汾河流域中游生態(tài)修復(fù)干流蓄水閘壩設(shè)計(jì)探析

李春艷

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

汾河流域中游生態(tài)修復(fù)干流蓄水閘壩設(shè)計(jì)探析

李春艷

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

為解決日益破壞的汾河生態(tài)問題，省委省政府啟動(dòng)了立足于自然修復(fù)的生態(tài)工程治理項(xiàng)目，通過采取綜合性、系統(tǒng)性、針對(duì)性的治理措施，恢復(fù)和建設(shè)一批能調(diào)蓄徑流的“珍珠串”狀水域，蓄滯洪水，充分利用雨洪資源，使洪水資源化，達(dá)到重建河流水系、抬升地下水位、凈化水質(zhì)、改善水生態(tài)環(huán)境、增加漁業(yè)養(yǎng)殖及豐富水生植物等目的。以1號(hào)閘壩為例，進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，并提出了相應(yīng)的結(jié)論建議。

干流蓄水；生態(tài)修復(fù)；閘壩設(shè)計(jì)；汾河流域中游核心區(qū)

汾河是山西省第一大河，黃河第二大支流。發(fā)源于管涔山，自北向南縱貫6市27個(gè)縣（市、區(qū)），流域范圍涉及全省9市51縣，匯聚呂梁、太岳山區(qū)50km2以上的一級(jí)支流83條，穿越太原、臨汾兩大盆地，至運(yùn)城新絳縣境急轉(zhuǎn)西行，于禹門口下游萬榮縣榮河鎮(zhèn)廟前村附近匯入黃河。流域呈不規(guī)則的寬帶狀分布在省境中部偏西地區(qū)，南北長(zhǎng)412.5km，東西寬188km，流域面積39471km2，干流長(zhǎng)716km。汾河按河流特征分為上、中、下游三段，中游段河長(zhǎng)266.9km，流域面積20509km2，穿行于太原盆地和汾霍山峽，河道寬150～300m，屬平原性河流，地勢(shì)平坦、土質(zhì)疏松，河谷中沖積層深厚，河型蜿蜒曲折。

1 流域概況

1.1 氣象條件

汾河中游多年平均降水量437.9～495.7mm，年內(nèi)分配極不均勻。其中約60%集中在汛期7—9月；多年平均氣溫9.9℃～10.4℃，極端最高氣溫38℃～39.1℃，極端最低氣溫-26.5℃～-22℃，多年平均蒸發(fā)量1567～1819.8mm；最大風(fēng)速17～22m/s；最大凍土深71～95cm；無霜期170.7～183.2d。

1.2 徑流狀況

根據(jù)山西省水文水資源勘測(cè)局對(duì)1956—2013年系列的分析成果，汾河二壩多年平均天然徑流量為5.63億m3，其中最大天然年徑流量15.11億m3（1967年），最小天然年徑流量1.74億m3（1972年）。義棠站多年平均天然徑流量5.63億m3，其中最大天然年徑流量22.30億m3（1964年），最小天然年徑流量3.38億m3（1972年）。

1.3 工程地質(zhì)條件

本區(qū)地處山西省中部，分布于太原—晉中斷陷盆地中部及南部。地貌單元屬汾河洪沖積平原區(qū)。工程區(qū)地震動(dòng)峰值加速度值0.20g，反應(yīng)譜特征周期值0.35s，相應(yīng)地震基本烈度均為Ⅷ度。1號(hào)液壓壩壩基上部主要為級(jí)配不良砂層，具中等透水性；下部主要為低液限粉土層。壩基存在不均勻變形沉降、滲漏、滲透變形、地震液化、壩后沖刷和基坑涌水等地質(zhì)問題。

2 壩體布置原則及壩型比選

2.1 工程布置原則

工程布置應(yīng)遵循以下原則：不降低原有河道行洪能力；不采用礙洪建筑物；充分體現(xiàn)生態(tài)水利；堤內(nèi)蓄水工程建設(shè)依據(jù)“堤內(nèi)服從堤外”，即首先滿足堤外引水要求，在堤內(nèi)相應(yīng)位置設(shè)置閘壩。

2.2 壩型比選

國內(nèi)常用的幾種景觀壅水閘壩有橡膠壩、液壓壩、鋼壩閘。結(jié)合工程情況，對(duì)三種壩型進(jìn)行綜合比較。

橡膠壩：通過對(duì)橡膠充水達(dá)到阻水目的，立壩、塌壩時(shí)間長(zhǎng)，需1～3h，影響快速截流、蓄水或泄洪。塌壩時(shí)，壩內(nèi)的水體不能完全放盡，形成不低于20cm的壅水高度，再加上基礎(chǔ)宜高于河床20cm的規(guī)范要求，嚴(yán)重影響泄洪流量。壩前較易淤積，清理困難。壩袋易褪色、變形，外形效果較差；壩頂溢流時(shí)，瀑布景觀效果差。壩袋壽命10～15年。壩袋充水需抽提地下水，對(duì)水資源形成浪費(fèi)；壩頂溢流長(zhǎng)時(shí)間超過50cm，易出現(xiàn)跨壩事件，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；壩袋易受外界水沙條件及人為破壞的影響，造成壩袋泄漏，影響正常運(yùn)行，延米投資（壩高2.5m）9.1萬元。

