天水市耤河生態(tài)綜合治理一期續(xù)建工程擋水建筑物比選

付曼蓉 尚小軍

（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院 陜西 西安 710001）

1 工程概況

甘肅省天水市耤河生態(tài)綜合治理一期續(xù)建工程位于天水市秦州區(qū)，工程設(shè)計范圍為已建成的耤河城區(qū)段治理工程末端6#橡膠壩至天巉公路橋下游耤河支流水家溝入?yún)R口，治理河段長度4.0km。本工程集防洪、蓄水及景觀美化于一體，規(guī)劃對左右岸堤防進(jìn)行達(dá)標(biāo)治理，并在此基礎(chǔ)上，對治理河段進(jìn)行蓄水景觀建設(shè)，形成優(yōu)美的城市生態(tài)水景觀，改善兩岸城區(qū)生態(tài)環(huán)境。本次設(shè)計在4.0km的治理河段共布設(shè)4座擋水建筑物，高3.8m～4.5m，共形成4級基本連續(xù)的蓄水景觀區(qū)，蓄水區(qū)總長2.57km，蓄水區(qū)面積為27.81萬m2（417畝）。

2 河流特性

本次耤河生態(tài)治理工程一期續(xù)建工程上段工程位于天水市秦州區(qū)城區(qū)段，河道平面走向總體上呈“S”型，為微彎河段，只在五里鋪大橋附近河道相對較順直，現(xiàn)狀河寬155m～210m，河道平均比降6.0‰，河道最窄處位于水家溝附近，受到左岸山體及右岸天北高速公路的影響，河道寬度僅155m左右，其他河段受堤防工程及城市建設(shè)的控制，河段較規(guī)整，河道寬窄均勻。

耤河屬降雨補給型河流，洪枯流量懸殊較大，具有陡漲陡落的特點，天水水文站斷面多年平均年徑流量為0.7億m3，最大年徑流為22528萬m3，最小年徑流 170萬m3，最大為最小的132倍。流域徑流年內(nèi)分配不均勻，斷面多年平均懸移質(zhì)輸沙量321.8萬t，多年平均懸移質(zhì)含沙量為40.5kg/m3，最大含沙量為1050kg/m3，流域多年平均侵蝕模數(shù)為3814t/km2。耤河輸沙基本全部集中在5月～10月，占全年總輸沙量的99%以上，其中汛期6月～9月輸沙量267.5萬t，占年輸沙量的83.1%。

工程河段內(nèi)共有3條支溝匯入，其中北岸支溝為羅峪河，南岸支溝有龍王溝、水家溝。其中，羅峪河為耤河北岸溝道，流域為黃土覆蓋，溝壑發(fā)育，植被較差，水土流失嚴(yán)重，為季節(jié)性雨洪稀性泥石流溝道。龍王溝在溝上游有滑坡發(fā)育，可見小規(guī)模泥石流推移涌堵的痕跡，具備形成泥石流的地形地貌，也有物質(zhì)來源；水家溝沒有發(fā)生過較大的泥石流災(zāi)害，但山洪暴發(fā)時水流攜帶泥砂、碎石較多，沿流至耤河入?yún)R口皆有堆積。

3 壩型初選

常見的河道擋水建筑物主要型式有水閘、砌石或砼低壩、翻板閘、橡膠壩、鋼壩閘等。本文對以上擋水建筑物形式進(jìn)行分別比較。

3.1 翻板閘

翻板閘主要特點是能借助水力作用自動打開和關(guān)閉閘門，運行簡單，堅固性好、投資相對較小。由于翻板閘靠水力自動運行的特點，少有在多泥沙河流上應(yīng)用，容易被門前淤積的泥沙封堵無法翻板，造成泄洪安全隱患；而且由于翻板閘單跨跨度小，河道內(nèi)閘墩、支墩數(shù)量多，且閘板不能翻至水平狀，存在阻水問題，此外，翻板閘對地基及兩岸連接工程要求相對較高，施工難度較大，上部結(jié)構(gòu)笨拙有礙景觀。

3.2 砼（砌石）壩

砼或砌石壩壩型具有施工技術(shù)簡單，壩身溢流條件好，可形成跌水或瀑布景觀，且管理維護(hù)費用低。但砼或砌石壩連續(xù)布置于城市河道內(nèi)，不僅阻水礙洪，城市防洪安全得不到保障，而且外形笨拙不美觀，與城市風(fēng)貌不協(xié)調(diào)；此外，砼或砌石壩將造成蓄水區(qū)大量淤積，不僅加大了管理成本，而且景觀效果不佳。

