城市河道拦河坝型式选择分析

陈正丰， 王一博， 潘 希

(1.安徽省交通勘察设计院有限公司，安徽 合肥 230011；2.安徽省城建设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230051;3.中国葛洲坝集团生态环境工程有限公司，湖北 武汉 430034)

0 引 言

城市河道治理工程中，修建拦蓄水建筑物(拦河坝)以拦蓄河道水体是一项常见的工程措施。拦河坝的建设对改善河道水质、提升生态环境质量、提高旅游景观价值有着重要的作用，与此同时，汛期河道高流量情况下拦河坝还必须保证有足够的泄流能力，保证河道的行洪安全。

拦河坝的建设需充分考虑河道比降、洪水流量、蓄水深度、地形地质等多方面因素，并结合防洪排涝规划、两岸用地规划、景观规划等相关规划，最终确定拦河坝的选址、布置及坝型。本文对目前国内运用较为成熟的几种拦河坝坝型进行分析，包括滚水坝(固定坝)、平板钢闸门坝(节制闸)、水力自控翻板坝、橡胶坝、钢坝、液压升降坝、气盾坝，为今后城市河道治理建设工作提供借鉴依据。

1 拦河坝各坝型简介

1.1 滚水坝(固定坝)

滚水坝一般为混凝土结构或砌石结构，常见的具体断面型式有宽顶堰、折线型实用堰、WES实用堰等，如图1所示。滚水坝属于非活动坝，即无法改变坝的开关状态，始终为固定的拦蓄水状态。因此，滚水坝的坝高一般相对较低，大多为0.5～2 m范围，为一种低堰坝型。

很多山区性河道多采取多级滚水坝方案来抬高河道蓄水，改善河道生态环境，提升河道景观效果。一是满足某河段处的蓄水要求，二是可以缓解河床纵坡较陡处水流冲刷作用。此外山区性河道坡降较大，多级滚水坝可以减少对河道行洪的影响：在某个河段内建设1座2 m高的滚水坝和建设2座1 m高的滚水坝所能形成的最大蓄水水面面积是相同的，但后者对洪水水位的雍高影响要小得多。滚水坝最大的缺点是其不能灵活调节挡水高度，因此在洪水期存在碍洪的可能性，且容易造成坝前淤积。

图1 滚水坝结构型式图(折线实用堰)

滚水坝可结合岸边绿化确定坝高，即确定蓄水水位，坝顶可设置亲水汀步、亲水平台，打造成为当地居民休闲娱乐的亲水场所。南方城市很多城郊河道的漂流公园区均设置了非常多的滚水坝，一是为漂流项目提供水流保证，二是形成漂流过程中的兴奋点。

1.2 平板钢闸门坝(节制闸)

平板钢闸门坝即为常规的拦河水闸，也被称为闸坝，如图2所示。平板钢闸门为常规闸门。平板钢闸门坝特点是泄流能力大、运行调度灵活，可以通过闸门调度宣泄各种频率的洪水，但金属结构及土建工程量较大，上部需设置启闭设备和启闭机房，且高于河岸，对河道景观影响也较大，而且施工相对复杂，工期长，管理麻烦，运行维护费用高。平板钢闸门坝(闸坝)适用于大型枢纽以满足灵活调度要求，多见于大江大河中，例如葛洲坝、蚌埠闸等。

图2 平板钢闸门坝结构型式图

平板钢闸门坝利于灵活调度使用，多用于枢纽类拦河坝中，由于上部启闭操作建筑投资高且不易形成景观效果，城市河道中使用较少。

1.3 水力自控翻板坝

水力自控翻板坝是一种借助水力和动力作用，利用水力和闸门重量平衡的原理，在一定的水位条件下，随流量的变化而自动启闭的自动化闸门，如图3所示。工作时，随上游水位的升高而逐渐开启泄流；在上游水位下降时，逐渐自行回关蓄水，使上游水位始终保持在要求的范围内(即正常拦蓄水位)。

图3 水力自控翻板坝结构型式图

水力自控翻板坝具有不需启闭机械及相应设施、不需人为操作，完全由水流自动控制的特点，也因此投资较为节省。缺点是易被漂浮物卡住或上游淤积，导致不能自动翻板；洪水过后，翻板门再关上时易被异物卡住，造成大量漏水[1]。

1.4 橡胶坝

橡胶坝是用高强度合成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，如图4所示。坝顶可以溢流，并可根据需要调节坝高，控制上游水位，以发挥效益。

图4 橡胶坝结构型式图

橡胶坝的主要优点是坝袋为柔性材料，抗震性能好，适应地基的不均匀沉陷，工程投资较少。主要缺点是坝袋坚固性差，容易受到尖利和有尖角物体的刺破；易老化、变形，使用寿命较短。

