新型蓄水建筑物在城市生態(tài)河道治理工程中的應用

李 鐵，王福生，翁明皓，童琦媛

(淮安市水利勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 淮安 223001)

1 概述

隨著人民生活水平不斷提高，對人居環(huán)境要求也越來越高，河道作為自然界中不可缺少的一部分，生態(tài)河道的概念早已深入人心，全國各地的河道生態(tài)護岸建設(shè)也已屢見不鮮[1]。除生態(tài)護岸建設(shè)外，城市河道保持常年一定的生態(tài)水位和水面面積在生態(tài)環(huán)境中的積極作用也逐漸引起人們的重視。河道生態(tài)蓄水可以延遲河水水力停留時間，并為生物生長凈化水質(zhì)提供生態(tài)位空間，同時在改善小氣候方面的作用也是無可替代的。因此越來越多的城市在河道中設(shè)置了一道甚至多道蓄水建筑物[2]，蓄水建筑物的型式也是種類繁多。

近年來，氣盾壩[3]、液壓壩[4]、橡膠壩[5]等新型蓄水建筑物廣泛應用于河道治理工程，越來越多學者對其開展研究。已有的新型蓄水建筑物相關(guān)研究大多圍繞特定蓄水建筑物的設(shè)計、方案比較開展，本文以金湖縣城西河活水工程——城西河節(jié)制閘為例，從行洪與蓄水、泥沙及漂浮物影響、使用壽命、運行維護管理、美觀性、工程投資6個方面進行對比分析氣盾壩、液壓壩、橡膠壩3種新型建筑物的優(yōu)缺點，研究新型蓄水建筑物在城市生態(tài)河道治理的應用，為類似工程的設(shè)計提供一定依據(jù)。

2 工程概況

金湖縣位于淮河下游，江蘇省中部偏西，東與寶應縣、高郵市隔水相望，南與安徽省天長市相鄰，西與盱眙縣、洪澤縣交界，北與洪澤縣毗鄰?？h域以西緊鄰我國五大淡水湖之一的洪澤湖，境內(nèi)東部有白馬湖、寶應湖、高郵湖，淮河入江水道自西向東橫穿腹地?？h域總面積1394km2，其中，陸地面積930km2，水域面積420km2，灘地面積44km2。金湖縣城西河活水工程旨在通過對金湖縣城水系進行系統(tǒng)治理，使縣城境內(nèi)水安全、水文化、水景觀、水旅游等將得到了極大提高，并可充分發(fā)揮水利工程服務(wù)生產(chǎn)的作用，從而創(chuàng)建人水和諧的人居環(huán)境，促進地區(qū)的安定團結(jié)，促進經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。

金湖縣城西河活水工程主要建設(shè)內(nèi)容包括生態(tài)河道工程、節(jié)制閘工程、生態(tài)修復及景觀綠化工程以及道路橋梁工程等。其中，位于健康西路北側(cè)的城西河節(jié)制閘(新建)承擔著調(diào)蓄河道水位、增加河道景觀效果的重要任務(wù)，著力打造金湖“水清、水潔、水暢、水秀”的自然生態(tài)城市風貌，實現(xiàn)水系暢通、景觀優(yōu)美、生態(tài)優(yōu)良的現(xiàn)代美麗城市發(fā)展目標。因此在節(jié)制閘設(shè)計時應充分考慮建筑物的生態(tài)景觀效果，選取適合的建筑物型式。

3 壩型方案比選

傳統(tǒng)的水閘在河道治理工程中已有較多成功應用的案例，現(xiàn)階段水閘的設(shè)計、施工、管理技術(shù)也日益成熟，但由于其閘室構(gòu)件多為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，經(jīng)常需配合啟閉機、排架、工作橋等同時使用，在景觀效果方面表現(xiàn)較差，因此對于景觀效果有一定要求的河段，其蓄水建筑物型式一般不考慮此類傳統(tǒng)水閘。

