天水市耤河生态综合治理一期续建工程挡水建筑物比选

2015-07-25付曼蓉尚小军

陕西水利 2015年3期

付曼蓉尚小军

（陕西省水利电力勘测设计研究院陕西西安 710001）

1 工程概况

甘肃省天水市耤河生态综合治理一期续建工程位于天水市秦州区，工程设计范围为已建成的耤河城区段治理工程末端6#橡胶坝至天巉公路桥下游耤河支流水家沟入汇口，治理河段长度4.0km。本工程集防洪、蓄水及景观美化于一体，规划对左右岸堤防进行达标治理，并在此基础上，对治理河段进行蓄水景观建设，形成优美的城市生态水景观，改善两岸城区生态环境。本次设计在4.0km的治理河段共布设4座挡水建筑物，高3.8m～4.5m，共形成4级基本连续的蓄水景观区，蓄水区总长2.57km，蓄水区面积为27.81万m2（417亩）。

2 河流特性

本次耤河生态治理工程一期续建工程上段工程位于天水市秦州区城区段，河道平面走向总体上呈“S”型，为微弯河段，只在五里铺大桥附近河道相对较顺直，现状河宽155m～210m，河道平均比降6.0‰，河道最窄处位于水家沟附近，受到左岸山体及右岸天北高速公路的影响，河道宽度仅155m左右，其他河段受堤防工程及城市建设的控制，河段较规整，河道宽窄均匀。

耤河属降雨补给型河流，洪枯流量悬殊较大，具有陡涨陡落的特点，天水水文站断面多年平均年径流量为0.7亿m3，最大年径流为22528万m3，最小年径流 170万m3，最大为最小的132倍。流域径流年内分配不均匀，断面多年平均悬移质输沙量321.8万t，多年平均悬移质含沙量为40.5kg/m3，最大含沙量为1050kg/m3，流域多年平均侵蚀模数为3814t/km2。耤河输沙基本全部集中在5月～10月，占全年总输沙量的99%以上，其中汛期6月～9月输沙量267.5万t，占年输沙量的83.1%。

工程河段内共有3条支沟汇入，其中北岸支沟为罗峪河，南岸支沟有龙王沟、水家沟。其中，罗峪河为耤河北岸沟道，流域为黄土覆盖，沟壑发育，植被较差，水土流失严重，为季节性雨洪稀性泥石流沟道。龙王沟在沟上游有滑坡发育，可见小规模泥石流推移涌堵的痕迹，具备形成泥石流的地形地貌，也有物质来源；水家沟没有发生过较大的泥石流灾害，但山洪暴发时水流携带泥砂、碎石较多，沿流至耤河入汇口皆有堆积。

3 坝型初选

常见的河道挡水建筑物主要型式有水闸、砌石或砼低坝、翻板闸、橡胶坝、钢坝闸等。本文对以上挡水建筑物形式进行分别比较。

3.1 翻板闸

翻板闸主要特点是能借助水力作用自动打开和关闭闸门，运行简单，坚固性好、投资相对较小。由于翻板闸靠水力自动运行的特点，少有在多泥沙河流上应用，容易被门前淤积的泥沙封堵无法翻板，造成泄洪安全隐患；而且由于翻板闸单跨跨度小，河道内闸墩、支墩数量多，且闸板不能翻至水平状，存在阻水问题，此外，翻板闸对地基及两岸连接工程要求相对较高，施工难度较大，上部结构笨拙有碍景观。

3.2 砼（砌石）坝

砼或砌石坝坝型具有施工技术简单，坝身溢流条件好，可形成跌水或瀑布景观，且管理维护费用低。但砼或砌石坝连续布置于城市河道内，不仅阻水碍洪，城市防洪安全得不到保障，而且外形笨拙不美观，与城市风貌不协调；此外，砼或砌石坝将造成蓄水区大量淤积，不仅加大了管理成本，而且景观效果不佳。

3.3 水闸

水闸的坚固性和耐久性较好，启闭快速，运行安全可靠，但水闸跨度较小，需要较多中墩，存在一定的阻水问题，对河道行洪有一定的影响，且漏水问题较为严重，水闸的施工工艺相对较复杂，工期较长，后期运行管理复杂，后期维护费用较高，此外水闸为钢筋混凝土及金属结构，特别是水闸需启闭机架、工作桥等，景观效果较差。

3.4 橡胶坝

橡胶坝具有塌坝后坝袋紧贴河床底板、不碍洪、外形轻巧美观、投资适中，坝袋色彩鲜艳，与城市风貌相协调的特点，而被广泛应用于城市水利、灌溉、枢纽等水利工程中。但坝袋易被尖锐器物刺伤，且存在橡胶坝坝袋老化问题，因此，需要加强管理。

3.5 钢坝闸

钢坝闸是近年来推广使用的一种新型的闸坝挡水型式，是近年在翻板闸和常规水闸基础上改良发展起来的新型挡水建筑物，闸门门体为梁肋式平面钢闸门，闸门门体与固定于闸室底板上的一根钢轴联接，闸门启闭通过门体围绕通轴旋转完成，设置于闸室两岸的液压启闭机与通轴联为一体，控制闸门门体转动，以实现闸门启闭。它既克服了常规水闸上下启闭需要的高耸闸房传统布置上的缺点，又弥补了翻板闸遇泥沙淤堵不能自动翻转的缺陷，目前应用较为广泛。钢坝闸采用液压启闭，运行速度可达到1m/min～2m/min，一般两分钟即可完成升坝或塌坝，可有效的保证突发洪水及时泄洪和泄洪后及时蓄水。

