气动浮体坝应用在山区城市河道的适应性分析

曹军

（遵义水利水电勘测设计研究院，贵州遵义 563000）

1 气动浮体坝简介

气动浮体坝是近年来在活动景观拦河坝领域诞生的一种新的坝型，其原理是通过改变闸门整体浮力来控制闸门开启状态，通过底座与坝体安装的门页以及安装于门叶顶部且通过充气装置进行充气或抽气的浮箱组件，当对浮箱进行充排气时，控制门页以底座为基点进行翻转运动，从而实现挡水和泄水的一种活动坝坝型。其主要优点有：环保性好、不产生油污；关闭时坝体与河底齐平，不影响泄洪、通航；水流噪音小；能耗低、易施工、维护方便。

该种坝型相对于液控翻板坝存在一些较明显的优势，特别是近年来对于环保问题的重视，气动浮体坝采用空压机启闭的方式，因此完全不存在漏油风险，得到了广泛推广和应用，但多建在平原地区，在山区城市、洪水陡涨陡落的河道上应用较少。本文就遵义市中心城区湘江河段上修建的气动浮体坝为例，对该种坝型在山区城市河道的适应性进行了分析。

2 工程概况

遵义市中心城区河段涉及湘江干流及其支流高坪河，原共建有10座景观拦河坝，原坝型为7座水力自控翻板坝及3座橡胶坝。因年久失修，不能保证安全运行，于2017年对该10座拦河坝进行了改造，改造的坝型分别有斜支撑液控升降坝、液控翻板坝及气动浮体坝，项目总投资4963万元。

本文着重介绍的气动浮体坝坝型运用于湘江河公园坝，位于遵义市中心城区的核心区河段，活动坝部分坝高2m，坝线长47m，于2017年年底改造完毕，已投入运行3年有余。

3 拦河坝改造的必要性

湘江河上的天仪厂坝、高桥坝、公园坝原坝型均为充水式橡胶坝，经多年运行，橡胶老化后，由于本地运行管理单位无检修能力，加之在河道内进行清淤等活动时未保护坝体，导致橡胶坝坝袋不同程度受损，存在安全隐患。2014年7月22日，高桥橡胶坝坝袋瞬间撕裂，造成塌袋，所蓄水体急速下泄，下游水位暴涨，对下游两岸河边人行走道上行人的人身安全构成了威胁，所幸未造成人员伤亡安全事故。

基于该情况，遵义市各行业主管部门高度重视景观拦河坝的安全运行情况。在检查中发现，公园坝的橡胶坝袋存在破损、老化变形严重，袋顶高低不平，坝袋锚固螺栓锈蚀严重，个别锚固螺栓脱落，存在严重的安全隐患，已不能正常蓄水运行，严重影响城市水景效果。2014年12月，为排除工程险情，保证工程的蓄水达到美化城市水景的目的，将公园坝坝袋拆除，改造为临时拦河堰，采用砂袋垒砌恢复其原坝顶高程，在平时抬高上游水位，满足景观要求；在河道发生洪水时，洪水可冲垮上部临时挡水的砂袋，使河道行洪断面加大，从而降低防洪风险。但该改造方案为临时应急措施，不能永久性地在完全满足行洪要求的同时保证河道水面景观，因此对拦河坝进行改造，是很有必要的。

4 坝型选择

4.1 已建坝型经验

遵义市中心城区之前所建拦河坝均为水力自控翻板坝及橡胶坝，通过运行多年的经验看来，该两种坝型在遵义市的适应性较差，主要体现在以下几个方面：

（1）遵义市属山区，河道行洪时水流夹杂树枝、乱石等杂物较多，易造成翻板坝卡阻，或对橡胶坝坝袋造成损坏。

（2）水力自控翻板坝在运行中多数出现支绞变形的情况，在打开后不能自行回位；甚至出现上游来洪水时不能自动翻转泄洪的情况，对此构成了较大的防洪安全隐患。为此，运行单位需投入大量人力物力对翻板坝实施人工启闭。

（3）水力自控翻板坝在上游来水量突然增大时会在短时间内打开坝体泄洪，使下游水位迅速提升，不利于下游两岸防洪安全。

（4）橡胶坝坝袋为橡胶制品，受损的频率较高。目前遵义市中心城区已建的7座橡胶坝仅有一座能够正常运行（寿命均在10年左右），其余橡胶坝坝袋均受到不同程度的损伤甚至损毁。

综上所述，水力自控翻板坝及橡胶坝就目前运行情况看来，不考虑选择该两种坝型作为推荐坝型。

4.2 公园坝坝型选择

据国内各种城市景观闸坝的发展现状，结合类似工程运行经验，比较成熟的坝型有：液控翻板坝、液压底轴翻板坝、斜支撑液控升降坝、折叠式液控翻板坝及气动浮体坝等。结合公园坝的情况，经综合比较，选择了气动浮体坝作为公园坝的选择坝型，主要缘由如下：

（1）启闭方式优势：上述可选择的坝型中，只有气动浮体坝是采用空气给浮体充放气来实现坝体启闭，其余坝型均靠液压系统进行启闭，存在液压电控设备复杂、有漏油产生污染风险等问题，而气动浮体坝设备简单，启动仅靠一台低功率空压机即可，也无污染风险，更适用于城区河段内的景观拦河坝。

