城市河道治理中景观坝坝型的对比与优选

刘彦琦, 张 梁， 王瑞瑶

(1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072;2.雅砻江流域水电开发有限公司二滩水力发电厂，四川 攀枝花 617000)

城市河道治理中景观坝坝型的对比与优选

刘彦琦1, 张 梁2， 王瑞瑶1

(1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072;2.雅砻江流域水电开发有限公司二滩水力发电厂，四川 攀枝花 617000)

在城市河道治理中，挡水坝不仅要求布置紧凑，安全经济，满足防洪、供水、航运等常规功能，还应与环境相协调，符合生态化、景观化的需求。新型景观坝的开发与应用现已成为一个重要发展方向。本文主要介绍了比较常见的四种景观坝的具体形式和原理，并从泄洪能力、地基要求、施工安装、后期运行管理、投资造价、景观生态效果等多方面对四类景观坝进行综合分析，比较不同类型景观坝的优劣，为水系景观工程的坝型设计提供参考和依据。

橡胶坝； 钢坝； 液压升降坝； 气动盾形坝； 对比； 优选

0 前 言

随着经济社会的不断发展和人民生活水平的提高，河道的整治工程已不仅限于防洪、供水、航运等传统要求，也需考虑到净化环境、涵养水源、服务生产、景观效益、休闲娱乐等多方面的需求。经过精心设计的河流景观，不仅可大大改善河道及两岸沿线面貌，也可带来生态、环境、经济等效益。反之，若河流设计没有达到预期目的，则不仅会改变河流原有的结构和功能，还会带来一些不良的生态环境问题。

1 城市河道挡水坝的特点

在城市河道治理中，挡水坝是必不可少的水工建筑物，是位于人群密集区的重要水利工程措施，工程具备以下特点：

(1)挡水坝工程能形成较好的水面景观，改善水生态环境和人居环境；

(2)工程区河道平缓，河道所需的抬水高度一般为3.0～5.0 m，挡水坝属于低坝，工程等级较低；

(3)河道及其两岸一般已建成了堤防、居民区及交通桥等，挡水坝需保证建成后河道的行洪安全，最大程度地减小对原有建筑物的影响；

(4)挡水坝布置紧凑，满足城市供水、航运、排沙排漂等多方面要求；

(5)景观坝工程位于居民密集区，有着广泛的社会影响，需满足耐久性好、操作方便、维修简单等特点；

(6)工程区对外交通便利，一般能够满足大型机械化设备入场施工，但由于周边居民密集，场区布置会受到一定的限制，工程施工应尽量减少对当地居民生活的干扰和周边环境的污染，这对施工方案也提出了更高的要求；

(7)工程中可能会产生较多的固体拆除废弃料、土石开挖量等，需进行外运处理和弃料场水土保护。若能对废弃料加以利用，如保证挖填平衡等，能明显提高其社会、经济和环境效益。

根据以上特点我们不难看出，重力坝、闸坝等传统坝型由于其体型大，对河道的行洪能力影响较大，排沙效果一般、景观效果较差等特点，已不能满足当前的城市河道治理的需求。而新型的景观坝正是由于其设计新颖、布置紧凑，基本不影响河道行洪、运行方便、景观效果好等特点在城市河道治理中起到越来越重要的作用。

2 景观坝原理与应用现状

目前，新型景观坝的坝型主要有橡胶坝、钢坝(底轴驱动翻板闸门)、液压升降坝、气动盾形坝等。选择合适的坝型是景观水系工程的关键，影响到整个河道治理工程的投资、安全与效益。而坝型的选择主要受泄洪能力、景观效果、工程造价及运行管理等因素的影响，这四类的新型景观坝的简要原理与应用现状如下文所述。

2.1 钢 坝

钢坝由钢板门叶、底横轴、底铰座、水封、液压装置等组成。底横轴的两端穿过闸墙外伸, 其外伸端与电液一体式启闭机连接，启闭机库位于闸墩内，通过控制闸墩两侧的电液一体式启闭机的正反转，就能实现门叶的启闭及开度控制。目前，钢坝多用于河道宽度20～100 m，水位差1～7 m的城市景观工程，或山区河道洪水急涨，要求快速开闸泄洪的工程。目前国内已建工程中，最大跨度为苏州河河口水闸，其单跨为100 m。