3.6 初选结果

水闸及翻板闸启闭快速，运行管理方便；砼或砌石坝施工技术简单，管理维护费用低，但建筑物均为河道永久性建筑物，连续布置于城市河道内，不仅阻水碍洪，城市防洪安全得不到保障，而且外形笨拙不美观，与城市风貌不协调，景观效果不佳。根据耤河洪水、泥沙和泥石流特性、运行方式，以及上游一期橡胶坝工程运行情况，综合分析，适合本工程的坝型主要为橡胶坝、钢坝闸。

表1 钢坝闸与橡胶坝优缺点对比表

4 橡胶坝与钢坝闸对比

对钢坝闸和橡胶坝两种型式从工程布置、功能、防洪要求及景观效果等方面进行对比。

4.1 工程布置

橡胶坝属于柔性结构，坝址需选择在顺直河段，水流平顺，可避免坝袋振动，因此，橡胶坝不宜布置在弯道河段，弯道横向水流会使橡胶坝坝袋产生强烈振动，严重时可撕裂坝袋；而钢坝闸可不受此限制。

橡胶坝单跨跨度大，目前单跨最大跨度可达150m，所需中墩数量少、且中墩宽度小，整体布置上更有利于城市景观，但橡胶坝需在岸边布置泵站及充排控制设备，管路较多，根据工程区现状，受滨河公路及两岸规划道路的限制，两岸布置泵站的条件有限。钢坝闸单跨跨度相对较小，目前单跨最大跨度可达50m左右，所需中墩数量较橡胶坝多，中墩内布置液压启闭机，因此中墩宽度较大，但钢坝闸的启闭机布置在闸墩内，结构相对简单，且不占地，门顶过水形成挂水瀑布，景观亦较佳。

4.2 坚固性与耐久性

橡胶坝，坚固性较差，容易被刺伤和磨损，一般坝袋使用寿命为20年左右，需更换坝袋。钢坝的坚固性和耐久性较好，设计使用寿命可长达50年～60年。

工程区位于甘肃省天水市，冬季会产生冰冻问题，橡胶坝在冬季运行时，一旦结冰，需进行坝前刨冰工作，否则将对橡胶坝坝袋造成损坏；钢坝闸由于其本身特性，冰凌可直接从坝顶溢流。

4.3 运行及维护管理

城市河道景观蓄水工程必须确保城区防洪安全，因此，挡水建筑物必须具备快速塌坝的功能。橡胶坝塌坝时间一般1h～1.5h，钢坝闸一般为直立或平卧方式，采用启闭机启闭，运行速度可达到1m/min～2m/min，一般两分钟即可完成升坝或塌坝，可有效的保证突发洪水及时泄洪和泄洪后及时蓄水。从耤河洪水特性和上游一期蓄水工程建成的水情预报系统可提前预报的洪水时间来分析，橡胶坝和钢坝闸的塌坝运行情况都可以满足城区防洪安全的要求。

钢坝闸的运转件采用特殊复合材料,需要定期防腐防锈蚀等维护管理；橡胶坝的维护管理主要为坝袋日常巡视、泵站的日常维护。从坝的维护方面管理方面，差别不大。

4.4 水位调节能力

橡胶坝和钢坝闸均可实现坝顶水深调节，橡胶坝坝顶最大溢流水深不超过0.5m；钢坝闸可以根据不同流量在0～90°之间任意角度状态来调节水位，溢流0.3m，来实现瀑布效果；从坝顶溢流方面比较，橡胶坝优于钢坝闸。

4.5 河道行洪、排沙能力

橡胶坝塌坝后紧贴坝底板，对河道行洪没有影响；钢坝闸塌坝是向下游倾倒，塌坝后坝体在坝底板高程以下，基本不产生阻水现象，但中墩的设置，局部减小了行洪断面面积。从河道行洪方面比较，橡胶坝优于钢坝闸。

河道蓄水立坝时间长易淤积，但大洪水来临时，坝袋全塌泄洪，钢坝闸围绕底轴向下游倾倒，淤积的泥沙被水流冲向下游，二者排沙防淤效果相当。

4.6 基础要求

橡胶坝因坝袋结构决定了其对地基的适应性较强，一般能满足地质条件稳定和地基应力、抗滑稳定要求即可。通常沿垂直水流向对底板进行分块，即设置若干道垂直水流向的永久缝，钢筋混凝土底板垂直水流方向永久缝缝距不宜大于岩基20m或土基35m。

钢坝底轴一般相隔几米设置支座，从理论上讲，相邻支座间不允许变位，对底板要求比较苛刻，而对于土建工程，相邻支座间不均匀沉降控制在2mm以内是相当困难的，基础处理工程量会有大幅度的增加。另外为了确保受力安全，底轴长度范围内混凝土底板不宜设置永久伸缩缝，工程量相对橡胶坝而言要增加较多。

4.7 投资

该工程单坝比较投资钢坝闸直接投资为3230万元，橡胶坝直接投资为1850万元。钢坝闸与橡胶坝相比，投资较高，工程一次性投入较大。

4.8 坝型选择

本工程挡水建筑物的主要作用是蓄起一片满足观赏要求的景观水面，汛期安全泄洪，同时本身也是一处景观，因此，结合本工程具体情况，经上述分析比较，1#、3#、4#挡水建筑物位置河道较顺直，设计采用彩色橡胶坝，充水枕式，双锚线布置，螺栓锚固；2#挡水建筑物位于河道弯道处，若采用橡胶坝，运行时受水流影响振动较大，故2#挡水建筑物采用钢坝闸。