氣動浮體壩應(yīng)用在山區(qū)城市河道的適應(yīng)性分析

曹軍

（遵義水利水電勘測設(shè)計研究院，貴州遵義 563000）

1 氣動浮體壩簡介

氣動浮體壩是近年來在活動景觀攔河壩領(lǐng)域誕生的一種新的壩型，其原理是通過改變閘門整體浮力來控制閘門開啟狀態(tài)，通過底座與壩體安裝的門頁以及安裝于門葉頂部且通過充氣裝置進行充氣或抽氣的浮箱組件，當(dāng)對浮箱進行充排氣時，控制門頁以底座為基點進行翻轉(zhuǎn)運動，從而實現(xiàn)擋水和泄水的一種活動壩壩型。其主要優(yōu)點有：環(huán)保性好、不產(chǎn)生油污；關(guān)閉時壩體與河底齊平，不影響泄洪、通航；水流噪音?。荒芎牡?、易施工、維護方便。

該種壩型相對于液控翻板壩存在一些較明顯的優(yōu)勢，特別是近年來對于環(huán)保問題的重視，氣動浮體壩采用空壓機啟閉的方式，因此完全不存在漏油風(fēng)險，得到了廣泛推廣和應(yīng)用，但多建在平原地區(qū)，在山區(qū)城市、洪水陡漲陡落的河道上應(yīng)用較少。本文就遵義市中心城區(qū)湘江河段上修建的氣動浮體壩為例，對該種壩型在山區(qū)城市河道的適應(yīng)性進行了分析。

2 工程概況

遵義市中心城區(qū)河段涉及湘江干流及其支流高坪河，原共建有10座景觀攔河壩，原壩型為7座水力自控翻板壩及3座橡膠壩。因年久失修，不能保證安全運行，于2017年對該10座攔河壩進行了改造，改造的壩型分別有斜支撐液控升降壩、液控翻板壩及氣動浮體壩，項目總投資4963萬元。

本文著重介紹的氣動浮體壩壩型運用于湘江河公園壩，位于遵義市中心城區(qū)的核心區(qū)河段，活動壩部分壩高2m，壩線長47m，于2017年年底改造完畢，已投入運行3年有余。

3 攔河壩改造的必要性

湘江河上的天儀廠壩、高橋壩、公園壩原壩型均為充水式橡膠壩，經(jīng)多年運行，橡膠老化后，由于本地運行管理單位無檢修能力，加之在河道內(nèi)進行清淤等活動時未保護壩體，導(dǎo)致橡膠壩壩袋不同程度受損，存在安全隱患。2014年7月22日，高橋橡膠壩壩袋瞬間撕裂，造成塌袋，所蓄水體急速下泄，下游水位暴漲，對下游兩岸河邊人行走道上行人的人身安全構(gòu)成了威脅，所幸未造成人員傷亡安全事故。

基于該情況，遵義市各行業(yè)主管部門高度重視景觀攔河壩的安全運行情況。在檢查中發(fā)現(xiàn)，公園壩的橡膠壩袋存在破損、老化變形嚴(yán)重，袋頂高低不平，壩袋錨固螺栓銹蝕嚴(yán)重，個別錨固螺栓脫落，存在嚴(yán)重的安全隱患，已不能正常蓄水運行，嚴(yán)重影響城市水景效果。2014年12月，為排除工程險情，保證工程的蓄水達(dá)到美化城市水景的目的，將公園壩壩袋拆除，改造為臨時攔河堰，采用砂袋壘砌恢復(fù)其原壩頂高程，在平時抬高上游水位，滿足景觀要求；在河道發(fā)生洪水時，洪水可沖垮上部臨時擋水的砂袋，使河道行洪斷面加大，從而降低防洪風(fēng)險。但該改造方案為臨時應(yīng)急措施，不能永久性地在完全滿足行洪要求的同時保證河道水面景觀，因此對攔河壩進行改造，是很有必要的。

4 壩型選擇

4.1 已建壩型經(jīng)驗

遵義市中心城區(qū)之前所建攔河壩均為水力自控翻板壩及橡膠壩，通過運行多年的經(jīng)驗看來，該兩種壩型在遵義市的適應(yīng)性較差，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）遵義市屬山區(qū)，河道行洪時水流夾雜樹枝、亂石等雜物較多，易造成翻板壩卡阻，或?qū)ο鹉z壩壩袋造成損壞。