1.5 钢坝

钢坝是一种可调溢流坝，主要由钢性坝体、固定底轴、液压驱动装置及基础底板组成，如图5所示。闸门门体上带有底横轴，其受力全部传与底横轴，再由它通过底铰传递给闸底板，闸门通过闸墩内的液压启闭机控制。这种建筑物一般适合于河道孔口较窄(10～30 m)，挡水高度较低(1～3 m)的工况。立坝蓄水，卧坝行洪，形成一定的挑流和人工瀑布景观效果。

图5 钢坝结构型式图

钢坝外观简单大方，水体可以长时间大流量的从坝顶溢流，瀑布景观效果较好；结构简单，操作方便，2～3 min即可塌坝、立坝；任意开启角度都可以机械锁定[1]，便于水位控制。主要缺点是每一扇闸门两侧各需一个地下工作闸室、中间闸墩，闸室结构复杂土建工程量较大，施工复杂，投资也较高。

1.6 液压升降坝

液压升降坝，如图6所示，采用液压杆升降以底部为轴的活动拦水坝面，实现升坝拦水，降坝行洪的目的；采用支撑杆支撑活动坝面的背面，构成稳定的支撑墩坝；采用浮标开关，控制操作液压系统，达到无人管理，根据洪水涨落，实现活动坝面的自动升降。

图6 液压升降坝结构型式图

液压升降坝的主要特点是结构简单，造价较低。运行过程中，可以紧贴河床不阻水，无泥沙淤积，不影响防洪安全，可以任意调节水位高度。缺点是施工安装难度较大，且升降的液压杆件常年浸泡在河水中进行启闭工作，需要定期维修更换。

1.7 气盾坝

气盾坝又称生态气囊支撑坝、气动盾形闸，主要由坝基底板、门体结构、锚固埋件、支撑气囊和气动系统组成。挡水门体为一排强化钢板，气囊支撑在钢板下游面，利用气囊的充排气控制门体起伏和支承门体挡水。底坝为钢筋混凝土结构。气盾坝以空气为充胀动力介质。

气盾坝支撑气囊和基础铰接为柔性材料，模块结构；抗震性能更好，抗基础的不均匀沉陷能力更强；气囊充排时间短(一般15～30min)，防洪渡汛和过凌汛强；塌坝运行，盾板紧贴河床，保证最佳行洪，并且盾板把气囊完全保护起来，不受损坏。气盾坝的主要缺点是坝顶不溢流时，坝体下游的气囊外露，影响美观[2]。

图7 气盾坝结构型式图

2 拦河坝型式比选分析

由于拦河坝型式多样，在优化选型时应考虑现场条件、功能要求、耐久性、工程投资、运行管理与维护和水环境景观等因素进行综合比选[3]，使拦河坝的坝型选择更加科学合理。表1对各种坝型的比选因素进行了对比分析。

表1 各拦河坝坝型比选表

为更加直观地对比城市河道中各类型拦河坝的工程投资情况，现以拦河坝坝宽40 m、坝高2.5 m、坝体段长度10 m为特性，进行投资分析对比，见表2。

表2 各拦河坝坝型投资对比表(可比投资)

综上所述，对各种拦河坝坝型的选择建议如下：

(1)滚水坝。由于其不具备调节作用，除部分河道坡降较陡的或无防洪排涝任务的城市河道外不推荐采用此坝型。

(2)平板钢闸门坝。不易形成景观，只考虑在大型河道和枢纽性质的拦河坝中选用，对中小型的城市河道不建议选用。

(3)水力自控翻板坝。可靠性差，不建议选用。

(4)橡胶坝。在漂浮物不多、防汛预报系统较为完善的河段可选用。

(5)钢坝。投资较高，可在景观要求较高的河段选用，但河道较宽(超过50 m)则不建议选用。

(6)液压升降坝。在有景观要求的河道可选用。

(7)气盾坝。在有景观要求的河道可选用，北方易结冰的河道慎用。

需要特别说明的是，河道治理是一个系统工程，同一条河道的不同河段往往有不同的自然条件、河道特性、规划定位等，所以在城市河道的治理中，往往是各种拦河坝坝型组合使用，一方面结合所处河段的特性选择适宜的坝型，另一方面间断设置各类型拦河坝也可避免景观同质化。以河南省郑州市梅河综合治理工程为例，主力坝型选用造型美观、造价适中的液压升降坝，共10座；2座湖泊上游拦河坝需营造景观亮点，选用钢坝；最上游1座对水位的灵活控制要求不高，选用相对经济的橡胶坝[1]；而安徽省广德市无量溪河综合治理在10.2 km的城区河段设置9座拦河坝形成梯级水景观，共设置了滚水坝、液压升降坝、橡胶坝3种坝型，打造城区河道的生态景观。

3 结束语

拦河坝坝型的选择不仅要满足最基本的拦蓄水和防洪排涝要求，还要与所处河段、地段的规划与定位相适应，还要兼顾生态、景观的要求。因此，坝型的选择必须综合考虑，从多角度、多方面进行比选分析，从而选择出合适的坝型。