皖北平原苗原河蓄水坝的选型分析

2020-10-13张培慎

山西建筑 2020年20期

张培慎

(太和县河道管理中心，安徽太和 236600)

1 背景

苗原河地处皖北平原太和县，在暖温带与北亚热带交接地带，属半湿润季风性气候，年平均气温14 ℃，全县多年平均降水量860.7 mm(1959年—2008年)，年平均日照时数226 h，多年平均蒸发量1 618 mm；地势平坦，由西北向东南微倾，受季风气候影响，降雨年际和年内分布不均，是旱涝灾害易发区。

近年来中小河流治理等工程的不断实施，太和县主要河道已得到较好的治理，但大沟河道仍存在一些问题。苗原河为西淝河支流，大中沟较多，经过多年运行，沟口冲刷淤积较严重，地表水资源分布不均衡，沟口蓄水节制工程偏少，部分节制工程带病运行，不能有效拦蓄地表水，水资源利用率不高，缺水问题日益严重。

为了改善河道运行情况，增加河道蓄水，加强对水系的治理，全面提升城市发展环境和人居环境，建成水清岸绿、环境优美的风光带。太和县政府计划在苗原河上建造一座蓄水坝。

2 工程选址及地质

2.1 工程选址

本次坝址的选择主要遵循以下原则：

1)优先选用地质条件良好的天然地基，尽量避免将坝建在淤泥或粉细砂等不良地基上；

2)坝址选择应考虑占地、拆迁因素，要尽量减少占地，减少拆迁赔偿费用,轴线尽量与河道正交；

3)综合考虑材料来源、对外交通、施工导流、场地布置、基坑排水、施工水电供应等条件，坝建成后工程管理维修和防汛抢险等条件；

4)减少基础处理费用，节省工程投资。

本次工程的目的是为提高河道蓄水量，在综合考虑以上原则及其他因素后，最终选定在苗原河谢庄段附近开建蓄水坝。

2.2 地质条件

参考坝址选定原则确定在谢庄附近开建蓄水坝，并对该选址的地质条件进行分析，依据钻探、原位测试和室内土试资料，将场地内埋深20.00 m以浅地基土岩性自上而下共划分3个工程地质层。①杂填土层，以粘性土为主，厚度约0.90 m～1.10 m。②粉质粘土层，厚度5.80 m～5.90 m。③粉细砂层，以长石、石英为主要成分，揭露最大层厚13.00 m。地基承载力基本容许值如表1所示。

表1 工程地质层地基承载力基本容许值(fa0)一览表

总体来讲，②粉质粘土层：工程性质较好，是基础良好持力层及下卧层；③粉细砂层：厚度中等，工程性质一般，中等压缩性，是基础良好的下卧层；场地土类型为中软场地土，建筑场地类别属Ⅲ类；场地无活动断裂通过，无软弱土层及液化土层分布，地基土稳定性良好，为可进行建设一般场地；抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g(第一组)；勘察期间测得地下水位埋深2.50 m～2.60 m。

3 坝型选择

在河道治理中常用的低水头挡水建筑物有提升式平板闸、橡胶坝、混凝土滚水坝、合页坝、气盾钢坝等传统和新型闸坝；由于平板闸存在工程量大，景观效果差，闸墩墙较多，阻水较大，橡胶坝坝袋容易被锋利杂物刺破和老化，景观性较差，使用寿命不长等问题，故不予考虑。本文通过对混凝土滚水坝、合页坝、气盾钢坝三种坝型进行多因素对比，选出较适合该区域的蓄水坝。

河道底宽约为10 m，边坡为1/2，河底高程为26.16 m，新建坝正常蓄水位为29.60 m，坝上消能水位为29.06 m，排涝水位为30.61 m。

3.1 合页坝

合页活动坝是一种新的水工概念，其技术结合了液压“三铰点变幅运动机构原理”和液压翻板闸及液压升降坝技术的优点并进行升级，独有的无动力降坝及冰期无除冰蓄水技术均达到了国际领先水平，是一项全新的水利科技创新成果，适用于各种地质条件及水力工况条件的新型活动坝。广泛应用在河道景观、水生态文明及城镇化建设项目中。其原理是采用液压缸直推门体，使其绕底轴转动，实现升坝挡水，降坝行洪的目的。

