皖北平原苗原河蓄水壩的選型分析

張 培 慎

(太和縣河道管理中心，安徽 太和 236600)

1 背景

苗原河地處皖北平原太和縣，在暖溫帶與北亞熱帶交接地帶，屬半濕潤(rùn)季風(fēng)性氣候，年平均氣溫14 ℃，全縣多年平均降水量860.7 mm(1959年—2008年)，年平均日照時(shí)數(shù)226 h，多年平均蒸發(fā)量1 618 mm；地勢(shì)平坦，由西北向東南微傾，受季風(fēng)氣候影響，降雨年際和年內(nèi)分布不均，是旱澇災(zāi)害易發(fā)區(qū)。

近年來(lái)中小河流治理等工程的不斷實(shí)施，太和縣主要河道已得到較好的治理，但大溝河道仍存在一些問(wèn)題。苗原河為西淝河支流，大中溝較多，經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行，溝口沖刷淤積較嚴(yán)重，地表水資源分布不均衡，溝口蓄水節(jié)制工程偏少，部分節(jié)制工程帶病運(yùn)行，不能有效攔蓄地表水，水資源利用率不高，缺水問(wèn)題日益嚴(yán)重。

為了改善河道運(yùn)行情況，增加河道蓄水，加強(qiáng)對(duì)水系的治理，全面提升城市發(fā)展環(huán)境和人居環(huán)境，建成水清岸綠、環(huán)境優(yōu)美的風(fēng)光帶。太和縣政府計(jì)劃在苗原河上建造一座蓄水壩。

2 工程選址及地質(zhì)

2.1 工程選址

本次壩址的選擇主要遵循以下原則：

1)優(yōu)先選用地質(zhì)條件良好的天然地基，盡量避免將壩建在淤泥或粉細(xì)砂等不良地基上；

2)壩址選擇應(yīng)考慮占地、拆遷因素，要盡量減少占地，減少拆遷賠償費(fèi)用,軸線(xiàn)盡量與河道正交；

3)綜合考慮材料來(lái)源、對(duì)外交通、施工導(dǎo)流、場(chǎng)地布置、基坑排水、施工水電供應(yīng)等條件，壩建成后工程管理維修和防汛搶險(xiǎn)等條件；

4)減少基礎(chǔ)處理費(fèi)用，節(jié)省工程投資。

本次工程的目的是為提高河道蓄水量，在綜合考慮以上原則及其他因素后，最終選定在苗原河謝莊段附近開(kāi)建蓄水壩。

2.2 地質(zhì)條件

參考?jí)沃愤x定原則確定在謝莊附近開(kāi)建蓄水壩，并對(duì)該選址的地質(zhì)條件進(jìn)行分析，依據(jù)鉆探、原位測(cè)試和室內(nèi)土試資料，將場(chǎng)地內(nèi)埋深20.00 m以淺地基土巖性自上而下共劃分3個(gè)工程地質(zhì)層。①雜填土層，以粘性土為主，厚度約0.90 m～1.10 m。②粉質(zhì)粘土層，厚度5.80 m～5.90 m。③粉細(xì)砂層，以長(zhǎng)石、石英為主要成分，揭露最大層厚13.00 m。地基承載力基本容許值如表1所示。

表1 工程地質(zhì)層地基承載力基本容許值(fa0)一覽表

總體來(lái)講，②粉質(zhì)粘土層：工程性質(zhì)較好，是基礎(chǔ)良好持力層及下臥層；③粉細(xì)砂層：厚度中等，工程性質(zhì)一般，中等壓縮性，是基礎(chǔ)良好的下臥層；場(chǎng)地土類(lèi)型為中軟場(chǎng)地土，建筑場(chǎng)地類(lèi)別屬Ⅲ類(lèi)；場(chǎng)地?zé)o活動(dòng)斷裂通過(guò)，無(wú)軟弱土層及液化土層分布，地基土穩(wěn)定性良好，為可進(jìn)行建設(shè)一般場(chǎng)地；抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g(第一組)；勘察期間測(cè)得地下水位埋深2.50 m～2.60 m。