（2）水力自控翻板壩在運行中多數(shù)出現(xiàn)支絞變形的情況，在打開后不能自行回位；甚至出現(xiàn)上游來洪水時不能自動翻轉(zhuǎn)泄洪的情況，對此構(gòu)成了較大的防洪安全隱患。為此，運行單位需投入大量人力物力對翻板壩實施人工啟閉。

（3）水力自控翻板壩在上游來水量突然增大時會在短時間內(nèi)打開壩體泄洪，使下游水位迅速提升，不利于下游兩岸防洪安全。

（4）橡膠壩壩袋為橡膠制品，受損的頻率較高。目前遵義市中心城區(qū)已建的7座橡膠壩僅有一座能夠正常運行（壽命均在10年左右），其余橡膠壩壩袋均受到不同程度的損傷甚至損毀。

綜上所述，水力自控翻板壩及橡膠壩就目前運行情況看來，不考慮選擇該兩種壩型作為推薦壩型。

4.2 公園壩壩型選擇

據(jù)國內(nèi)各種城市景觀閘壩的發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合類似工程運行經(jīng)驗，比較成熟的壩型有：液控翻板壩、液壓底軸翻板壩、斜支撐液控升降壩、折疊式液控翻板壩及氣動浮體壩等。結(jié)合公園壩的情況，經(jīng)綜合比較，選擇了氣動浮體壩作為公園壩的選擇壩型，主要緣由如下：

（1）啟閉方式優(yōu)勢：上述可選擇的壩型中，只有氣動浮體壩是采用空氣給浮體充放氣來實現(xiàn)壩體啟閉，其余壩型均靠液壓系統(tǒng)進行啟閉，存在液壓電控設(shè)備復(fù)雜、有漏油產(chǎn)生污染風(fēng)險等問題，而氣動浮體壩設(shè)備簡單，啟動僅靠一臺低功率空壓機即可，也無污染風(fēng)險，更適用于城區(qū)河段內(nèi)的景觀攔河壩。

（2）土建開挖適應(yīng)：本次改造的10座景觀攔河壩中，其中公園壩壩高較矮，僅為2.0m，其余壩型壩高均在3.5m以上，而氣動浮體壩需開挖約1.5倍壩高的基坑，因此越高的壩基坑就越深，在城區(qū)河道內(nèi)施工，導(dǎo)流及基坑邊坡支護條件都比較狹窄，風(fēng)險較大，因此僅在壩高較低的公園壩選用氣動浮體壩較利于壩基開挖施工。

（3）低噪聲優(yōu)勢：氣動浮體壩在正常擋水時，壩頂溢流的水流通過壩的背坡滑入下游，水流平順，噪聲??；而其他翻板壩壩型的水流都是從壩頂?shù)胂掠?，形成類似小瀑布的流態(tài)，噪音較大。公園壩地處遵義市人民公園及鳳凰山景觀長廊的核心區(qū)，為維持其安靜休閑的周邊環(huán)境，選擇氣動浮體壩較為適宜。

（4）造價優(yōu)勢：氣動浮體壩由于沒有液壓系統(tǒng)，僅由浮箱壩體、空壓機及供排氣管道就能實現(xiàn)壩體啟閉，因此造價相對于其他壩型來說較為低廉，同時對檢修維護的技術(shù)要求也較低，遠(yuǎn)程運行方便可靠。

5 建設(shè)運行經(jīng)驗

公園壩自2017年年底改造完畢即投入正常運行，以遠(yuǎn)程+現(xiàn)場管理結(jié)合方式對湘江河城區(qū)河段的10座壩進行運行管理。在公園壩建設(shè)運行的過程中，針對該壩型在城區(qū)河道中的應(yīng)用積累了一定的經(jīng)驗和認(rèn)識，主要有以下幾個方面：

