氣盾壩在城市景觀水系建設(shè)中的應(yīng)用

張紀(jì)智

（廣西水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，南寧 530023）

1 工程概況[1]

欽江是靈山縣最主要的河流，靈山縣城區(qū)上游約18.2 km處的欽江干流建有一座具有多年調(diào)節(jié)功能的大（2）型水庫——靈東水庫，經(jīng)過靈東水庫調(diào)節(jié)，上游河道在年內(nèi)多數(shù)時(shí)間來水流量偏小，幾近干涸，無法滿足國務(wù)院于2015 年發(fā)布的《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》（即“水十條”）對(duì)河湖枯水期生態(tài)基流的保障要求，河道兩岸排水（排污）涵洞口分布較多，枯水期造成河道水質(zhì)差，急需采取整治措施，避免黑臭水體的產(chǎn)生，維護(hù)河道生態(tài)環(huán)境。根據(jù)靈山縣《靈山縣縣城綠地系統(tǒng)專項(xiàng)規(guī)劃及綠線劃定規(guī)劃（2013—2030 年）》，欽江兩岸規(guī)劃為“欽江帶狀公園”，欽江靈山縣城區(qū)段“一江兩岸”綠化帶，是打造城市水生態(tài)景觀系統(tǒng)的規(guī)劃內(nèi)容之一。根據(jù)規(guī)劃以及欽江靈山縣城區(qū)河段現(xiàn)狀枯水期流量小、水位低、人水疏離的現(xiàn)狀，通過在城區(qū)下游河段新建威龍壅水壩抬高水面，達(dá)到改善城區(qū)河段水環(huán)境和水景觀、打造“一江兩岸”綠化帶的目的。

靈山縣城區(qū)河段兩岸均規(guī)劃建設(shè)有防洪堤，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇，新建的壅水景觀壩運(yùn)行需在保證河道行洪安全前提下，進(jìn)一步滿足景觀壅水的需求。根據(jù)工程任務(wù)要求，確定威龍壅水壩的運(yùn)行方式為：非汛期維持正常蓄水位52.5 m 控制運(yùn)行；汛期，當(dāng)上游城區(qū)水位站水位低于54.60 m（來水流量小于500 m3/s）時(shí)，威龍氣盾壩維持正常蓄水位52.5 m控制運(yùn)行；上游城區(qū)水位站水位超過54.60 m（來水流量超過500 m3/s）時(shí)，威龍氣盾壩坍壩運(yùn)行，基本恢復(fù)現(xiàn)狀河道。威龍氣盾壩正常運(yùn)行時(shí)水位為52.5 m時(shí)，相應(yīng)庫容為221萬m3，坍壩運(yùn)行校核水位相應(yīng)總庫容為298.7 萬m3。根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL 252-2017），威龍氣盾壅水壩屬?。?）型水庫，工程等別為Ⅳ等。

2 壩址區(qū)地質(zhì)條件[1]

壩址兩岸均為一級(jí)階地沖積平原的地形地貌，地勢(shì)較為平緩。兩岸一級(jí)階地臺(tái)地高程一般為48～53 m，主要為農(nóng)田。河床高程一般為45.2～46.8 m，河岸兩側(cè)河漫灘發(fā)育，地勢(shì)較為平緩，河漫灘高程約為46.8～48 m。河床中覆蓋層厚度1.0～1.8 m，上層為近代河流沖積層第二層（Q4al2-2），砂質(zhì)黏土，棕黑色，濕～稍濕，可塑狀，層厚1.0～2.5 m，主要分布于欽江兩側(cè)河漫灘等位置。下層為近代河流沖積層第一層（Q4al2-1），中粗砂，含有少量礫石，雜色，濕～飽和，松散狀，層厚0.5～4.0 m不等，磨圓度較好，主要成分為石英和白云巖等，主要分布于河漫灘及河床內(nèi)。壩基石巖為白云巖，巖體物理力學(xué)性質(zhì)較好，弱風(fēng)化，是工程區(qū)主要的下伏基巖。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)條件，工程區(qū)內(nèi)泥盆系中統(tǒng)郁江組上段（D2y2）總體為N59°E，NW∠40°。壩址區(qū)無區(qū)域斷裂和較大的斷裂通過，工程區(qū)內(nèi)節(jié)理裂隙較為發(fā)育?；鶐r稍有起伏，局部發(fā)育有少許溶蝕空隙。5 Lu線下限埋深超過10 m。工程區(qū)內(nèi)主要的不良現(xiàn)象表現(xiàn)為巖溶現(xiàn)象，遇有小型溶洞，溶洞內(nèi)部由泥質(zhì)填充，綜合判定為巖溶弱發(fā)育。

