气盾坝在茶园拦河坝工程中的设计与应用分析

黎 彦

(抚州市水电勘测设计院设计室，江西 抚州 344000)

1 工程概况

茶园拦河坝工程位于乐安县牛田镇流坑村乌江河牛田大桥上游约 1.4 km，本拦河坝工程旨在打造多样化景区，提高流坑景区品位，枯水期水面游船与流坑景区呼应[1]。

乌江为赣江中游右岸的一级支流，发源于永丰县境南部的零云山山脉北麓，从大金竹附近流入乐安县， 经招携镇、牛田镇、永丰县，在吉水县文峰镇从右岸汇入赣江。乌江流域面积 3883 km2, 主河道长度 171 km，河道纵比降0.87% 。

本次工程所在地牛田镇索桥上游乌江河道宽度80～250 m，两岸为天然岸坡，植被茂盛，沿岸分布有村庄与大片樟树林，风景秀丽。

工程等别为Ⅳ等，为小(1)型，主要建筑物级别为4 级，次要建筑物为5级，临时建筑物为 5级。

拦河坝正常水位为 96.500 m ，设计洪水标准为10年一遇，设计洪水位99.250 m ，相应河道流量为1211 m3/s，校核洪水标准为50年一遇，校核洪水位 99.897 m, 相应河道流量为 1680 m3/s。

2 拦河坝设计方案比选

2.1 工程选址

乌江为山区河流，河道纵比降大，新建拦河坝高度根据乌江沿岸天然景观的分布，结合流坑景区规划，上坝址选择在索桥上游约250 m处，下坝址选择在索桥下游约200 m处，上下坝址相距约 450 m。

上坝址河床宽度约51.7 m，该处河床上部粗砂层厚度较小，其下为强风化砂岩。左侧有天然沙洲，景区规划打造娱乐设施，附近有古樟树林。拦河坝工程正常运行可在索桥上观看泄水胜景。

下坝址宽度河床约40.0 m，该处河床上部粗砂层厚度较小，其下为强风化砂岩。

根据景区需求，结合工程总布置，本次新建茶园拦河坝坝址拟定在索桥上约 250 m处。

2.2 坝线比选

根据选定的坝址，经比较，认为上坝址仍应进行坝线的选择与确定。本次设计拟定在索桥上约150 m、250 m、350 m三处坝线比较，三处坝线地质条件相近，而坝线(250 m) 该位置河道宽度适宜，拦河坝景观效果良好。 综合比较选定坝线选定为索桥上250 m处。

2.3 坝型比选

坝址处河道总宽约250 m ，其中主河道宽约80 m，沙洲宽约170 m ，本次设计拟对以下三种方案进行比选见表1。

表1 拦河坝坝型方案比选

方案一：气盾坝方案。气眉坝由盾板(不锈钢、碳钢)、充气气囊(由多层NN66或芳纶骨架材料及特种橡胶构成)、锚固螺栓、限位拉带及控制系统组成。坝顶高程96.5 m ，坝高3.0 m，垂直水流方向坝宽85.5 m，顺水流方向基础长6.7 m，分2跨，单跨40 m，由8个盾板组成，坝墩厚1.2、1.3 m，右坝端设竖井，宽3.5 m。

方案二：钢坝方案。钢板闸门尺寸为3.0 m×35.0 m，共2跨，单跨由闸门门叶、运转机构及支墩组成，均由钢坝生产厂商预制安装调试。坝顶高程96.5 m，坝高3.0 m，基础坝顺水流长6.7 m ，垂直水流总长87.0 m，闸中墩7.0 m，边墩5.0 m，边墩与边跨 一起浇筑，为C25混凝土结构。

方案三：液压翻板坝方案。液压控制翻板闸门选定渐开型双连杆倾斜式闸门，单扇闸门尺寸为3.0 m ×6.0 m，共 2 跨，单跨设 14 扇，闸门面板向下游倾斜15°，闸门门叶、运转机构及支墩组成，均由翻板闸门生产厂商预制安装调试。坝顶高程96.5 m ，坝高3.0 m ，基础坝顺水流长6.7 m ，垂直水流总长86.4 m，闸墩1.2 m。边墩与坝体一起浇筑，为 C25 混凝土结构。