2.2 液压升降坝

液压升降坝由(弧线或直线)坝面、液压杆、支撑杆、液压缸和液压泵站组成。液压启闭机直接放在河道内推动闸门起伏，支撑杆支撑坝体背面，构成稳定的支撑墩坝，小液压缸带动限位机构，形成支撑墩坝固定和活动的相互交换，达到固定拦水，活动降坝的目的。目前，液压升降坝多用于宽度20～100 m，水位差1～6 m的河道。

2.3 橡胶坝

橡胶坝是用高强度纤维织物做受力骨架，内外涂敷橡胶作保护层，加工成胶布，再将其锚固于底板上成封闭状的坝袋，通过充排管路用水(气)将其充胀形成的袋式挡水坝。目前，橡胶坝的设计与施工技术已比较成熟，有专门的《橡胶坝工程技术规范》(GB/T 50979-2014)。我国已建成的橡胶坝工程中坝高绝大多数低于5 m，单跨长度一般为50～100 m。国内橡胶坝目前最大坝高为6 m，单跨跨度最长为176 m，多跨最长为1 135 m。

2.4 气动盾形坝

气动盾形坝由门体结构、埋件、气囊和气动系统组成。门体挡水面是一排强化钢板，气囊支撑在钢板下游面，利用气囊的充气或排气控制门体起伏和支撑门体挡水。根据目前气袋制造工艺能力，气盾闸最高挡水高度可达10 m，宽度可达数百米，目前挡水高度最高、跨度最长的气动盾形坝是贵阳南明河的气动坝，挡水高度为8 m，跨度为60 m。

四类景观坝的原理示意见图1～4。

图1 钢坝示意 图2 液压升降坝示意

图3 橡胶坝示意 图4 气动盾形坝示意

3 景观坝的共性及区别

3.1 工程结构布置对比

一般来说，景观坝的工程结构布置非常相似，都由三部分组成：

(1)基础土建。包括基础底板、边墩(岸墙)、中墩(多跨式)、上下游翼墙、上下游护坡、上游防渗铺盖或防渗墙、下游消力池、海漫等；

(2)坝体。如橡胶坝的橡胶坝袋、钢坝的钢板门叶、液压升降坝的混凝土或钢面板、气动盾形坝的钢盾板；

(3)控制和安全观测系统。包括钢坝的液压装置、橡胶坝的充胀或坍落坝体的充排设备、安全及检测装置等。

在运用时，要注意过坝水流与下游水深的关系，认真布置消能设施，防止河床和河岸的冲刷。在不影响泄流情况下，特别是在推移质较严重的河道上，一般基础底板比河床略高较为有利，可防止过坝推移质泥沙随水流卷入坝体底部从而减轻磨损和淤积，坝底板高程比上游河床地形平均高程适当抬高0.3～0.6 m。

3.2 行洪能力对比

四类景观坝的坝体都能完全倒伏或塌落，基本保持原河道断面，整体来说对原有河道的行洪能力影响都很小。差异主要如下：

(1)立坝溢流时，钢坝、液压升降坝、气动盾形坝较易形成薄壁堰流(δ/H<0.67，δ为堰顶厚度，H为堰上水头)，堰顶的水舌形状不受堰顶厚度的影响，流量系数大于0.403。而橡胶坝近似于宽顶堰(2.5<δ/H<10)，堰顶对水流的顶托作用明显，流量系数的最大值为0.385。因此，在同样的堰上水头下，橡胶坝的单宽泄量小于其他三种坝型。

(2)卧坝(或塌坝)泄洪时，阻水部分主要为坝底坎、中墩(多跨式)、塌落的坝袋(橡胶坝)。对于比较窄不需设中墩的河床，橡胶坝方案的泄洪能力相对其他坝最弱。对于比较宽的河床，由于钢坝单跨限制大，钢坝方案的中墩个数最多，泄洪能力最弱。

3.3 地基与坝长要求对比

四类景观坝对地基要求、坝长限制的差异见表1。

3.4 施工安装对比

四类景观坝在施工安装方面的差异见表2。

表1 地基要求、坝长限制比较

表2 施工安装比较

3.5 运行管理对比

四类景观坝在运行管理方面有以下共性特点。

3.5.1 运行期溢流水深限制

对于四类景观坝，其运行期的坝顶溢流水深一般不允许超过30～50 cm。若要突破30～50 cm这一限制，一是对坝体强度、启闭设备有了更高的要求，造价将大大增加;二是溢流水深超过50 cm时，在视觉上给人以强烈的不安感，对于景观坝来说则并不必要。