考慮到本工程中城西河節(jié)制閘的一個主要任務(wù)為增強河道景觀效果，提高城市自然生態(tài)風貌，因此節(jié)制閘擬采用具有較高景觀效果的新型蓄水建筑物型式。目前，此類景觀性強的新型蓄水建筑物主要有氣盾壩、液壓壩、橡膠壩等，本次對這3種蓄水建筑物方案進行比選，最終確定城西河節(jié)制閘的結(jié)構(gòu)布置型式。

3.1 氣盾壩

氣盾壩，也被稱作氣動盾形閘壩，是一種新型的擋水結(jié)構(gòu)，其兼具橡膠壩和鋼板壩的優(yōu)點，剛?cè)岵?，其結(jié)構(gòu)主要由盾板、充氣氣囊及控制系統(tǒng)等組成。

氣盾壩吸收了傳統(tǒng)活動壩型之精華，摒棄了傳統(tǒng)活動壩型之不足，具有結(jié)構(gòu)簡單，可連續(xù)延伸鋼壩橫跨水域，單跨度可以達200m以上，建設(shè)、安裝周期短；防洪渡汛能力突出，運行安全可靠；過水高度和運行狀態(tài)持續(xù)可控；具有更強的清污、排淤能力；擋水和過水能力更高；充排時間短，運行管理簡單；使用壽命超長，綜合效益高；抗震能力強，對基礎(chǔ)的適應性高；景觀效果佳等特點。

3.2 液壓壩

液壓壩是一種兼顧擋水和泄水雙重功能的新型活動壩，其力學原理與自卸汽車類似，在結(jié)合了傳統(tǒng)支墩壩的基礎(chǔ)上，采用液壓系統(tǒng)控制壩體升降。

液壓控制系統(tǒng)通常由4部分組成，分別為動力設(shè)備、控制調(diào)節(jié)設(shè)備、執(zhí)行元件和輔助設(shè)備。動力設(shè)備一般為液壓泵，主要作用為將機械能轉(zhuǎn)化為液壓能提供動力；控制調(diào)節(jié)設(shè)備主要由一系列控制閥組成，起到調(diào)節(jié)控制液壓油的壓力、方向、流量等，一般包含節(jié)流閥、換向閥、溢流閥等；執(zhí)行元件主要為液壓缸，達到利用液壓系統(tǒng)控制壩體升降的目的；輔助設(shè)備的主要作用為將動力設(shè)備、控制調(diào)節(jié)設(shè)備、執(zhí)行元件有機串聯(lián)成一個完成的液壓回路。

3.3 橡膠壩

橡膠壩是一種新型袋式擋水壩，能夠根據(jù)工程的實際需求調(diào)整壩高，達到維持上游水位的目的。當上游來水較多時，壩頂也能夠溢流，具有防洪、供水、發(fā)電、通航等綜合效益。橡膠壩的主體受力結(jié)構(gòu)為高強度合成纖維織物，內(nèi)外均涂敷橡膠作為保護層，加工形成膠布，并將其固定在建筑物底板上，形成封閉的擋水壩袋，使用時只需通過預先留設(shè)的管路向壩袋中充氣(水)，使其膨脹從而形成袋式擋水壩。

橡膠壩結(jié)構(gòu)簡單，具有節(jié)省三材、造價低、施工工期短、自重輕、抗震性能好、跨度大、止水效果好、新穎美觀等優(yōu)點，在實際工程中被大量應用。但在工程運行過程中，橡膠壩也表現(xiàn)出了缺點和不足，例如壩袋堅固性差、壩袋易老化，使用壽命較短，壩高受限等缺點，而且橡膠氣袋等主要設(shè)備需要進口，目前國內(nèi)無替代產(chǎn)品，一旦損壞，更換費用及訂貨周期均受代理商限制。

