城市河道攔河壩型式選擇分析

陳正豐， 王一博， 潘 希

(1.安徽省交通勘察設(shè)計院有限公司，安徽 合肥 230011；2.安徽省城建設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230051;3.中國葛洲壩集團(tuán)生態(tài)環(huán)境工程有限公司，湖北 武漢 430034)

0 引 言

城市河道治理工程中，修建攔蓄水建筑物(攔河壩)以攔蓄河道水體是一項常見的工程措施。攔河壩的建設(shè)對改善河道水質(zhì)、提升生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、提高旅游景觀價值有著重要的作用，與此同時，汛期河道高流量情況下攔河壩還必須保證有足夠的泄流能力，保證河道的行洪安全。

攔河壩的建設(shè)需充分考慮河道比降、洪水流量、蓄水深度、地形地質(zhì)等多方面因素，并結(jié)合防洪排澇規(guī)劃、兩岸用地規(guī)劃、景觀規(guī)劃等相關(guān)規(guī)劃，最終確定攔河壩的選址、布置及壩型。本文對目前國內(nèi)運用較為成熟的幾種攔河壩壩型進(jìn)行分析，包括滾水壩(固定壩)、平板鋼閘門壩(節(jié)制閘)、水力自控翻板壩、橡膠壩、鋼壩、液壓升降壩、氣盾壩，為今后城市河道治理建設(shè)工作提供借鑒依據(jù)。

1 攔河壩各壩型簡介

1.1 滾水壩(固定壩)

滾水壩一般為混凝土結(jié)構(gòu)或砌石結(jié)構(gòu)，常見的具體斷面型式有寬頂堰、折線型實用堰、WES實用堰等，如圖1所示。滾水壩屬于非活動壩，即無法改變壩的開關(guān)狀態(tài)，始終為固定的攔蓄水狀態(tài)。因此，滾水壩的壩高一般相對較低，大多為0.5～2 m范圍，為一種低堰壩型。

很多山區(qū)性河道多采取多級滾水壩方案來抬高河道蓄水，改善河道生態(tài)環(huán)境，提升河道景觀效果。一是滿足某河段處的蓄水要求，二是可以緩解河床縱坡較陡處水流沖刷作用。此外山區(qū)性河道坡降較大，多級滾水壩可以減少對河道行洪的影響：在某個河段內(nèi)建設(shè)1座2 m高的滾水壩和建設(shè)2座1 m高的滾水壩所能形成的最大蓄水水面面積是相同的，但后者對洪水水位的雍高影響要小得多。滾水壩最大的缺點是其不能靈活調(diào)節(jié)擋水高度，因此在洪水期存在礙洪的可能性，且容易造成壩前淤積。

圖1 滾水壩結(jié)構(gòu)型式圖(折線實用堰)

滾水壩可結(jié)合岸邊綠化確定壩高，即確定蓄水水位，壩頂可設(shè)置親水汀步、親水平臺，打造成為當(dāng)?shù)鼐用裥蓍e娛樂的親水場所。南方城市很多城郊河道的漂流公園區(qū)均設(shè)置了非常多的滾水壩，一是為漂流項目提供水流保證，二是形成漂流過程中的興奮點。

1.2 平板鋼閘門壩(節(jié)制閘)

平板鋼閘門壩即為常規(guī)的攔河水閘，也被稱為閘壩，如圖2所示。平板鋼閘門為常規(guī)閘門。平板鋼閘門壩特點是泄流能力大、運行調(diào)度靈活，可以通過閘門調(diào)度宣泄各種頻率的洪水，但金屬結(jié)構(gòu)及土建工程量較大，上部需設(shè)置啟閉設(shè)備和啟閉機房，且高于河岸，對河道景觀影響也較大，而且施工相對復(fù)雜，工期長，管理麻煩，運行維護(hù)費用高。平板鋼閘門壩(閘壩)適用于大型樞紐以滿足靈活調(diào)度要求，多見于大江大河中，例如葛洲壩、蚌埠閘等。

