辽河干流大张生态抗旱临时蓄水工程改造

2017-03-27陈海山

东北水利水电 2017年3期

关键词：坝袋石笼橡胶坝

陈海山

（辽宁省防汛抗旱指挥部办公室，辽宁沈阳110003）

辽河干流大张生态抗旱临时蓄水工程改造

陈海山

（辽宁省防汛抗旱指挥部办公室，辽宁沈阳110003）

近几年来，辽河流域持续性干旱，加上辽河上游水质污染严重，危害到流域十分脆弱的生态环境。大张生态抗旱临时蓄水改造工程是在辽河干流河道干旱缺水条件下进行生态建设的一种探索和尝试。文章介绍辽河干流大张生态抗旱临时蓄水工程概况和橡胶坝、钢坝闸、生态护坡及湿地的设计，以期为今后河道生态建设进一步完善提供参考。

辽河干流；橡胶坝；生态蓄水；改造

1 工程概况

辽河大张橡胶坝位于辽宁省台安县近郊，辽河干流中下部，北临辽河大张大桥。近年来，伴随着对辽河沿线综合生态治理的逐步深入，作为辽宁省打造三带（生态带、旅游带、城镇带）的重要试点，对大张大桥桥区上下游范围内大堤间的土地进行全面封育。2011年，辽河大张橡胶坝即大张生态抗旱临时蓄水工程建成后，在其上下游沿线相继实施了多项生态湿地治理工程。大张橡胶坝地区作为整个景观生态湿地的核心节点，其湿地规模也应相应增大，以更加充分地发挥生态湿地改变水环境的作用，进而实现对水质改善的持久性。

辽河干流河道生态抗旱工程以水土保持、水资源及河道水生态环境保护为主，同时形成人工水面，兼有美化环境、改善自然景观等功能。台安大张橡胶坝是辽河干流河道生态工程的一部分，是一座生态抗旱临时蓄水工程。橡胶坝总长91.00 m，设计挡水位6.85 m，橡胶坝坝高2.50 m，坝底板顶高程4.35 m。橡胶坝由两跨橡胶坝组成，单跨坝长均为45.00 m，中墩厚1.00 m。橡胶坝管理控制房位于坝址左岸，建筑面积250 m2，交通通过左岸堤防与外界联系。

2 工程建设的必要性

在近几年辽河大规模建设中，2011年修建了12座生态抗旱临时蓄水工程，2012年修建了4座生态蓄水工程，这对解决辽河水污染问题都起到了至关重要的作用。但是，由于工程建设期间受到了工程占地的影响，因此建设规模受限，只能在河道主槽内建设。

由于2012年辽河保护区管理局已经将1050线以内的土地全部收回，生态蓄水工程不再受占地影响。生态蓄水工程通过对主槽两侧滩地进行降滩，将河道内的水引到滩地上来，形成的人工湿地建设规模更大，蓄水量更大，对生态水环境的改善更为明显。为更好地发挥大张生态抗旱临时蓄水工程生态蓄水、护岸减淤、防风固沙、净化水体的作用，急需将辽河干流里的水引到滩地上来，扩大现有湿地面积，增加湿地的蓄水量，实现水质改善的持久性。因此，对大张生态抗旱临时蓄水工程改造是十分必要的。

3 主要建设任务

改造工程最终目的是扩大湿地面积，发挥湿地净化水质的作用，改善生态环境。大张橡胶坝地区主河槽左岸现状滩地地势较高，不适合建设人工湿地。右岸地势相对较低，可以通过对现状右岸套堤与管理路之间的滩地降滩的方式，在右岸滩地上开挖适量的坑塘和沟渠，将辽河水引入坑塘形成陆上湿地，坑塘内种植香蒲、千屈菜等水生植物，形成坑塘湿地链，坑塘底高程控制在橡胶坝正常蓄水位以下，在橡胶坝正常蓄水的情况下，辽河干流的水自然流入湿地，通过湿地减缓了水的流速，有利于水中污染物的沉淀；另外在湿地内种植水生植物，水生植物将充分起到吸附作用，在很大程度上起到改善水质的作用。