3.4 方案比選分析

從行洪與蓄水、泥沙及漂浮物影響、使用壽命、運行維護管理、美觀性、工程投資等方面對氣盾壩、液壓壩、橡膠壩3種建筑物型式進行比較分析，見表1。

(1)行洪和蓄水方面：3種壩型除橡膠壩外都能夠快速塌壩或升壩，快速泄水而不影響河道行洪或快速蓄水，并且可以任意調(diào)節(jié)壩高。

(2)泥沙及漂浮物影響方面：氣盾壩和液壓壩可通過液壓或氣囊裝置強行頂開壩面從而達到塌壩或升壩，不受泥沙及漂浮物影響，而橡膠壩的壩袋容易被水中的尖銳物體破壞。

(3)使用壽命方面：氣盾壩使用年限最長，一般在40年左右；液壓壩使用年限在30年左右；橡膠壩因壩袋易老化等原因，使用壽命最短，一般最多15年。

(4)運行維護管理方面：氣盾壩與液壓壩因結(jié)構(gòu)復雜，故管理要求較高，但氣盾壩的維護成本比液壓壩要低；橡膠壩因結(jié)構(gòu)簡單，故而維護比較方便，但需要經(jīng)常清理雜物，防止破壞。

(5)美觀性方面：3種壩型的壩面或壩袋都可以做成彩色，氣盾壩瀑布景觀效果最好，液壓壩瀑布景觀效果次之，橡膠壩因壩體為圓形，瀑布景觀效果最差。

(6)投資方面，根據(jù)所實施的項目并參考市場價，幾種壩型在相同地質(zhì)情況下土建方面投資相差不大。如果僅考慮設(shè)備方面(含閘壩、啟閉設(shè)備、埋件等附屬)，氣盾壩綜合單價比另外兩種略高，橡膠壩最低，一般不高于1萬元/m。

重點考慮城西河生態(tài)蓄水建筑物的整體景觀和瀑布效果，結(jié)合后期運維成本以及使用壽命等方面內(nèi)容，同時參考城西河現(xiàn)狀以及周邊區(qū)域其它類似工程的實施情況(周邊區(qū)域部分河道已建有氣盾壩，運行效果較好)，最終確定本次城西河節(jié)制閘蓄水建筑物的型式采用氣盾壩。

4 氣盾壩結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 工程布置

城西河節(jié)制閘設(shè)計流量為16.0m3/s，工程等別為Ⅴ等，主要建筑物級別為5級，次要建筑物級別為5級。采用1孔15m氣袋升降式翻板閘，上游連接段采用直立式鋼筋混凝土翼墻與河道銜接，下游連接段采用直立式鋼筋砼翼墻出水。閘身順水流向長10.00m，垂直水流向?qū)?6.60m；閘室底板頂高程11.00m，閘墩頂高程14.50m，消力池頂高程10.66m，消力池底高程10.16m，河道底高程11.00m；上游護坦長8.00m，下游消力池長8.00m，水閘縱剖面布置如圖1所示。

本工程氣盾壩閘采用氣囊充氣驅(qū)動形式，閘門采用鋼閘門，閘門擋水高度3.0m，設(shè)計水頭差按2.0m考慮，閘下有水，金屬結(jié)構(gòu)主要包括閘門門體、氣囊、配套設(shè)備、管路等部分組成。氣盾壩壩高3m，壩長15m，每組盾板長4.96m，共3塊盾板，氣盾壩技術(shù)特性見表2。

表2 技術(shù)特性表

4.2 水力計算分析

4.2.1過流計算

本工程為景觀蓄水壩，不同于一般防洪排澇閘，平時無泄流，行洪時塌壩，不影響河道正常排澇。

4.2.2消能計算

消能設(shè)計主要考慮塌壩泄水水流對下游的影響，消能工按照構(gòu)造設(shè)置即可，消力池長8.0m，深0.5m，消力池后設(shè)30cm厚格賓籠海漫，長度10m，下設(shè)15cm碎石墊層及土工布一層，海漫后接下游河道。

