì)較長(zhǎng)，可以達(dá)到30～50 a。該壩型有運(yùn)行、檢修方便，維護(hù)管理成本低等特點(diǎn)。②防洪效能較強(qiáng)。該壩型行洪過(guò)水、沖砂、排漂浮物效果都比較好，汛期洪水暴漲達(dá)到設(shè)定的高度時(shí)，通過(guò)浮標(biāo)控制自動(dòng)放壩行洪，自動(dòng)放壩功能可靠，行洪效果好。該壩型采用液壓?jiǎn)㈤]機(jī)對(duì)閘門進(jìn)行啟閉，使得閘門的速度能夠達(dá)到1～2 m/min，升壩和塌壩在幾分鐘之內(nèi)就可以完成，而且可以完全放倒至與河底齊平，能夠確保滿足泄洪需求。③景觀效果良好。底橫軸轉(zhuǎn)動(dòng)翻板閘閘頂較為平整，可長(zhǎng)時(shí)間、大流量地進(jìn)行溢流，進(jìn)而形成人造的瀑布景觀。瀑布?jí)误w設(shè)計(jì)為弧形，活動(dòng)壩面高度可以隨意調(diào)節(jié)，形成的瀑布和水簾長(zhǎng)廊觀景效果良好。④沖砂性能較強(qiáng)?？煞挚组_(kāi)閘、集中排砂，閘前不易淤積。⑤建設(shè)成本不高。本工程若采用底橫軸轉(zhuǎn)動(dòng)翻板閘門，在壩高3 m 的情況下，延米投資約為6～7 萬(wàn)元。

3.3 鋼壩閘

鋼壩閘是近年來(lái)推廣使用的一種新型閘壩，是在常規(guī)水閘基礎(chǔ)上改良發(fā)展起來(lái)的新型擋水建筑物。蓄水工程布置鋼壩閘具有使用壽命長(zhǎng)、運(yùn)行維護(hù)方便、防洪安全有保障等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)存在一次性投資大、沖砂性能不佳等劣勢(shì)。①運(yùn)行維護(hù)便捷。閘門運(yùn)轉(zhuǎn)件采用特殊復(fù)合材料，不易銹蝕，可在水下長(zhǎng)期運(yùn)行。不僅易損壞，而且運(yùn)行控制非常方便；同時(shí)，鋼壩由多塊鋼板拼接，對(duì)于較長(zhǎng)的跨度要設(shè)置較多中敦，幾片鋼壩間的密封依靠密封帶，在鋼壩起落過(guò)程中，易磨損失去密封作用，需要定期更換。②防洪效能較強(qiáng)。鋼壩閘與底橫軸轉(zhuǎn)動(dòng)翻板閘類似，同樣采用液壓?jiǎn)㈤]。與之不同的是，鋼壩閘受單扇閘門寬度限制，河道較寬情況下需要布置一定數(shù)量中墩，縮窄斷面影響泄洪。③景觀效果良好。門體外形美觀，壩頂平整，溢流時(shí)瀑布景觀效果好。④沖砂性能較差。鋼壩閘與橡膠壩相類似，壩體整體升降，壩前易淤積，清理困難。⑤建設(shè)成本較高。本工程若采用鋼壩閘，在壩高3 m 的情況下，延米投資約為13 萬(wàn)元。

表1 攔河壩壩型優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

通過(guò)以上三種攔河壩特點(diǎn)的比較分析可以看出，橡膠壩方案主要存在使用壽命較短、立壩塌壩用時(shí)較長(zhǎng)等問(wèn)題，故本項(xiàng)目不建議采用橡膠壩型式；鋼壩閘方案對(duì)河道行洪能力影響較大、工程造價(jià)高，依據(jù)目前國(guó)內(nèi)已建設(shè)的鋼壩閘規(guī)格尺寸，按每孔40 m 布置，本工程需布置中墩需6 個(gè)，每個(gè)中墩寬度8 m，中墩一項(xiàng)就縮窄河道48 m，且此段河道受地形條件限制不可能擴(kuò)寬加大泄流能力，因此為了不影響正常河道泄洪，此段河道不建議選用鋼壩閘攔河壩方案；相對(duì)來(lái)說(shuō)，底橫軸轉(zhuǎn)動(dòng)翻板閘門無(wú)論從技術(shù)含量、利于景觀多樣性等方面，還是從外形景觀效果、使用壽命、防洪影響，都比另外兩種攔河壩壩型更為合適，尤其是對(duì)河道行洪斷面無(wú)影響。從生態(tài)型水利工程建設(shè)的角度綜合考慮，神嘴窩生態(tài)蓄水工程攔河壩最終采用啟閉靈活且迅速、利于沖砂、費(fèi)用較低的底橫軸轉(zhuǎn)動(dòng)翻板閘方案。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)對(duì)工程設(shè)計(jì)原則的把握，以及對(duì)幾種常見(jiàn)攔河壩壩型特點(diǎn)的深入分析，神嘴窩生態(tài)蓄水工程最終選擇更符合工程建設(shè)要求的底橫軸轉(zhuǎn)動(dòng)翻板閘。實(shí)際工作中，需要充分考慮工程建設(shè)的總體規(guī)劃要求，并且針對(duì)工程的工程造價(jià)、使用壽命、防洪要求、地形地質(zhì)、外形景觀等條件進(jìn)行具體分析，進(jìn)而選擇適合的壩型。