如图1所示，若采用合页坝为谢桥蓄水坝，整体景观效果好，背部采用暗藏式支撑，重心较低，坝面整齐干净，支撑机构对面板背水侧的影响较低；闸体采用独立式面板设计，面板间设置止水(止水间有2 cm～3 cm的接触范围)，该坝对于基础沉降有较强的适应性，完全适应在此地建设；具有无动力降坝功能，升降速度快(可实现无电降坝)，使用中不受过流水体、漂浮物及沉积物等的影响，但使用寿命受液压缸的影响，不过其密封件及油缸均可进行人工更换，维修效率高；只打开单面板时，可形成高速水流，冲沙效果明显。

若采用挡水高度为4.5 m、横跨苗原河的合页坝，需要配备1台液压泵站等，并保证其电力供应等，一次升降坝的费用约为100元，一年完全升降操作按10次～15次算，加之其他设备基本维护维修及管理费用，该坝每年费用在5 000元左右，对预算较为充裕的工程较为适合。

3.2 气盾钢坝

20世纪90年代美国研发了一种新型水工挡、泄水建筑物—气盾钢坝，该坝结合了橡胶坝和钢板坝两者优点、克服了二者的不足，于1996年前后引入国内，该坝型被水利部认定为水利先进实用技术，至今在国内已建成并投入使用100多座。

其由盾板、气囊、基础锚固螺栓和气动充排系统组成。其结构形式如图2所示，工作原理为通过充排气装置调节气囊的充气程度，可精确控制闸门开度，在汛期可人为控制蓄水高度以满足防洪要求；闸门全开时，门体全部倒卧在河底，在断电情况下可完成坍坝，对行洪安全有保证。

如图3所示，若采用气盾钢坝为谢桥蓄水坝，景观效果稍弱，由于气盾钢坝背板受气囊支撑限制，对背板形状及光洁度要求较高，为保证气盾钢坝整体结构的安全性，上游侧必须配置通过肋板，其要求为下宽上窄，正是由于其结构的特殊性，气囊受到钢盾板的保护，不惧怕漂浮物穿刺、划伤，且气囊与钢盾板之间为一体式软连接、无需润滑油或其他连接件，但国内生产气囊气密性较国外技术仍有差距，其使用寿命有待市场验证。

若采用与合页坝相同规模的气盾钢坝，需配备2台螺杆压缩机，3台风机，并保证更高功率的供电设施。一次升降坝的费用约为150元，一年完全升降操作按10次～15次算，加之其他设备基本维护维修及管理费用，该坝每年费用在7 000元左右，对预算较为充裕的工程较为适合。

3.3 滚水坝

滚水堰最初是应用于埃及Faiyum省，位于尼罗河西岸，该坝结构简单，其主要作用为抬高上游水位、拦蓄泥砂。在我国清代就为主要的河工工程，现阶段技术已非常成熟，主要原理是保持河道一定程度的水位，拦蓄部分河水，多余的水可以自由溢流向下游。如图4所示，若本次坝型选用混凝土滚水坝，施工技术成熟，工期相对较短，运行维护费用低，使用寿命较长，坝体建成后，景观效果较好，基本不用管理，拦水效果好，可以拦截上游河床中的泥沙，待沉积后定期清理，可以有效降低河道的泥沙含量。

3.4 比较分析

如表2所示，结合工程实际，对三种坝型不同因素进行了列表对比，主要包括景观效果、行洪能力、排砂效果、施工难度、维护及维修费用、造价等。

表2 不同坝型对比表

通过上述比较，结合工程实际，认为本次工程建设对象为大沟河道，行洪能力要求不高，主要任务为增加河道蓄水，在造价、施工难度、维护及维修费用、景观等方面综合来讲，合页坝、气盾钢坝整体性能较好，但涉及新建液压泵站、压缩机及供电要求，运行维护费用较高等，增大工程经济负担，最终认为选用混凝土滚水坝较为经济、实用，既能有效拦蓄部分来水，也能实现沟河道的天然流水。

由于滚水坝的设计关乎实际工程中应用效率和安全，因此，必须严格计算各环节的参数，确保数据准确、实际较优运行，保证水流平顺流过坝面，避免产生振动和空蚀。