（2）土建开挖适应：本次改造的10座景观拦河坝中，其中公园坝坝高较矮，仅为2.0m，其余坝型坝高均在3.5m以上，而气动浮体坝需开挖约1.5倍坝高的基坑，因此越高的坝基坑就越深，在城区河道内施工，导流及基坑边坡支护条件都比较狭窄，风险较大，因此仅在坝高较低的公园坝选用气动浮体坝较利于坝基开挖施工。

（3）低噪声优势：气动浮体坝在正常挡水时，坝顶溢流的水流通过坝的背坡滑入下游，水流平顺，噪声小；而其他翻板坝坝型的水流都是从坝顶跌入下游，形成类似小瀑布的流态，噪音较大。公园坝地处遵义市人民公园及凤凰山景观长廊的核心区，为维持其安静休闲的周边环境，选择气动浮体坝较为适宜。

（4）造价优势：气动浮体坝由于没有液压系统，仅由浮箱坝体、空压机及供排气管道就能实现坝体启闭，因此造价相对于其他坝型来说较为低廉，同时对检修维护的技术要求也较低，远程运行方便可靠。

5 建设运行经验

公园坝自2017年年底改造完毕即投入正常运行，以远程+现场管理结合方式对湘江河城区河段的10座坝进行运行管理。在公园坝建设运行的过程中，针对该坝型在城区河道中的应用积累了一定的经验和认识，主要有以下几个方面：

（1）岩体基础开挖难度大：作为门体2.0m高的气动浮体坝，需开挖约3.0m深的基坑，用于隐藏倒伏时的坝体。公园坝为改建坝，原就有约1.5m厚的混凝土坝基，下部为泥岩、砂岩、粉砂岩互层的岩体，加之该河段位于城市中心，涉及安全保护及噪声问题，不能爆破或者用机械破碎锤施工，因此所有开挖均采用人工钻孔+膨胀剂方式进行冷挖，导致进度缓慢，人工成本很高。就此可以看出，该种坝型由于基础深度要求很深，更适用于河床覆盖层厚、易开挖基坑的河流，若在岩体河床上运用该坝型时，应充分考虑施工方法及成本。

（2）水位控制：气动浮体坝只能处于全浮起状态和全倒伏状态，因此上游水位只能控制在正常蓄水位或者不挡水状态，这一点情况与其他坝型相比存在劣势。就公园坝来讲，作为城市中心的坝型，经常需要调节活动坝的开度来调度整条河的水位，以适应安全行洪及生态景观方面的需求。但在公园坝就无法实现开度调节，只能通过公园坝上下游的活动坝来弥补和适应。针对该问题，坝体生产厂家、设计方尝试过很多方法，比如增设限位器、调大浮箱容积等，但始终未能解决该问题。

（3）泄洪过程不可控：在公园坝运行过程中发现，在河道上游来水量大或者主动倒伏坝体的时候，公园坝顶部过水一旦超过一定高度，顶部的动水压力超过浮体自身浮力，整个坝就会迅速下沉，导致大量蓄水迅速涌向下游，若调度预警不得当，就会存在一定的安全隐患，这就对调度提出了很高的要求。在上游来水量大时，需提前打开公园坝下游的拦河坝腾空河道，再打开公园坝，泄掉公园坝所蓄水量迎接洪水。但在城区河段，即使在汛期也有水景观的需求，与气动浮体坝泄洪过程不可控之间形成难以解决的矛盾。且调度若不得当，很有可能会造成安全隐患，影响下游河道两岸的防洪安全。遵义市湘江河属山区河流，公园坝以上流域面积仅有280km2，洪水来得快去得也快，往往下暴雨和涨洪水就只有一两个小时的间隙，可供预警和提前动作的时间很短，这就对汛期拦河坝的安全运行提出了很高的要求，除了对坝体开闭进行调度控制之外，更多的是需要提前将拦河坝下游河道两岸的行人疏散上岸，因此增大了对汛期值守人员的数量和工作量。

（4）有利于鱼类洄游：遵义市湘江河流域本无洄游鱼类，但在公园坝运行中发现，由于气动浮体坝下游坝坡较缓，坝高也不高，经常发现有鲤鱼、鲫鱼等本土野生鱼类由下游河道经下游坝坡“冲”到上游的情况，特别是在坝顶溢流水量较大的时候，这种情况非常常见。因此相对于翻板类的活动坝来讲，气动浮体坝是极有利于鱼类洄游的，即使是在挡水状态下，鱼类依然可以实现在坝体上下游的顺畅往来。下一步针对有洄游鱼类的河道，可考虑将下游坝坡设置得更缓，这样在挡水营造水景观的同时，也能够保证洄游鱼类的正常流动，若试验成功，则气动浮体坝可认定为无须倒伏坝体实现鱼类洄游的一种优质生态坝型。

6 结语

公园坝作为遵义地区乃至贵州省内第一座在城区河道使用气动浮体坝的景观拦河坝，目前建成运行已经过3年多的时间，在规划设计、建设运行的过程中都积累了一定的经验。特别是针对山区城市河道流域面积普遍较小，洪水陡涨陡落的行洪特点，与平原河流相比有所差异，气动浮体坝的适用性也有所区别。本文针对该种坝型在如何在城区河道拦河坝选用气动浮体坝的设计、施工及运行有一定的参考价值。