3 壩型比選方案布置及其特性

壩線處現(xiàn)狀天然河道較為開闊，河道坡降較為平緩，前后河道較為順直。威龍壅水壩建設(shè)任務(wù)是在滿足河道行洪安全的前提下，壅高壩址至海巖壩之間河段的水位。如采用混凝土壩、常規(guī)閘壩作為代表壩型，則最大壩高將達(dá)到9.5 m，水閘還需修建較多的閘墩，對(duì)汛期行洪造成較大影響。且壩址兩岸已經(jīng)批復(fù)有防洪堤，壅水壩在布置上也受到較大影響?；炷翂?、常規(guī)閘壩等汛期無法恢復(fù)原河道行洪斷面的壩型，難以滿足汛期行洪要求，因此不考慮修建混凝土壩、常規(guī)閘壩。為了與上游一級(jí)壅水壩的水面形成階梯銜接，形成較好的水景觀，同時(shí)又不影響河道行洪能力，考慮選用汛期能迅速恢復(fù)河道行洪斷面的閘壩型式?？蓾M足要求的閘壩型式主要由鋼板壩、橡膠壩、氣盾壩，對(duì)此3 種壩型進(jìn)行比選。

3.1 氣盾壩布置方案

氣盾壩方案由1孔氣盾壩組成，中間不設(shè)閘墩，壅水高度為5.5 m，全長(zhǎng)142.6 m，其中閘室段溢流前沿凈寬95.0 m，正常蓄水位52.5 m，建基面高程43.5 m，閘底板頂高程為47.0 m，兩岸管理維護(hù)平臺(tái)高程為53.5 m。閘室上游側(cè)設(shè)有懸掛式灌漿帷幕，以解決壩基滲透穩(wěn)定劑閘室穩(wěn)定問題。閘室下游側(cè)設(shè)有消力池，寬度與閘室段相同，消力池下游設(shè)置海漫與下游河道銜接。左岸布置2 根DN1600 預(yù)埋鋼管，用于運(yùn)行期間的檢修臨時(shí)導(dǎo)流。氣動(dòng)盾形閘門系統(tǒng)（氣盾壩）是由鋼閘門、氣袋、埋件、空壓系統(tǒng)和閘門控制系統(tǒng)組成，是利用空氣壓縮原理，通過氣袋的充氣與排氣，使閘門升起和倒伏，維持特定的水位高度，并可在設(shè)計(jì)水位內(nèi)實(shí)現(xiàn)任意水位高度的調(diào)節(jié)。氣盾壩可完全倒伏在河底，無水位落差，不影響水生物的上下通過，可以保持河道及生態(tài)連續(xù)性，有效維護(hù)生態(tài)環(huán)境。整套氣動(dòng)閘系統(tǒng)是由若干模塊化的鋼閘門及氣袋組合而成，攔河寬度不受限制，且中間不需要閘墩，泄水面幾乎與河道寬度一致，可實(shí)現(xiàn)大面積高效率泄水?？蓱?yīng)用于城市河流或人工湖，穩(wěn)定的水位為人們提供了休閑娛樂場(chǎng)所，而溢流時(shí)形成的瀑布景觀更為城市增添了一道優(yōu)美的風(fēng)景。不需要啟閉機(jī)械設(shè)備，土建只需建設(shè)簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)，成本低。氣袋支撐的鋼閘門可以完全保護(hù)氣袋本身，避免被浮木、石礫、冰塊等雜物的損傷，使用壽命較長(zhǎng)。主要缺點(diǎn)在于進(jìn)行大檢修時(shí)，需在人工圍堰保護(hù)下進(jìn)行，活動(dòng)調(diào)節(jié)壩一般均存在這一問題，主要通過設(shè)置導(dǎo)流排水管、選擇枯水期檢修等措施加以解決。