大张地区湿地面积的扩建，首先需要现状橡胶坝在非汛期长时间处在挡水状态，提供稳定的蓄水位，进而为湿地提供充足的水源。目前大张橡胶坝下游为河道的弯道，坝址处橡胶坝的宽度小于河道的平均主槽的宽度；通过橡胶坝近2年的实际运行情况来看，在非汛期橡胶坝塌坝的次数过于频繁，不能一直提供稳定的水位，不能满足对湿地的长时间供水，又缩短了橡胶坝坝袋使用年限，主要原因是橡胶坝自身调节能力有限。因此需要解决现状橡胶坝的两点问题：一是增加橡胶坝的调节能力；二是增加橡胶坝的宽度。

橡胶坝调节问题，可以通过调节闸来解决，调节闸的形式通过方案比较，结合辽河已建工程的经验和大张地区今后发展方向，确定调节闸采用钢坝闸形式。增加15 m钢坝闸后调节能力提高为195.2 m3/s，为引水上滩提供了必要条件。橡胶坝的宽度考虑对称原则，确定增加一孔45 m的橡胶坝，扩建后建筑物总宽度为173.6 m。

4 临时蓄水工程改造

4.1 橡胶坝设计

4.1.1 坝袋充胀介质选择

橡胶坝坝袋充胀介质的选择应综合考虑坝区自然条件，遵循管理运用方便、经济实用的原则。根据辽宁省内橡胶坝设计和运行调查，充水橡胶坝明显多于充气橡胶坝，多数设计考虑坝袋气密性及坝袋过水稳定性而选用充水坝，少数考虑冬季蓄水需求选用充气坝，但通过充水坝冬季运行情况来看，冬季适当降低内压完全可以挡水运行。因此，工程初拟橡胶坝坝型为充水式，其优点：

1）充水式橡胶坝最显著的特点是适用于低水头大跨度的拦河工程；操作灵活，有效坝高易于控制；汛期可快速放空坝袋，不影响河道行洪；

2）充水式橡胶坝在坝顶溢流时性能比较稳定，过水均匀，对下游冲刷小；

3）充水式橡胶气密性要求较低，可以降低施工难度，提高运行的可靠性；

4）充水式橡胶坝具有结构简单、施工方便、造价低、节省三材和抗震性能好的特点。

4.1.2 底板高程、坝高及坝袋长度

1）底板高程。考虑辽河多泥沙的河流特性，为最大限度地满足泄洪要求，减少建坝后对河道的淤积影响，保证洪水安全下泄，坝底板顶高程采用现状河道平均高程，并维持河道自然比降不变，利于行洪和排沙。另外考虑到与原有橡胶坝的结合，确定橡胶坝底板顶高程和原有橡胶坝底板高度一致为4.35 m。

2）坝高。为确保桥梁上下游形成人工水面，且保证蓄水位不高于现状两侧滩面，坝高与原有橡胶坝工程一致为2.5 m。

3）坝袋长度。根据主槽地形，为满足坍坝时河道设计行洪要求，并且避免加大开挖或回填，考虑到与原有橡胶坝更好地结合，景观效果等方面，坝长度确定为45 m。

4.1.3 坝袋设计

橡胶坝1跨：坝高2.50 m，跨长45.00 m，端部为堵头式。坝袋计算应考虑两种运行情况：

1）竣工期充水试验：坝袋安装后，上下游无水，坝袋逐渐充胀至设计高度，以检查锚固及坝体的密封性。

2）正常运用：坝前挡水达到设计高度，坝后无水或部分有水。

上述两种情况中，以第二种情况为坝袋计算的控制条件。坝袋计算关键在于选择合适的内压比，以充分利用坝袋胶布的强度，并尽可能使坝袋面积减少，降低工程造价，计算坝袋的特征数值如表1所示。

表1 坝袋计算表

坝袋径向强度按下式计算：

式中：T为坝袋径向计算强度，kN/m；γ为水的容重，kN/m3；为内压比；为设计坝高，2.5 m。

根据SL227-98《橡胶坝技术规范》，坝袋胶布技术规格选用JBD2.5-140-2，其经/纬强度为280/140 kN/m。考虑辽河多泥沙特性，坝袋采用两布三胶，厚度为8 mm。经技术经济比较并结合辽宁省内已建相同高度橡胶坝内压比选择，且为便于管理控制，选定橡胶坝内外压比a=1.40，安全系数为9.95，大于规范要求的6.00，结构安全可靠。