圖2 平板鋼閘門壩結(jié)構(gòu)型式圖

平板鋼閘門壩利于靈活調(diào)度使用，多用于樞紐類攔河壩中，由于上部啟閉操作建筑投資高且不易形成景觀效果，城市河道中使用較少。

1.3 水力自控翻板壩

水力自控翻板壩是一種借助水力和動力作用，利用水力和閘門重量平衡的原理，在一定的水位條件下，隨流量的變化而自動啟閉的自動化閘門，如圖3所示。工作時，隨上游水位的升高而逐漸開啟泄流；在上游水位下降時，逐漸自行回關(guān)蓄水，使上游水位始終保持在要求的范圍內(nèi)(即正常攔蓄水位)。

圖3 水力自控翻板壩結(jié)構(gòu)型式圖

水力自控翻板壩具有不需啟閉機械及相應(yīng)設(shè)施、不需人為操作，完全由水流自動控制的特點，也因此投資較為節(jié)省。缺點是易被漂浮物卡住或上游淤積，導(dǎo)致不能自動翻板；洪水過后，翻板門再關(guān)上時易被異物卡住，造成大量漏水[1]。

1.4 橡膠壩

橡膠壩是用高強度合成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，如圖4所示。壩頂可以溢流，并可根據(jù)需要調(diào)節(jié)壩高，控制上游水位，以發(fā)揮效益。

圖4 橡膠壩結(jié)構(gòu)型式圖

橡膠壩的主要優(yōu)點是壩袋為柔性材料，抗震性能好，適應(yīng)地基的不均勻沉陷，工程投資較少。主要缺點是壩袋堅固性差，容易受到尖利和有尖角物體的刺破；易老化、變形，使用壽命較短。

1.5 鋼壩

鋼壩是一種可調(diào)溢流壩，主要由鋼性壩體、固定底軸、液壓驅(qū)動裝置及基礎(chǔ)底板組成，如圖5所示。閘門門體上帶有底橫軸，其受力全部傳與底橫軸，再由它通過底鉸傳遞給閘底板，閘門通過閘墩內(nèi)的液壓啟閉機控制。這種建筑物一般適合于河道孔口較窄(10～30 m)，擋水高度較低(1～3 m)的工況。立壩蓄水，臥壩行洪，形成一定的挑流和人工瀑布景觀效果。

圖5 鋼壩結(jié)構(gòu)型式圖

鋼壩外觀簡單大方，水體可以長時間大流量的從壩頂溢流，瀑布景觀效果較好；結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，2～3 min即可塌壩、立壩；任意開啟角度都可以機械鎖定[1]，便于水位控制。主要缺點是每一扇閘門兩側(cè)各需一個地下工作閘室、中間閘墩，閘室結(jié)構(gòu)復(fù)雜土建工程量較大，施工復(fù)雜，投資也較高。

1.6 液壓升降壩

液壓升降壩，如圖6所示，采用液壓桿升降以底部為軸的活動攔水壩面，實現(xiàn)升壩攔水，降壩行洪的目的；采用支撐桿支撐活動壩面的背面，構(gòu)成穩(wěn)定的支撐墩壩；采用浮標(biāo)開關(guān)，控制操作液壓系統(tǒng)，達(dá)到無人管理，根據(jù)洪水漲落，實現(xiàn)活動壩面的自動升降。

圖6 液壓升降壩結(jié)構(gòu)型式圖

液壓升降壩的主要特點是結(jié)構(gòu)簡單，造價較低。運行過程中，可以緊貼河床不阻水，無泥沙淤積，不影響防洪安全，可以任意調(diào)節(jié)水位高度。缺點是施工安裝難度較大，且升降的液壓桿件常年浸泡在河水中進(jìn)行啟閉工作，需要定期維修更換。