3.2 橡膠壩布置方案

橡膠壩布置方案亦采用單孔布置，除閘室上部擋水建筑物以外，其主要結(jié)構(gòu)布置均與氣盾壩一致。橡膠壩由錨固在基礎(chǔ)底座上的高強(qiáng)度合成纖維織物壩袋做受力骨架，運(yùn)行時(shí)向壩袋內(nèi)充氣或充水，形成相對(duì)穩(wěn)定的類似于壩體的擋水膨脹體。其運(yùn)行方式簡(jiǎn)單，汛期不影響河道泄洪，施工方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)用案例較多，造價(jià)相對(duì)較低。其主要技術(shù)特點(diǎn)與氣盾壩類似，但橡膠壅水壩袋缺少鋼面板保護(hù)，漂浮物較多的河流上應(yīng)用其使用壽命可能會(huì)受到一定影響。根據(jù)調(diào)查，目前國內(nèi)已建橡膠壩最大壩高達(dá)5.0 m，日本有6.0 m的橡膠壩案例，壅水高度可基本滿足項(xiàng)目要求。橡膠壩具有可根據(jù)需要充排水（氣）調(diào)節(jié)壩高的特點(diǎn)，可以滿足本工程枯水期蓄水、汛期恢復(fù)河道行洪的要求。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，橡膠壩單跨長(zhǎng)度可達(dá)100 m，不需設(shè)置中墩，兩側(cè)設(shè)置邊墩。由于橡膠壩充泄水時(shí)間較長(zhǎng)，需要緊急充泄水的情況下可能不能較好滿足運(yùn)行要求。壩袋直接擋水且缺少必要的防護(hù)，頻繁充泄水時(shí)壩袋橡膠存在老化問題，壩袋容易被河道漂浮物破壞。

3.3 液壓鋼板壩布置方案

鋼板壩方案采用4孔布置，單孔寬度25.0 m，設(shè)有2 個(gè)邊墩3 個(gè)中墩。鋼板壩壅水高度為5.5 m，全長(zhǎng)142.6 m，其中閘室段長(zhǎng)101.0 m，溢流凈寬95.0 m，正常蓄水位52.5 m，建基面高程43.5 m，閘底板頂高程為47.0 m，兩岸管理維護(hù)平臺(tái)高程為53.5 m。鋼板壩方案的門葉采用豎向懸臂梁結(jié)構(gòu)，門葉由底軸旋轉(zhuǎn)直接驅(qū)動(dòng)，閘門的開啟操作由布置在兩側(cè)閘墩機(jī)房?jī)?nèi)的液壓?jiǎn)㈤]機(jī)通過固定于底軸端部的拐臂驅(qū)動(dòng)閘門。根據(jù)鋼板壩運(yùn)行的特性，鋼板壩擋水高度一般不超過5 m，對(duì)于高度達(dá)到5 m以上的鋼板壩，國內(nèi)尚未有設(shè)計(jì)先例。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)高度達(dá)到4.5 m以上的鋼板壩，孔口寬度不宜超過25 m，超過時(shí)一般需要增設(shè)中墩，以減少單孔孔口寬度，確保鋼板壩安全運(yùn)行。