液壓壩：利用液壓?jiǎn)㈤]機(jī)直接放在河內(nèi)推動(dòng)閘門起伏，閘門采用啟閉機(jī)啟閉，運(yùn)行速度可達(dá)1～2m/min，一般工程不超過5min即可完成升壩和塌壩，且結(jié)構(gòu)上可以完全放倒與河底齊平，保證突發(fā)洪水時(shí)能及時(shí)泄洪。沖沙性能方面可分片塌壩、集中排砂，壩體不宜淤積。壩頂平整，溢流時(shí)瀑布景觀效果較好，壩后支撐桿件較多，影響整體景觀效果，門體使用壽命50～60年，壩頂可長(zhǎng)時(shí)間、大流量溢流，形成瀑布景觀，冬季立壩運(yùn)行時(shí)，壩體可向下游適當(dāng)傾斜釋放冰推力，管理方便，壩體為鋼筋混凝土預(yù)制板，抗沖擊能力較強(qiáng)，耐久性好，維護(hù)量小，門體可單扇啟閉蓄水或行洪、沖砂，運(yùn)行方便，門體間可相互導(dǎo)流，分段維護(hù)，檢修方便，延米投資（壩高2.5m）9.5萬元。

鋼壩閘：通過底軸傳導(dǎo)到兩端，兩端靠液壓?jiǎn)㈤]機(jī)推動(dòng)，壩體對(duì)河道行洪影響小，閘門臥倒時(shí)與河床齊平，且閘門開啟時(shí)間在2～3min內(nèi)完成，對(duì)城市防洪有利。壩體整體升降，壩前較易淤積，清理困難。門體外形美觀，壩頂平整，溢流時(shí)瀑布景觀效果好，中墩的設(shè)置對(duì)整體景觀效果有影響，門體壽命50～60年，壩頂可長(zhǎng)時(shí)間、大流量溢流，形成瀑布效果。冬季立壩運(yùn)行時(shí)，壩體可向下游適當(dāng)傾斜釋放水冰推力，管理方便。壩體為熱噴鋅防腐處理的整體鋼結(jié)構(gòu)，耐久性好，維護(hù)量小，啟閉設(shè)備位于岸邊，檢修方便，延米投資（壩高2.5m）12.8萬元。

經(jīng)綜合比較分析，蓄水閘壩均采用塌壩迅速、利于沖砂、費(fèi)用較低的液壓壩。

3 壩體設(shè)計(jì)

壩體由多扇閘板串聯(lián)組成，單扇寬度6m。結(jié)合工程水沙條件，閘板采用較為經(jīng)濟(jì)的鋼筋混凝土薄壁結(jié)構(gòu)。每扇閘板后均布置支撐桿2根、液壓桿2根，液壓桿間距1.6m，支撐桿間距4.2m。壩體面板底部以鉸鏈軸固定在壩基上，以背面液壓桿的伸縮帶動(dòng)面板作扇形上下升降，支撐桿支撐面板的正常擋水。液壓升降壩由直線壩面、液壓桿、液壓缸和液壓泵站組成。

3.1 壩高確定

根據(jù)堤外濕地位置，按照“堤內(nèi)服從堤外”的原則，1號(hào)自動(dòng)控制液壓壩兩側(cè)灘面蓄水高度2.0m，中間主槽蓄水高度5.0m。

3.2 穩(wěn)定計(jì)算

3.2.1 計(jì)算單元選取

根據(jù)規(guī)范要求，對(duì)閘室基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)驗(yàn)算。本次設(shè)計(jì)閘室為6m單跨的單元組合式，故閘室沿建基面的抗滑穩(wěn)定計(jì)算為6m單跨一個(gè)單元進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算。

3.2.2 荷載組合

閘室穩(wěn)定基本組合考慮正常蓄水位時(shí)所受荷載，包括自重、水壓力水重、揚(yáng)壓力、動(dòng)水壓力、水壓力。閘室穩(wěn)定特殊組合考慮正常蓄水位所受荷載加地震荷載。

3.2.3 抗滑穩(wěn)定計(jì)算

抗滑穩(wěn)定按下式計(jì)算：

式中：Kc——按抗剪計(jì)算抗滑穩(wěn)定的安全系數(shù)；

f——抗滑摩擦系數(shù)，取0.36；

∑V——作用于閘首的垂直力總和，kN；

∑H——作用于閘首上全部荷載對(duì)滑動(dòng)面切向投影的總和，kN。

計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 閘室抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

3.2.4 抗浮穩(wěn)定計(jì)算

計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 閘室抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)

經(jīng)計(jì)算分析，閘室穩(wěn)定安全系數(shù)符合《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。

4 結(jié)語

采用干流閘壩設(shè)計(jì)方案可以達(dá)到節(jié)約用水，強(qiáng)化節(jié)水措施；增加森林植被，有效涵養(yǎng)水源；重建河流水系，加強(qiáng)污染防治等目的。在確保防洪安全的前提下，增加地下水補(bǔ)給量2.2億m3。

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］1004-7042（2016）04-0009-02

李春艷（1978-），女，2006年畢業(yè)于太原理工大學(xué)水利工程專業(yè)，工程師。

2016-02-19；

2016-03-23