3.3 水閘

水閘的堅固性和耐久性較好，啟閉快速，運行安全可靠，但水閘跨度較小，需要較多中墩，存在一定的阻水問題，對河道行洪有一定的影響，且漏水問題較為嚴(yán)重，水閘的施工工藝相對較復(fù)雜，工期較長，后期運行管理復(fù)雜，后期維護(hù)費用較高，此外水閘為鋼筋混凝土及金屬結(jié)構(gòu)，特別是水閘需啟閉機架、工作橋等，景觀效果較差。

3.4 橡膠壩

橡膠壩具有塌壩后壩袋緊貼河床底板、不礙洪、外形輕巧美觀、投資適中，壩袋色彩鮮艷，與城市風(fēng)貌相協(xié)調(diào)的特點，而被廣泛應(yīng)用于城市水利、灌溉、樞紐等水利工程中。但壩袋易被尖銳器物刺傷，且存在橡膠壩壩袋老化問題，因此，需要加強管理。

3.5 鋼壩閘

鋼壩閘是近年來推廣使用的一種新型的閘壩擋水型式，是近年在翻板閘和常規(guī)水閘基礎(chǔ)上改良發(fā)展起來的新型擋水建筑物，閘門門體為梁肋式平面鋼閘門，閘門門體與固定于閘室底板上的一根鋼軸聯(lián)接，閘門啟閉通過門體圍繞通軸旋轉(zhuǎn)完成，設(shè)置于閘室兩岸的液壓啟閉機與通軸聯(lián)為一體，控制閘門門體轉(zhuǎn)動，以實現(xiàn)閘門啟閉。它既克服了常規(guī)水閘上下啟閉需要的高聳閘房傳統(tǒng)布置上的缺點，又彌補了翻板閘遇泥沙淤堵不能自動翻轉(zhuǎn)的缺陷，目前應(yīng)用較為廣泛。鋼壩閘采用液壓啟閉，運行速度可達(dá)到1m/min～2m/min，一般兩分鐘即可完成升壩或塌壩，可有效的保證突發(fā)洪水及時泄洪和泄洪后及時蓄水。

3.6 初選結(jié)果

水閘及翻板閘啟閉快速，運行管理方便；砼或砌石壩施工技術(shù)簡單，管理維護(hù)費用低，但建筑物均為河道永久性建筑物，連續(xù)布置于城市河道內(nèi)，不僅阻水礙洪，城市防洪安全得不到保障，而且外形笨拙不美觀，與城市風(fēng)貌不協(xié)調(diào)，景觀效果不佳。根據(jù)耤河洪水、泥沙和泥石流特性、運行方式，以及上游一期橡膠壩工程運行情況，綜合分析，適合本工程的壩型主要為橡膠壩、鋼壩閘。

表1 鋼壩閘與橡膠壩優(yōu)缺點對比表

4 橡膠壩與鋼壩閘對比

對鋼壩閘和橡膠壩兩種型式從工程布置、功能、防洪要求及景觀效果等方面進(jìn)行對比。

4.1 工程布置

橡膠壩屬于柔性結(jié)構(gòu)，壩址需選擇在順直河段，水流平順，可避免壩袋振動，因此，橡膠壩不宜布置在彎道河段，彎道橫向水流會使橡膠壩壩袋產(chǎn)生強烈振動，嚴(yán)重時可撕裂壩袋；而鋼壩閘可不受此限制。

橡膠壩單跨跨度大，目前單跨最大跨度可達(dá)150m，所需中墩數(shù)量少、且中墩寬度小，整體布置上更有利于城市景觀，但橡膠壩需在岸邊布置泵站及充排控制設(shè)備，管路較多，根據(jù)工程區(qū)現(xiàn)狀，受濱河公路及兩岸規(guī)劃道路的限制，兩岸布置泵站的條件有限。鋼壩閘單跨跨度相對較小，目前單跨最大跨度可達(dá)50m左右，所需中墩數(shù)量較橡膠壩多，中墩內(nèi)布置液壓啟閉機，因此中墩寬度較大，但鋼壩閘的啟閉機布置在閘墩內(nèi)，結(jié)構(gòu)相對簡單，且不占地，門頂過水形成掛水瀑布，景觀亦較佳。

4.2 堅固性與耐久性

橡膠壩，堅固性較差，容易被刺傷和磨損，一般壩袋使用壽命為20年左右，需更換壩袋。鋼壩的堅固性和耐久性較好，設(shè)計使用壽命可長達(dá)50年～60年。

工程區(qū)位于甘肅省天水市，冬季會產(chǎn)生冰凍問題，橡膠壩在冬季運行時，一旦結(jié)冰，需進(jìn)行壩前刨冰工作，否則將對橡膠壩壩袋造成損壞；鋼壩閘由于其本身特性，冰凌可直接從壩頂溢流。