3 壩型選擇

在河道治理中常用的低水頭擋水建筑物有提升式平板閘、橡膠壩、混凝土滾水壩、合頁(yè)壩、氣盾鋼壩等傳統(tǒng)和新型閘壩；由于平板閘存在工程量大，景觀效果差，閘墩墻較多，阻水較大，橡膠壩壩袋容易被鋒利雜物刺破和老化，景觀性較差，使用壽命不長(zhǎng)等問(wèn)題，故不予考慮。本文通過(guò)對(duì)混凝土滾水壩、合頁(yè)壩、氣盾鋼壩三種壩型進(jìn)行多因素對(duì)比，選出較適合該區(qū)域的蓄水壩。

河道底寬約為10 m，邊坡為1/2，河底高程為26.16 m，新建壩正常蓄水位為29.60 m，壩上消能水位為29.06 m，排澇水位為30.61 m。

3.1 合頁(yè)壩

合頁(yè)活動(dòng)壩是一種新的水工概念，其技術(shù)結(jié)合了液壓“三鉸點(diǎn)變幅運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)原理”和液壓翻板閘及液壓升降壩技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)并進(jìn)行升級(jí)，獨(dú)有的無(wú)動(dòng)力降壩及冰期無(wú)除冰蓄水技術(shù)均達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平，是一項(xiàng)全新的水利科技創(chuàng)新成果，適用于各種地質(zhì)條件及水力工況條件的新型活動(dòng)壩。廣泛應(yīng)用在河道景觀、水生態(tài)文明及城鎮(zhèn)化建設(shè)項(xiàng)目中。其原理是采用液壓缸直推門(mén)體，使其繞底軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)升壩擋水，降壩行洪的目的。

如圖1所示，若采用合頁(yè)壩為謝橋蓄水壩，整體景觀效果好，背部采用暗藏式支撐，重心較低，壩面整齊干凈，支撐機(jī)構(gòu)對(duì)面板背水側(cè)的影響較低；閘體采用獨(dú)立式面板設(shè)計(jì)，面板間設(shè)置止水(止水間有2 cm～3 cm的接觸范圍)，該壩對(duì)于基礎(chǔ)沉降有較強(qiáng)的適應(yīng)性，完全適應(yīng)在此地建設(shè)；具有無(wú)動(dòng)力降壩功能，升降速度快(可實(shí)現(xiàn)無(wú)電降壩)，使用中不受過(guò)流水體、漂浮物及沉積物等的影響，但使用壽命受液壓缸的影響，不過(guò)其密封件及油缸均可進(jìn)行人工更換，維修效率高；只打開(kāi)單面板時(shí)，可形成高速水流，沖沙效果明顯。

若采用擋水高度為4.5 m、橫跨苗原河的合頁(yè)壩，需要配備1臺(tái)液壓泵站等，并保證其電力供應(yīng)等，一次升降壩的費(fèi)用約為100元，一年完全升降操作按10次～15次算，加之其他設(shè)備基本維護(hù)維修及管理費(fèi)用，該壩每年費(fèi)用在5 000元左右，對(duì)預(yù)算較為充裕的工程較為適合。

3.2 氣盾鋼壩

20世紀(jì)90年代美國(guó)研發(fā)了一種新型水工擋、泄水建筑物—?dú)舛茕搲?，該壩結(jié)合了橡膠壩和鋼板壩兩者優(yōu)點(diǎn)、克服了二者的不足，于1996年前后引入國(guó)內(nèi)，該壩型被水利部認(rèn)定為水利先進(jìn)實(shí)用技術(shù)，至今在國(guó)內(nèi)已建成并投入使用100多座。

其由盾板、氣囊、基礎(chǔ)錨固螺栓和氣動(dòng)充排系統(tǒng)組成。其結(jié)構(gòu)形式如圖2所示，工作原理為通過(guò)充排氣裝置調(diào)節(jié)氣囊的充氣程度，可精確控制閘門(mén)開(kāi)度，在汛期可人為控制蓄水高度以滿(mǎn)足防洪要求；閘門(mén)全開(kāi)時(shí)，門(mén)體全部倒臥在河底，在斷電情況下可完成坍壩，對(duì)行洪安全有保證。