4.2 钢坝闸设计

改造工程修建1孔15 m宽的钢坝闸，其主要作用一是用钢坝闸对橡胶坝过流量进行调节，二是起到冲砂闸的作用。通过钢坝闸的调节可以保证橡胶坝顶溢流水深不超过0.3 m，既减少了橡胶坝塌坝的次数，延长了橡胶坝使用年限，还保证了上游库区生态蓄水量。

钢坝闸结构主要由上游护底、防渗铺盖、橡胶坝底板、消力池、海漫、下游防冲槽及两岸翼墙、控制泵房及水源井等组成。上游护底由4 m水平双绞格网石笼及10 m斜坡埋入式双绞格网石笼组成，上游护底顶高程4.35 m，埋入式石笼潜入深度2 m，石笼均厚0.4 m；防渗铺盖为钢筋混凝土结构，厚0.4 m，底板顶高程为4.35 m，顺水流方向长6 m；橡胶坝底板为钢筋混凝土结构，厚0.8 m，底板顶高程为4.35 m，中墩顶高程8.35 m，底板顺水流方向长9 m；下接钢筋混凝土消力池顺水流方向长12.5 m，消力池底板顶高程3.65 m，厚0.6 m，与底板采用1∶4斜坡衔接；海漫采用双绞格网石笼结构，顺水流方向长30 m，石笼厚0.5 m；下游防冲槽为抛石结构，总长16.5 m，深3 m，底宽1.5 m，上下游边坡坡比均为1.0∶2.5。

4.3 生态护坡工程

4.3.1 岸坡设计

工程护岸长度为上下游各200 m。岸坡护面的主要作用：一是防止冲刷；二是防止淘刷；三是防止光照老化。设计边坡1∶2，滤层为400 g/m2无纺布，无纺布上压0.3 m厚双绞格网石笼生态护坡。生态护岸尺寸为5 m×2 m，内装块石直径25～30 cm。橡胶坝上、下游做岸坡,防护长度均为200 m，采用0.3 m厚双绞格网石笼护坡，格宾网箱护脚，护脚断面尺寸为1 m×1 m。

为使护岸与滩面衔接良好，并阻止滩面雨水或河水入侵，防止坡面遭到破坏，护岸石笼在护顶高程处向外延长，延长的米数按尽量稳定边坡，减少挖方与工程量的原则，结合确定的治导线与实际地形决定，岸上水平段长为2 m。岸坡防护顶端与现状地面高程自然连接。护脚采用1 m×1 m格宾石笼和10 m长的双绞格网石笼进行锚固。

4.3.2 护面厚度设计

根据GB50286-98《堤防工程设计规范》规定，在波浪作用下，斜坡堤干砌石护坡的护面厚度t（m）可按下式计算：

式中：K1为系数，干砌石取0.266；rb为块石的重度，kN/m3；取27 kN/m3；r为水的重度，kN/m3，取10 kN/m3；H为计算波高，当d/L大于等于0.125时，取H4%；当d/L小于0.125时，取H13%；d为堤前水深，m。L

风浪计算采用GB50286-98附录C中C.1.2-1及C.1.2-2：

4.3.3 护岸顶部处理

护岸顶部处理主要有布排锚固、岸顶处理、岸顶防冲。根据近几年辽宁地区险工护岸的经验，在水上部分生态护岸的顶端，为使护岸与滩面衔接良好，以防止在洪水期（超过造床流量）形成后部淘刷，并阻止滩面雨水或河水入侵，防止坡面遭到破坏，将石笼向外延长2.0 m。

4.3.4 护岸上下游石笼锚固

在石笼护岸的最上游和最下游，也就是护岸的起始点位置，为防止上游水流顶冲淘刷和下游水流回流影响，垂直于水流方向，沿生态护岸边缘开挖一个0.5 m×0.8 m的沟槽，把无纺布压入槽内，然后双绞格网砌筑。

4.4 湿地设计

大张橡胶坝改造以后，在右岸管理路与套堤间滩地上开挖适量的沟渠和坑塘，通过已建明渠将辽河水引入坑塘形成陆上湿地，种植以香蒲、千屈菜水生植物，形成坑塘湿地，新建湿地设计坑塘底高程为6.35 m，水深为0.3～0.5 m。另外在水生湿地中修建550 m木栈道。工程改造后将在大张橡胶坝右岸形成200 hm2景观生态湿地，结合已建66.67 hm2湿地，湿地总面积为266.67 hm2。