经过综合分析比较，本次设计拟推荐方案一气盾坝方案，气盾坝能满足枯水期河道拦挡蓄水，丰水期塌坝全断面过流的要求，结构合理，设施先进，功能齐全，施工相对简单，维护费用低，投资适宜，从长远利益来看是可行的[2-5]。

3 工程总体布置

(1)铺盖。上游进口设置C20混凝土铺盖，底板高程为93.5 m，厚0.4 m，下设0.1 m厚C10混凝土垫层，齿脚宽0.5 m，深0.5 m，边坡1∶1，全长 10.0 m。两侧边墙采用 C20 混凝土重力式挡墙结构型式，挡墙高4.60 m，顶宽0.80 m，基础宽2.83 m，基础厚 0.60 m，基础外伸0.40 m。

(2) 气盾坝。气盾坝基础要求坐落在强风化砂岩上，坝体由C20混凝土底板土建部分及盾板、充气气囊(坝袋)、锚固螺栓、限位拉带及控制系统组成。坝顶高程96.5 m，坝高3.0 m，坝长85.5 m ，分2跨，单净跨40.0 m，由8个盾板组成，中、左边坝墩厚 1.2、1.3 m，右坝端设竖井，宽3.0 m。坝段每10 m分缝一道，缝宽2.0 cm，采用止水铜片止水。

(3) 消力池。坝下设置C25混凝土深挖式消力池，池底高程92.7 m，池深 0.6 m，池长 20.0 m，池宽82.2 m, 底板厚 0.5 m，齿脚宽0.5 m，深0.5 m，池内设置排水孔，D=0.1 m，间距2.0 m，呈梅花型。 池段每10 m 分缝一道，缝宽2.0 cm，采用止水铜片止水。两侧边墙采用C20混凝土重力式挡墙结构型式，挡墙高5.50 m，顶宽0.80，基础宽3.11 m，基础厚0.70 m，基础外伸0.40 m。

(4) 海漫。消力池出口设置M7.5 浆砌块石海漫，海漫长20.0 m，高程为93.3 m，海漫末端为防冲槽，底宽2.0 m，深1.5 m，与老河床衔接。每10 m分缝一道，缝宽2.0 cm，采用沥青杉板填缝。两侧边墙采用C20混凝土重力式挡墙结构型式，挡墙高4.97 m，顶宽0.80 m，基础宽2.90 m，基础厚0.70 m，基础外伸0.40 m。

4 相关计算

4.1 拦河坝过流能力计算

汛期，拦河坝按最大断面过洪，过流能力按以下公式计算：

(1)气盾坝塌坝过流， 汛期塌坝全断面过流能力，按宽顶堰淹没出流计算。

(2)滩地上过流，按明渠均匀流计算。

(3)枯水期气盾坝充胀过流，按薄壁堰淹没出流计算，气盾坝充胀过流要求最大坝上水头不大于 0.8 m。

经计算，10年一遇的河道流量为1211 m3/s，对应坝前水位为99.25 m，50年一遇的河道流量为1680 m3/s，对应坝前水位为99.897 m。计算结果见表 2、表3。

表2 气盾坝泄流能力计算成果

由表2、表3得，气盾坝在汛期塌坝过流以及枯水期充胀过流工况下，均满足过流要求。

表3 气盾坝充胀过流能力计算结果

4.2 气盾坝结构稳定及基底应力计算

气眉坝稳定复核分基本组合和特殊组合且按最不利情况进行计算，荷载组合具体情况为：

(1)基本组合。施工建成工况：上、下游无水。正常运用工况：上游正常水位 96.5 m+气盾坝正常运行。

(2)特殊组合。高水位运行工况：上游校核水位 99.897 m+气盾坝塌坝运行。

计算结果见表4。可以看出，坝体上述各个工况下抗滑稳定、抗倾覆稳定、坝基底应力计算成果均满足要求。

表4 气盾坝稳定及基底应力计算成果

5 结 语

本文根据茶园拦河坝工程所在地实际情况，通过各种坝址比选、坝线比选以及坝型方案，最终确定采用气盾坝方案。气盾坝在大跨度高水头工况下可随意起伏，兼具安全、环保、美观、施工工艺简单、运行管理维护方便、使用寿命长等优点，本拦河坝工程设计方案合理，对气盾坝的应用和推广具有深远意义。