鋼板壩升降調(diào)節(jié)水位需繞底軸轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)地基沉降較為敏感，液壓桿易折彎移位卡阻，同步升降控制有一定難度，運(yùn)行年限增加后底部容易產(chǎn)生漏水現(xiàn)象；面板升降受液壓缸、底軸、液壓泵站等機(jī)械結(jié)構(gòu)及裝置控制，控制結(jié)構(gòu)相較其它活動(dòng)壩型較為復(fù)雜，可靠度受到一定影響。對(duì)于高度達(dá)到5 m 以上的鋼板壩，國內(nèi)尚未有設(shè)計(jì)先例，使用需進(jìn)行一定的論證。

4 壩型比選

4.1 地形地質(zhì)條件比較

根據(jù)地質(zhì)勘察，擬建壩址基巖條件較好，主要為泥盆系中統(tǒng)郁江組上段（D2y2）弱風(fēng)化白云巖，其飽和抗壓強(qiáng)度平均值為19.7 MPa，屬于較軟巖。巖層傾角以40°～50°為主，抗滑穩(wěn)定性條件較好；有發(fā)生壩基滲漏和繞壩滲漏的可能，對(duì)局部進(jìn)行防滲處理后可滿足防滲要求；消能區(qū)內(nèi)的覆蓋層抗沖刷能力弱，易受沖刷破壞，可采取一定抗沖刷措施。由于本工程壅水水頭不高，采取一定工程措施后，均能較好滿足各壩型布置方案對(duì)地質(zhì)條件的要求。

4.2 壩型適應(yīng)性比較

最大壅水高度為5.5 m，如采用鋼板壩，根據(jù)其自身技術(shù)特點(diǎn)，對(duì)于高度達(dá)到5.0 m以上的鋼板壩，國內(nèi)尚未有設(shè)計(jì)先例，需進(jìn)行一定的論證。鋼板壩由于使用了液壓系統(tǒng)及支撐桿件，安裝較為復(fù)雜。本工程擋水水頭較高，雖然鋼板壩技術(shù)總體而言較為成熟，但擋水水頭一般不超過5.0 m，因此，相對(duì)本工程需要的擋水高度而言，技術(shù)成熟度相對(duì)一般。根據(jù)橡膠壩自身技術(shù)特性，其壩袋易被尖銳漂浮物損傷，本工程欽江河道汛期時(shí)有一定的漂浮物，適應(yīng)性存在一定缺陷；充排時(shí)間長(zhǎng)，不能滿足汛期快速坍壩的要求，存在運(yùn)行管理不當(dāng)?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)，管理要求高；其最大壩高可達(dá)5.0 m，5.0 m以上國內(nèi)無建成案例，因此相對(duì)本工程需要的擋水高度而言，技術(shù)成熟度相對(duì)一般。氣盾壩汛期能快速恢復(fù)河道行洪斷面，擋水高度和運(yùn)行狀態(tài)持續(xù)可控，單孔跨度大，可不在河床設(shè)置中墩，鋼面板支撐在獨(dú)立的橡膠氣袋上，可以允許漂浮物通過，使用壽命較長(zhǎng)，且氣盾壩景觀效果佳，壩頂溢流會(huì)形成瀑布，較好地滿足了項(xiàng)目任務(wù)要求。氣盾壩結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工安裝較為快捷。氣盾壩國內(nèi)已有6.0 m 高的案例，運(yùn)行正常，技術(shù)成熟度相對(duì)較好。就本工程的壩型適應(yīng)性而言，選擇氣盾壩較優(yōu)。

4.3 建筑物布置比較

根據(jù)前述建筑物布置，液壓鋼板壩閘室寬度較大，由于受兩岸堤防及規(guī)劃道路影響，閘室寬度較大時(shí)布置及施工期臨時(shí)建筑物難度相應(yīng)增加，建筑工程量也較大。因此就建筑物布置難度方面而言，橡膠壩和氣盾壩較優(yōu)。

4.4 耐久性及運(yùn)行維護(hù)比較

根據(jù)壩型技術(shù)特點(diǎn)及調(diào)查了解，橡膠壩的耐久性或使用壽命一般可達(dá)30 a以上，氣盾壩可達(dá)50 a，鋼板壩可達(dá)50 a 以上。耐久性及使用壽命方面鋼板壩及氣盾壩較優(yōu)。

