晉祠泉域生態(tài)補(bǔ)水工程攔河壩壩型比選

賈麗英

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

1 概述

自20世紀(jì)80年代以來，在大規(guī)模地開采地下水和煤礦開采對(duì)水資源破壞的雙重作用下，導(dǎo)致晉祠泉域地下水資源采補(bǔ)失衡，地下水位大幅下降，“三晉名泉”晉祠泉斷流。山西省委、省政府高度重視，針對(duì)日益惡化的晉祠泉域水環(huán)境，采取了多種有效的生態(tài)環(huán)境治理和保護(hù)措施。2018年2月，山西省財(cái)政廳和山西省水利廳聯(lián)合組織編制完成了《山西省地下水超采區(qū)綜合治理實(shí)施方案（2018年度）》。該實(shí)施方案確定了晉祠泉“重點(diǎn)泉域保護(hù)工程”。

“晉祠泉域汾河羅家曲至龍尾頭段生態(tài)補(bǔ)水工程”位于太原市婁煩縣境內(nèi)，是《山西省地下水超采區(qū)綜合治理實(shí)施方案（2018年度）》中“重點(diǎn)泉域保護(hù)工程”項(xiàng)目之一。項(xiàng)目主要內(nèi)容是在晉祠泉域汾河干流上的婁煩縣杜交曲鎮(zhèn)羅家曲至龍尾頭段設(shè)置五道攔河壩。1號(hào)攔河壩位于羅家曲村東南；2號(hào)攔河壩位于強(qiáng)家莊村西南；3號(hào)攔河壩位于強(qiáng)家莊村東南；4號(hào)攔河壩位于策馬村西；5號(hào)攔河壩位于龍尾頭村東南。該段河道長(zhǎng)約13.0 km，河道兩岸碳酸鹽巖裸露，地層總體呈單斜構(gòu)造，局部出露褶皺及斷裂構(gòu)造，部分地段構(gòu)造強(qiáng)烈，滲漏明顯，為補(bǔ)水有利地段。

該項(xiàng)目實(shí)施后，將形成生態(tài)蓄水水面12.94 hm2，蓄水量12.13萬m3，促進(jìn)地下水位升高，增加地表水下滲量，加大晉祠泉域地表水入滲補(bǔ)給量，促進(jìn)晉祠泉早日復(fù)流，兼顧改善汾河河道生態(tài)環(huán)境。

2 活動(dòng)壩壩型分析

根據(jù)河道蓄水與行洪要求，攔河壩壩型應(yīng)從目前運(yùn)行較多的活動(dòng)壩壩型中選擇，初步擬定橡膠壩、常規(guī)水閘、鋼壩閘及液壓翻板閘等四種壩型進(jìn)行綜合比選。

2.1 橡膠壩

橡膠壩布置基本垂直河道，中間不設(shè)隔墩。其工作原理是利用充水泵向橡膠壩袋內(nèi)充水，使壩袋膨脹，壩面抬升，達(dá)到擋水的目的。橡膠壩的優(yōu)點(diǎn)是壩體跨度大、自重較輕、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，投資較小。但該壩型存在以下缺點(diǎn)：

一是安全可靠性差。立壩、塌壩所需時(shí)間較長(zhǎng)，一般在1～3 h，需啟動(dòng)關(guān)閉泵站向壩袋充水充高或放水坍壩，控制方式繁瑣，操作反應(yīng)速度較慢，影響蓄水和行洪安全；需增設(shè)泵房，其配套機(jī)電設(shè)施較多；壩袋易受外界水沙、尖銳漂浮物及人為破壞的影響，造成壩袋泄漏，影響正常運(yùn)行。二是使用壽命短。壩袋壽命一般僅10～15年，且后期壩袋易褪色、變形，外形效果較差。三是運(yùn)行管理難度較大。冬季運(yùn)行需塌壩或壩前鑿冰越冬。冬季壩前結(jié)冰容易損壞壩袋，且不能調(diào)節(jié)壩袋高度，故不能控制向下游的放水量。同時(shí)冬季必須安排專人破冰、值守。四是壩前淤積沖沙性能差。該壩體為整體升降，清淤需整個(gè)壩體均塌壩，泄空蓄水，影響河道生態(tài)環(huán)境。