如圖3所示，若采用氣盾鋼壩為謝橋蓄水壩，景觀效果稍弱，由于氣盾鋼壩背板受氣囊支撐限制，對(duì)背板形狀及光潔度要求較高，為保證氣盾鋼壩整體結(jié)構(gòu)的安全性，上游側(cè)必須配置通過(guò)肋板，其要求為下寬上窄，正是由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，氣囊受到鋼盾板的保護(hù)，不懼怕漂浮物穿刺、劃傷，且氣囊與鋼盾板之間為一體式軟連接、無(wú)需潤(rùn)滑油或其他連接件，但國(guó)內(nèi)生產(chǎn)氣囊氣密性較國(guó)外技術(shù)仍有差距，其使用壽命有待市場(chǎng)驗(yàn)證。

若采用與合頁(yè)壩相同規(guī)模的氣盾鋼壩，需配備2臺(tái)螺桿壓縮機(jī)，3臺(tái)風(fēng)機(jī)，并保證更高功率的供電設(shè)施。一次升降壩的費(fèi)用約為150元，一年完全升降操作按10次～15次算，加之其他設(shè)備基本維護(hù)維修及管理費(fèi)用，該壩每年費(fèi)用在7 000元左右，對(duì)預(yù)算較為充裕的工程較為適合。

3.3 滾水壩

滾水堰最初是應(yīng)用于埃及Faiyum省，位于尼羅河西岸，該壩結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其主要作用為抬高上游水位、攔蓄泥砂。在我國(guó)清代就為主要的河工工程，現(xiàn)階段技術(shù)已非常成熟，主要原理是保持河道一定程度的水位，攔蓄部分河水，多余的水可以自由溢流向下游。如圖4所示，若本次壩型選用混凝土滾水壩，施工技術(shù)成熟，工期相對(duì)較短，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低，使用壽命較長(zhǎng)，壩體建成后，景觀效果較好，基本不用管理，攔水效果好，可以攔截上游河床中的泥沙，待沉積后定期清理，可以有效降低河道的泥沙含量。

3.4 比較分析

如表2所示，結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)三種壩型不同因素進(jìn)行了列表對(duì)比，主要包括景觀效果、行洪能力、排砂效果、施工難度、維護(hù)及維修費(fèi)用、造價(jià)等。

表2 不同壩型對(duì)比表

通過(guò)上述比較，結(jié)合工程實(shí)際，認(rèn)為本次工程建設(shè)對(duì)象為大溝河道，行洪能力要求不高，主要任務(wù)為增加河道蓄水，在造價(jià)、施工難度、維護(hù)及維修費(fèi)用、景觀等方面綜合來(lái)講，合頁(yè)壩、氣盾鋼壩整體性能較好，但涉及新建液壓泵站、壓縮機(jī)及供電要求，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較高等，增大工程經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，最終認(rèn)為選用混凝土滾水壩較為經(jīng)濟(jì)、實(shí)用，既能有效攔蓄部分來(lái)水，也能實(shí)現(xiàn)溝河道的天然流水。

由于滾水壩的設(shè)計(jì)關(guān)乎實(shí)際工程中應(yīng)用效率和安全，因此，必須嚴(yán)格計(jì)算各環(huán)節(jié)的參數(shù)，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、實(shí)際較優(yōu)運(yùn)行，保證水流平順流過(guò)壩面，避免產(chǎn)生振動(dòng)和空蝕。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察和地質(zhì)分析，明確皖北平原苗原河謝莊段河勢(shì)穩(wěn)定，地質(zhì)條件良好，滿(mǎn)足建壩條件，經(jīng)造價(jià)、維修維護(hù)、景觀等多因素對(duì)比，確定選擇滾水壩較為經(jīng)濟(jì)、實(shí)用。為提高工程的安全性，保障壩在實(shí)際工程應(yīng)用中的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，在施工過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格按照工序保質(zhì)保量進(jìn)行。

謝莊滾水壩的建設(shè)增大了河流蓄水能力，同時(shí)也提高了區(qū)域涵養(yǎng)水源能力，抬升地下水位，緩解了地區(qū)水資源短缺的問(wèn)題，全面提升了苗原河流域水資源保障能力。