3.5.2 检修

一般都需要在上下游填筑挡水围堰，形成干地施工条件。也可在设计时采用分跨布置，在闸墩的上下游方向设置检修门槽。检修时，利用起重设备将船闸的叠梁式检修门吊入上下游检修门槽中，再利用水泵将上下游检修门中的水排出，从而满足干地检修的条件，即可在不影响河道行洪过水、排沙排污的条件下进行检修。

3.5.3 操作难易程度

目前四类景观坝的自动化程度都较好，都可实现自动控制与手动操作，操作简单。

3.5.4 排沙、排漂

(1)立坝挡水状态，只要止水状态良好，始终保持密封状态，淤沙不会影响坝的正常启闭；

(2)在卧门(或塌坝)泄洪时，四类景观坝的排漂、排沙效果都比较好；

(3)针对淤积较严重的地区，一般在坝前设挡沙(泥)槛和喇叭口。一是为了有效地挡住大的石块，二是当塌坝泄洪时，提高坝口位置的流速，可有效地让泥沙、水混合物直接随洪水冲至下游；

(4)建在多泥沙河流上的工程，应掌握蓄清排沙的原则，摸清冲淤规律，适时地利用泄洪时机将泥沙冲走；

(5)在设计时，因根据当地产沙含量、汛期输沙量等资料，计算行洪后沉淀在门体上的淤沙(泥)量，及升坝时需要的启闭力。对液压启闭设备(充排水泵站的机电设备)提出较高要求；

(6)一旦坝面淤积较厚，机电设备无法强行顶开坝面淤沙时，一般借助人工高压水枪充沙清理。

四类景观坝在运行管理方面的差异见表3。

3.6 景观生态效果分析

四类景观坝在景观生态效果的差异见表4。

表3 运行管理比较

表4 景观生态效果比较

3.7 投资对比

以设计坝高3.0 m，坝长30 m的景观坝工程为例，钢坝方案造价为7.5万/延米，液压升降坝方案为5.2万/延米，橡胶坝方案为4.9万/延米，气动盾形坝方案为6.0万/延米。一般来说，钢坝方案的整体投资最大，气动盾形坝次之，随后是液压升降坝，橡胶坝投资最低。橡胶坝一次性投入虽相对较小，但由于其设计寿命较其他景观坝短，后期维护费用较大。

3.8 小 结

综上所述，四类景观坝在泄流、排沙、运行管理等方面都具有明显的优势，而各自的显要缺点见表5。

表5 缺点比较

4 结论及建议

(1)随着城市发展和经济增长，橡胶坝、钢坝、液压升降坝、气动盾形坝等新型景观坝以运行安全、易于维护、适宜现代生态水利、景观水利要求,得到了各界的认可，为水利工程设计提供了新的思路，市场运用前景广阔；

(2)橡胶坝适于我国南方平原城市，河道泥沙含量小、水流清澈、纵坡较缓的河道；

(3)钢坝和液压升降坝由于坝体结构坚固可靠，抗洪水冲击能力强，特别适合雨量充沛的南方、洪水涨落快速的山区及北方泥沙含量大的河道；

(4)气动盾形坝由于本身具有环保生态性，又具有能效较低的特点，特别适合于城市河流梯级开发和通电不便的山区河流；

(5)钢坝适合于跨度较小的河道，同时由于底轴对地基要求严格，对岩石基础的窄河床较宜采用。在河床软基和跨度大的情况，地基处理费用和设计难度会大幅增加，为投资敏感项目时不宜采用；

(6)不建议在河流弯道附近布置橡胶坝和气动盾形坝。这主要是因为，在河道弯道建坝，由于弯道作用，过坝水流不均匀，水流流态不稳，使得作用在坝体上的压力不均匀，极易引起坝袋的振动，气枕内的气量平衡也极其不稳定，轻则造成门顶溢流不均匀的现象，重则由于溢流部位的门体受到静态和动态的双重压力出现塌坝。这方面已有工程失败的例子。

(7)除橡胶坝外，其他景观坝坝型技术在国内尚无设计规范可循，其设计计算方法、施工控制指标、工程质量检测、施工质量评定、安全监测设施等内容亟待进一步研究及工程实例检验。

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2017-01-12

刘彦琦(1987-)，女，四川成都人，硕士，工程师，从事水工结构设计及相关工作。

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