2.2 常規(guī)水閘

常規(guī)水閘基本垂直河道布置，受水閘門體寬度限制，河道中間設(shè)有多道中隔墩。常規(guī)水閘一般設(shè)有工作門和檢修門共兩道：工作門采用弧形鋼閘門，啟閉設(shè)施為液壓缸或卷?yè)P(yáng)機(jī)；檢修門設(shè)在工作門上游側(cè)，疊梁門型式，啟閉設(shè)施為電動(dòng)葫蘆。常規(guī)水閘的優(yōu)點(diǎn)是操作方便可靠，底流沖沙容易，運(yùn)行管理簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是：一是在河道中間需設(shè)數(shù)道中隔墩，減小了河道行洪過水?dāng)嗝妫档土撕拥佬泻槟芰?。二是行洪時(shí)洪水位以上的建筑物較多，超標(biāo)準(zhǔn)洪水行洪不安全。三是該閘型的金屬結(jié)構(gòu)和土建要求的工程量較大，施工難度較大，工期長(zhǎng)，投資大。四是泄洪時(shí)水流先從閘底部集中下泄，沖刷下游河道，要求的消能防沖設(shè)施較多，水面的漂浮污物不容易排泄，影響環(huán)境。五是該閘型的日常運(yùn)行管護(hù)費(fèi)用較高。

2.3 液壓翻板閘

液壓翻板閘基本垂直河道布置，中間不設(shè)隔墩。其工作原理是利用液壓系統(tǒng)通過設(shè)在閘板下游的液壓油缸支撐、伸縮、轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)閘板塌壩放水和立壩擋水，該壩型特點(diǎn)：一是力學(xué)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、合理、可靠。閘壩面立起后，為三角支撐結(jié)構(gòu)，抵抗沖擊能力較強(qiáng)。每扇閘壩作為一個(gè)獨(dú)立壩體自由開合，其后設(shè)有2個(gè)液壓缸支撐啟閉。二是液壓翻板閘的啟閉操作，反應(yīng)速度快、安全可靠。該壩型采用液壓缸支撐啟閉，啟閉完成時(shí)間一般不超過5 min，能及時(shí)安全泄洪。閘壩啟閉可實(shí)現(xiàn)人工現(xiàn)地控制或遠(yuǎn)程控制。三是運(yùn)行管理方便：閘壩面抗沖擊的能力較強(qiáng)，耐久性好，維護(hù)量小。尤其是冬季立壩運(yùn)行時(shí)，壩體向下游傾斜釋放冰凍脹力，管理方便。四是閘門體可單扇啟閉蓄水或泄洪，可交替單扇開閘、集中水量排沙，閘前不易淤積。五是使用壽命較長(zhǎng)：門體壽命一般在50～60年。六是性價(jià)比高：該壩型與其他活動(dòng)壩型在投資方面相比，其投資較小，性價(jià)比最高。

2.4 鋼壩閘

鋼壩閘布置基本垂直河道，中間不設(shè)隔墩。其利用布置在閘門兩側(cè)液壓缸扳手裝置，帶動(dòng)閘門底軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)閘門塌壩和立壩擋水，該壩型特點(diǎn)：一是操作反應(yīng)快，自動(dòng)化程度高。該壩型反應(yīng)迅速，閘門啟閉時(shí)間在2～3 min之內(nèi)完成，保證及時(shí)泄洪。二是力學(xué)結(jié)構(gòu)靠閘門底軸抗扭，帶動(dòng)閘門轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)閘門的塌壩放水和立壩擋水，閘后無需支撐。三是受單扇閘門寬度限制，對(duì)較寬河道需要布置多道閘門，相應(yīng)需要中墩，而每個(gè)中墩厚度較大，嚴(yán)重縮窄河道斷面，影響泄洪。四是壩前淤積沖沙性能差：該壩體為整體啟閉，清淤需閘壩體整體啟閉，泄空蓄水，影響河道生態(tài)環(huán)境。五是運(yùn)行管理方便：閘壩耐久性好，維護(hù)量??；冬季運(yùn)行可向下游傾斜釋放冰凍脹力，管理方便。六是投資較大，與其他活動(dòng)壩相比，性價(jià)比較小。