4.2.3防滲計算

根據(jù)SL 265—2016《水閘設(shè)計規(guī)范》，壩基防滲長度可按下式計算[6]：

L=C·ΔH

(1)

式中，L—為允許防滲長度；ΔH—上、下游水位差，H上=14.0m，H下=11.5m；C—滲徑系數(shù)，C取5；

根據(jù)計算結(jié)果，允許防滲長度為12.5m，設(shè)計防滲長度為31.1m，滿足規(guī)范要求。計算結(jié)果見表3。

表3 閘基防滲長度計算成果表

4.3 閘室穩(wěn)定計算分析

4.3.1閘室穩(wěn)定計算

閘底板順水流向總長為10.0m，垂直水流向總長16.6m。為了減小底板由于孔徑過大而產(chǎn)生的應力，底板分為3塊，寬度分別為6.2m(邊孔)和4.2m(中孔)，設(shè)2cm寬沉降縫?？紤]結(jié)構(gòu)布置的對稱性，計算時選取邊塊及中塊進行穩(wěn)定計算分析，閘室具體布置如圖2所示。

圖2 閘室結(jié)構(gòu)示意圖

閘室抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)按SL 265—2016中公式7.3.6-1計算，即：

(2)

式中，∑G—作用于閘底面以上的全部豎向荷載；∑H—作用于閘身上的全部水平向荷載；f—閘室底板底面與地基之間的摩擦系數(shù)。

根據(jù)SL 265—2016，在沒有試驗資料的情況下，閘室底板底面與地基之間的摩擦系數(shù)f按規(guī)范表7.3.10所列數(shù)值選用。本次復核計算取綜合摩擦系數(shù)f=0.35。

4.3.2地基應力計算

地基應力計算按SL 265—2016中公式7.3.4-1計算，即：

(3)

計算結(jié)果表明，水閘閘身段在各種計算工況下的整體穩(wěn)定均能滿足規(guī)范要求，地基反力也小于允許的地基承載力。閘室穩(wěn)定計算成果見表4。

表4 閘室穩(wěn)定計算成果表

5 結(jié)語

新時代下的生態(tài)河道蓄水建筑物應與自然人文、景觀規(guī)劃等相協(xié)調(diào)，尤其是城區(qū)河道蓄水建筑物設(shè)計過程中，除了需要滿足基本功能要求外，更應重點關(guān)注生態(tài)景觀效果，新型蓄水建筑物的應用研究是今后生態(tài)河道治理工作的重中之重。本文研究了氣盾壩、液壓壩、橡膠壩這3種常見新型蓄水建筑物的結(jié)構(gòu)型式和特點，結(jié)合城西河現(xiàn)狀與當?shù)毓こ虒嵺`情況，以整體景觀效果為主要指標，同時兼顧后期運維成本及使用壽命等因素，經(jīng)過方案比選最終確定城西河節(jié)制閘采用新型蓄水建筑物結(jié)構(gòu)型式——氣盾壩。在滿足基本蓄水需求后，氣盾壩能夠結(jié)合城市景觀要求，將攔河壩、噴泉集中在一起，營造優(yōu)美的噴泉、瀑布景觀效果，實現(xiàn)一體多能、一點多景綜合效益。

結(jié)合河道現(xiàn)狀，對城西河節(jié)制閘工程進行合理化布置，研究了氣盾壩的水力計算、穩(wěn)定計算方法，計算結(jié)果表明本工程采用氣盾壩是合理可行，且行之有效的。本文所采用的新型蓄水建筑物結(jié)構(gòu)型式比選過程及氣盾壩結(jié)構(gòu)設(shè)計方法對類似城市生態(tài)河道治理工程具有一定的參考意義，有利于推動后續(xù)新型蓄水建筑物應用研究工作的順利開展。