1.7 氣盾壩

氣盾壩又稱生態(tài)氣囊支撐壩、氣動盾形閘，主要由壩基底板、門體結(jié)構(gòu)、錨固埋件、支撐氣囊和氣動系統(tǒng)組成。擋水門體為一排強化鋼板，氣囊支撐在鋼板下游面，利用氣囊的充排氣控制門體起伏和支承門體擋水。底壩為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。氣盾壩以空氣為充脹動力介質(zhì)。

氣盾壩支撐氣囊和基礎(chǔ)鉸接為柔性材料，模塊結(jié)構(gòu)；抗震性能更好，抗基礎(chǔ)的不均勻沉陷能力更強；氣囊充排時間短(一般15～30min)，防洪渡汛和過凌汛強；塌壩運行，盾板緊貼河床，保證最佳行洪，并且盾板把氣囊完全保護(hù)起來，不受損壞。氣盾壩的主要缺點是壩頂不溢流時，壩體下游的氣囊外露，影響美觀[2]。

圖7 氣盾壩結(jié)構(gòu)型式圖

2 攔河壩型式比選分析

由于攔河壩型式多樣，在優(yōu)化選型時應(yīng)考慮現(xiàn)場條件、功能要求、耐久性、工程投資、運行管理與維護(hù)和水環(huán)境景觀等因素進(jìn)行綜合比選[3]，使攔河壩的壩型選擇更加科學(xué)合理。表1對各種壩型的比選因素進(jìn)行了對比分析。

表1 各攔河壩壩型比選表

為更加直觀地對比城市河道中各類型攔河壩的工程投資情況，現(xiàn)以攔河壩壩寬40 m、壩高2.5 m、壩體段長度10 m為特性，進(jìn)行投資分析對比，見表2。

表2 各攔河壩壩型投資對比表(可比投資)

綜上所述，對各種攔河壩壩型的選擇建議如下：

(1)滾水壩。由于其不具備調(diào)節(jié)作用，除部分河道坡降較陡的或無防洪排澇任務(wù)的城市河道外不推薦采用此壩型。

(2)平板鋼閘門壩。不易形成景觀，只考慮在大型河道和樞紐性質(zhì)的攔河壩中選用，對中小型的城市河道不建議選用。

(3)水力自控翻板壩?？煽啃圆睿唤ㄗh選用。

(4)橡膠壩。在漂浮物不多、防汛預(yù)報系統(tǒng)較為完善的河段可選用。

(5)鋼壩。投資較高，可在景觀要求較高的河段選用，但河道較寬(超過50 m)則不建議選用。

(6)液壓升降壩。在有景觀要求的河道可選用。

(7)氣盾壩。在有景觀要求的河道可選用，北方易結(jié)冰的河道慎用。

需要特別說明的是，河道治理是一個系統(tǒng)工程，同一條河道的不同河段往往有不同的自然條件、河道特性、規(guī)劃定位等，所以在城市河道的治理中，往往是各種攔河壩壩型組合使用，一方面結(jié)合所處河段的特性選擇適宜的壩型，另一方面間斷設(shè)置各類型攔河壩也可避免景觀同質(zhì)化。以河南省鄭州市梅河綜合治理工程為例，主力壩型選用造型美觀、造價適中的液壓升降壩，共10座；2座湖泊上游攔河壩需營造景觀亮點，選用鋼壩；最上游1座對水位的靈活控制要求不高，選用相對經(jīng)濟的橡膠壩[1]；而安徽省廣德市無量溪河綜合治理在10.2 km的城區(qū)河段設(shè)置9座攔河壩形成梯級水景觀，共設(shè)置了滾水壩、液壓升降壩、橡膠壩3種壩型，打造城區(qū)河道的生態(tài)景觀。

3 結(jié)束語

攔河壩壩型的選擇不僅要滿足最基本的攔蓄水和防洪排澇要求，還要與所處河段、地段的規(guī)劃與定位相適應(yīng)，還要兼顧生態(tài)、景觀的要求。因此，壩型的選擇必須綜合考慮，從多角度、多方面進(jìn)行比選分析，從而選擇出合適的壩型。