鋼板壩在運(yùn)行方面總體而言較為簡(jiǎn)單，在需要坍壩時(shí)鋼板壩由液壓控制，能夠做到快速坍壩，升壩也十分迅速，運(yùn)行較為便捷。在維修養(yǎng)護(hù)方面，鋼板壩升降調(diào)節(jié)水位需繞底軸轉(zhuǎn)動(dòng)，液壓桿易折彎移位卡阻，同步升降控制難度大，運(yùn)行年限增加后底部漏水比較嚴(yán)重。動(dòng)力源為液壓油，液壓油需要定期檢查更換，液壓系統(tǒng)運(yùn)行受溫度影響，需定期檢查液位、液壓脂、密封性等，長(zhǎng)期浸泡或外力撞擊等因素會(huì)導(dǎo)致液壓油滲漏，污染河水；檢修管理較為不便，維修養(yǎng)護(hù)成本較高。橡膠壩在運(yùn)行管理方面也較為簡(jiǎn)單，但坍壩時(shí)間一般在1 h以上，充壩時(shí)間則為2～3 h；在維修養(yǎng)護(hù)方面，如頻繁充坍壩或受外力破壞易造成橡膠老化，檢修管理較為不便。氣盾壩在運(yùn)行方面也較為簡(jiǎn)單，也可一定程度上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，充坍壩較橡膠壩更為迅速，一般坍壩時(shí)間可控制在30 min 以內(nèi)，充壩時(shí)間40 min 以內(nèi)。在維修養(yǎng)護(hù)方面，氣囊受鋼板保護(hù)，壽命較長(zhǎng)，維護(hù)頻次較橡膠壩低；但維護(hù)大修時(shí)也需要填筑臨時(shí)圍堰，檢修管理也存在較為不便的問題，但維修成本較鋼板壩低。綜合來看，運(yùn)行便捷性及維修養(yǎng)護(hù)方面氣盾壩較優(yōu)，鋼板壩其次，橡膠壩較差。

4.5 施工條件比較

施工布置方面無太大差異，導(dǎo)流方面各壩型均可采用分期導(dǎo)流，施工條件總體相近。由于布置上橡膠壩及氣盾壩結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，設(shè)備安裝也相對(duì)容易，在枯水期施工工期緊張的條件下更具優(yōu)勢(shì)。鋼板壩液壓桿及啟閉系統(tǒng)的安裝工作量較大，施工安裝較為復(fù)雜，工期相對(duì)較長(zhǎng)。因此施工條件及施工工期方面橡膠壩及氣盾壩較優(yōu)。

4.6 景觀協(xié)調(diào)性比較

液壓鋼板壩設(shè)有數(shù)個(gè)閘墩，不太美觀；橡膠壩水少時(shí)，下游有壩袋裸露的問題；氣盾壩由于泄水時(shí)下游形成瀑布狀水流，氣盾壩景觀效果較優(yōu)。

4.7 工程投資比較

各壩型的主要工程量及投資見表1，由表1 可知，橡膠壩的工程投資最省，其次為氣盾壩，鋼板壩工程投資最高。

表1 各壩型主要工程量及投資比較表

綜合各因素分析成果，本工程推薦采用氣盾壩方案。

5 結(jié)語

城市河道一般有打造沿河景觀帶的需求，同時(shí)也必須以滿足城市防洪要求為前提。本文以欽江靈山縣壅水景觀壩為例，從地形地質(zhì)條件、壩型適應(yīng)性、建筑物布置、耐久性及運(yùn)行維護(hù)、水景觀、施工、投資等方面進(jìn)行壩型比選，推薦采用氣盾壩方案，滿足靈山縣城區(qū)打造“一江兩岸”綠化帶的城市規(guī)劃要求，充分發(fā)揮了工程的防洪效益、生態(tài)效益、社會(huì)效益。