4.3 運行及維護(hù)管理

城市河道景觀蓄水工程必須確保城區(qū)防洪安全，因此，擋水建筑物必須具備快速塌壩的功能。橡膠壩塌壩時間一般1h～1.5h，鋼壩閘一般為直立或平臥方式，采用啟閉機啟閉，運行速度可達(dá)到1m/min～2m/min，一般兩分鐘即可完成升壩或塌壩，可有效的保證突發(fā)洪水及時泄洪和泄洪后及時蓄水。從耤河洪水特性和上游一期蓄水工程建成的水情預(yù)報系統(tǒng)可提前預(yù)報的洪水時間來分析，橡膠壩和鋼壩閘的塌壩運行情況都可以滿足城區(qū)防洪安全的要求。

鋼壩閘的運轉(zhuǎn)件采用特殊復(fù)合材料,需要定期防腐防銹蝕等維護(hù)管理；橡膠壩的維護(hù)管理主要為壩袋日常巡視、泵站的日常維護(hù)。從壩的維護(hù)方面管理方面，差別不大。

4.4 水位調(diào)節(jié)能力

橡膠壩和鋼壩閘均可實現(xiàn)壩頂水深調(diào)節(jié)，橡膠壩壩頂最大溢流水深不超過0.5m；鋼壩閘可以根據(jù)不同流量在0～90°之間任意角度狀態(tài)來調(diào)節(jié)水位，溢流0.3m，來實現(xiàn)瀑布效果；從壩頂溢流方面比較，橡膠壩優(yōu)于鋼壩閘。

4.5 河道行洪、排沙能力

橡膠壩塌壩后緊貼壩底板，對河道行洪沒有影響；鋼壩閘塌壩是向下游傾倒，塌壩后壩體在壩底板高程以下，基本不產(chǎn)生阻水現(xiàn)象，但中墩的設(shè)置，局部減小了行洪斷面面積。從河道行洪方面比較，橡膠壩優(yōu)于鋼壩閘。

河道蓄水立壩時間長易淤積，但大洪水來臨時，壩袋全塌泄洪，鋼壩閘圍繞底軸向下游傾倒，淤積的泥沙被水流沖向下游，二者排沙防淤效果相當(dāng)。

4.6 基礎(chǔ)要求

橡膠壩因壩袋結(jié)構(gòu)決定了其對地基的適應(yīng)性較強，一般能滿足地質(zhì)條件穩(wěn)定和地基應(yīng)力、抗滑穩(wěn)定要求即可。通常沿垂直水流向?qū)Φ装暹M(jìn)行分塊，即設(shè)置若干道垂直水流向的永久縫，鋼筋混凝土底板垂直水流方向永久縫縫距不宜大于巖基20m或土基35m。

鋼壩底軸一般相隔幾米設(shè)置支座，從理論上講，相鄰支座間不允許變位，對底板要求比較苛刻，而對于土建工程，相鄰支座間不均勻沉降控制在2mm以內(nèi)是相當(dāng)困難的，基礎(chǔ)處理工程量會有大幅度的增加。另外為了確保受力安全，底軸長度范圍內(nèi)混凝土底板不宜設(shè)置永久伸縮縫，工程量相對橡膠壩而言要增加較多。

4.7 投資

該工程單壩比較投資鋼壩閘直接投資為3230萬元，橡膠壩直接投資為1850萬元。鋼壩閘與橡膠壩相比，投資較高，工程一次性投入較大。

4.8 壩型選擇

本工程擋水建筑物的主要作用是蓄起一片滿足觀賞要求的景觀水面，汛期安全泄洪，同時本身也是一處景觀，因此，結(jié)合本工程具體情況，經(jīng)上述分析比較，1#、3#、4#擋水建筑物位置河道較順直，設(shè)計采用彩色橡膠壩，充水枕式，雙錨線布置，螺栓錨固；2#擋水建筑物位于河道彎道處，若采用橡膠壩，運行時受水流影響振動較大，故2#擋水建筑物采用鋼壩閘。

5 結(jié)語

根據(jù)耤河治理河段的河流特性，充分考慮羅峪河等泥石流支溝匯入的影響，水文條件的復(fù)雜性，以及河道連續(xù)大“S”型彎道形態(tài)導(dǎo)致汛期水流條件的復(fù)雜性，在滿足防洪安全的前提下，提出多種擋水建筑物型式，通過優(yōu)缺點比較，推薦采用最優(yōu)方案，即橡膠壩及鋼壩閘結(jié)合布置方案，營造優(yōu)美的生態(tài)水景觀。陜西水利