3 壩型比選

3.1 壩型選擇的限制條件

該段汾河干流河道寬度約為100 m，兩岸為基巖陡坡和婁梭公路。河道上游控制流域面積大，洪水流量大，要求河道的行洪能力也大?？紤]到河道攔河壩的上游回水長(zhǎng)度限制、兩岸安全和淹沒控制的要求，攔河壩的水深不能太大。同時(shí)受地形和地質(zhì)條件的限制，河道上攔河壩的擋水建筑物和泄水建筑物只能重疊布置在同一位置，這就要求設(shè)計(jì)時(shí)只能采用既有擋水蓄水功能，又有泄洪行洪功能的活動(dòng)壩體。在平時(shí)立壩蓄水，行洪時(shí)塌壩放水，不能妨礙和影響現(xiàn)狀河道行洪。

3.2 壩型綜合比選

3.2.1 河道行洪安全性和閘壩蓄水及時(shí)性

因?yàn)檠雌诤拥篮樗l(fā)生和結(jié)束均較快，這就要求攔河閘壩的反應(yīng)速度要快，要求攔河閘壩能快速塌壩行洪，汛末又能及時(shí)立壩擋水蓄水。

鋼壩閘和液壓翻板閘都是通過液壓缸啟閉閘門，反應(yīng)速度快，可滿足該項(xiàng)要求；常規(guī)閘壩通過工作弧形閘門的啟閉，相對(duì)較慢；橡膠壩是通過充排水泵站達(dá)到升降壩的目的，升壩和塌壩的時(shí)間長(zhǎng)，反應(yīng)慢。河道汛期行洪時(shí)，鋼壩閘、橡膠壩和液壓翻板閘放平后均緊貼河床，與自然河道相差無幾，基本不影響泄洪，而常規(guī)水閘和鋼壩閘的閘墩較厚，減小了河道過水?dāng)嗝?，影響河道行洪。因此，從河道行洪安全性和閘壩蓄水及時(shí)性方面來說，液壓翻板閘壩較其他閘壩有優(yōu)勢(shì)。

3.2.2 沖沙防淤積

河道來水泥沙含量較大。為防止閘壩前淤積，應(yīng)間斷性放水沖沙。

常規(guī)水閘先泄底水，有利于沖沙，但閘前淤積厚度較大或泥沙板結(jié)時(shí)，須借助人工高壓水槍沖沙清理使閘門正?；亻T；橡膠壩及鋼壩閘均為整體啟閉，且均先泄表水，沖沙要求的放水量較大，有時(shí)甚至需要放空庫(kù)水；橡膠壩面泄洪時(shí)，泥沙及漂浮物對(duì)壩面磨損嚴(yán)重。液壓翻板閘壩為多扇閘，運(yùn)行靈活方便，可交替開閉各扇閘門，以有限的水量集中沖沙。因此，從沖沙防淤積的角度分析，液壓翻板閘壩較其他閘壩更有優(yōu)勢(shì)。

3.2.3 冬季運(yùn)行防凍冰

壩前結(jié)冰對(duì)橡膠壩影響最大，必須人工鑿冰，確保橡膠壩袋安全，同時(shí)浮冰和漂浮物會(huì)威脅橡膠壩袋的安全，必須采取防護(hù)措施。常規(guī)水閘壩面直立，冬季所受閘前冰凍脹力較大，必須人工鑿冰或設(shè)置吹冰設(shè)施除冰；液壓翻板閘壩的壩面向下游側(cè)傾斜，閘壩前結(jié)冰時(shí)能增大傾斜角調(diào)節(jié)壩面向上移動(dòng)，釋放冰凍脹力，確保閘壩安全。

3.2.4 投資及性價(jià)比

橡膠壩一次性投入相對(duì)較小，但使用壽命短，后期維護(hù)費(fèi)用大；常規(guī)水閘整體投資最大；液壓翻板閘壩投資較常規(guī)水閘和鋼壩閘均少，性價(jià)比最高，后期維護(hù)費(fèi)用也較低。

4 結(jié)論

液壓翻板閘壩是近年來發(fā)展較快的一種新型的活動(dòng)閘壩，集泄水和擋水功能于一體，既滿足了河道汛期行洪要求，又滿足了非汛期日常蓄水要求，協(xié)調(diào)解決了河道行洪和蓄水的矛盾。另外，液壓翻板閘壩在泄洪、蓄水、沖沙、冬季運(yùn)行、后期維護(hù)及投資等方面均有一定的優(yōu)勢(shì)，故本工程擋水建筑物攔河壩，推薦采用液壓翻板閘壩方案。