（1）巖體基礎(chǔ)開挖難度大：作為門體2.0m高的氣動浮體壩，需開挖約3.0m深的基坑，用于隱藏倒伏時的壩體。公園壩為改建壩，原就有約1.5m厚的混凝土壩基，下部為泥巖、砂巖、粉砂巖互層的巖體，加之該河段位于城市中心，涉及安全保護及噪聲問題，不能爆破或者用機械破碎錘施工，因此所有開挖均采用人工鉆孔+膨脹劑方式進行冷挖，導(dǎo)致進度緩慢，人工成本很高。就此可以看出，該種壩型由于基礎(chǔ)深度要求很深，更適用于河床覆蓋層厚、易開挖基坑的河流，若在巖體河床上運用該壩型時，應(yīng)充分考慮施工方法及成本。

（2）水位控制：氣動浮體壩只能處于全浮起狀態(tài)和全倒伏狀態(tài)，因此上游水位只能控制在正常蓄水位或者不擋水狀態(tài)，這一點情況與其他壩型相比存在劣勢。就公園壩來講，作為城市中心的壩型，經(jīng)常需要調(diào)節(jié)活動壩的開度來調(diào)度整條河的水位，以適應(yīng)安全行洪及生態(tài)景觀方面的需求。但在公園壩就無法實現(xiàn)開度調(diào)節(jié)，只能通過公園壩上下游的活動壩來彌補和適應(yīng)。針對該問題，壩體生產(chǎn)廠家、設(shè)計方嘗試過很多方法，比如增設(shè)限位器、調(diào)大浮箱容積等，但始終未能解決該問題。

（3）泄洪過程不可控：在公園壩運行過程中發(fā)現(xiàn)，在河道上游來水量大或者主動倒伏壩體的時候，公園壩頂部過水一旦超過一定高度，頂部的動水壓力超過浮體自身浮力，整個壩就會迅速下沉，導(dǎo)致大量蓄水迅速涌向下游，若調(diào)度預(yù)警不得當(dāng)，就會存在一定的安全隱患，這就對調(diào)度提出了很高的要求。在上游來水量大時，需提前打開公園壩下游的攔河壩騰空河道，再打開公園壩，泄掉公園壩所蓄水量迎接洪水。但在城區(qū)河段，即使在汛期也有水景觀的需求，與氣動浮體壩泄洪過程不可控之間形成難以解決的矛盾。且調(diào)度若不得當(dāng)，很有可能會造成安全隱患，影響下游河道兩岸的防洪安全。遵義市湘江河屬山區(qū)河流，公園壩以上流域面積僅有280km2，洪水來得快去得也快，往往下暴雨和漲洪水就只有一兩個小時的間隙，可供預(yù)警和提前動作的時間很短，這就對汛期攔河壩的安全運行提出了很高的要求，除了對壩體開閉進行調(diào)度控制之外，更多的是需要提前將攔河壩下游河道兩岸的行人疏散上岸，因此增大了對汛期值守人員的數(shù)量和工作量。

（4）有利于魚類洄游：遵義市湘江河流域本無洄游魚類，但在公園壩運行中發(fā)現(xiàn)，由于氣動浮體壩下游壩坡較緩，壩高也不高，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)有鯉魚、鯽魚等本土野生魚類由下游河道經(jīng)下游壩坡“沖”到上游的情況，特別是在壩頂溢流水量較大的時候，這種情況非常常見。因此相對于翻板類的活動壩來講，氣動浮體壩是極有利于魚類洄游的，即使是在擋水狀態(tài)下，魚類依然可以實現(xiàn)在壩體上下游的順暢往來。下一步針對有洄游魚類的河道，可考慮將下游壩坡設(shè)置得更緩，這樣在擋水營造水景觀的同時，也能夠保證洄游魚類的正常流動，若試驗成功，則氣動浮體壩可認(rèn)定為無須倒伏壩體實現(xiàn)魚類洄游的一種優(yōu)質(zhì)生態(tài)壩型。

6 結(jié)語

公園壩作為遵義地區(qū)乃至貴州省內(nèi)第一座在城區(qū)河道使用氣動浮體壩的景觀攔河壩，目前建成運行已經(jīng)過3年多的時間，在規(guī)劃設(shè)計、建設(shè)運行的過程中都積累了一定的經(jīng)驗。特別是針對山區(qū)城市河道流域面積普遍較小，洪水陡漲陡落的行洪特點，與平原河流相比有所差異，氣動浮體壩的適用性也有所區(qū)別。本文針對該種壩型在如何在城區(qū)河道攔河壩選用氣動浮體壩的設(shè)計、施工及運行有一定的參考價值。