气盾坝在城市景观水系建设中的应用

张纪智

（广西水利电力勘测设计研究院有限责任公司，南宁 530023）

1 工程概况[1]

钦江是灵山县最主要的河流，灵山县城区上游约18.2 km处的钦江干流建有一座具有多年调节功能的大（2）型水库——灵东水库，经过灵东水库调节，上游河道在年内多数时间来水流量偏小，几近干涸，无法满足国务院于2015 年发布的《水污染防治行动计划》（即“水十条”）对河湖枯水期生态基流的保障要求，河道两岸排水（排污）涵洞口分布较多，枯水期造成河道水质差，急需采取整治措施，避免黑臭水体的产生，维护河道生态环境。根据灵山县《灵山县县城绿地系统专项规划及绿线划定规划（2013—2030 年）》，钦江两岸规划为“钦江带状公园”，钦江灵山县城区段“一江两岸”绿化带，是打造城市水生态景观系统的规划内容之一。根据规划以及钦江灵山县城区河段现状枯水期流量小、水位低、人水疏离的现状，通过在城区下游河段新建威龙壅水坝抬高水面，达到改善城区河段水环境和水景观、打造“一江两岸”绿化带的目的。

灵山县城区河段两岸均规划建设有防洪堤，设计洪水标准为20 a一遇，新建的壅水景观坝运行需在保证河道行洪安全前提下，进一步满足景观壅水的需求。根据工程任务要求，确定威龙壅水坝的运行方式为：非汛期维持正常蓄水位52.5 m 控制运行；汛期，当上游城区水位站水位低于54.60 m（来水流量小于500 m3/s）时，威龙气盾坝维持正常蓄水位52.5 m控制运行；上游城区水位站水位超过54.60 m（来水流量超过500 m3/s）时，威龙气盾坝坍坝运行，基本恢复现状河道。威龙气盾坝正常运行时水位为52.5 m时，相应库容为221万m3，坍坝运行校核水位相应总库容为298.7 万m3。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252-2017），威龙气盾壅水坝属小（1）型水库，工程等别为Ⅳ等。

2 坝址区地质条件[1]

坝址两岸均为一级阶地冲积平原的地形地貌，地势较为平缓。两岸一级阶地台地高程一般为48～53 m，主要为农田。河床高程一般为45.2～46.8 m，河岸两侧河漫滩发育，地势较为平缓，河漫滩高程约为46.8～48 m。河床中覆盖层厚度1.0～1.8 m，上层为近代河流冲积层第二层（Q4al2-2），砂质黏土，棕黑色，湿～稍湿，可塑状，层厚1.0～2.5 m，主要分布于钦江两侧河漫滩等位置。下层为近代河流冲积层第一层（Q4al2-1），中粗砂，含有少量砾石，杂色，湿～饱和，松散状，层厚0.5～4.0 m不等，磨圆度较好，主要成分为石英和白云岩等，主要分布于河漫滩及河床内。坝基石岩为白云岩，岩体物理力学性质较好，弱风化，是工程区主要的下伏基岩。根据区域地质条件，工程区内泥盆系中统郁江组上段（D2y2）总体为N59°E，NW∠40°。坝址区无区域断裂和较大的断裂通过，工程区内节理裂隙较为发育。基岩稍有起伏，局部发育有少许溶蚀空隙。5 Lu线下限埋深超过10 m。工程区内主要的不良现象表现为岩溶现象，遇有小型溶洞，溶洞内部由泥质填充，综合判定为岩溶弱发育。

3 坝型比选方案布置及其特性

坝线处现状天然河道较为开阔，河道坡降较为平缓，前后河道较为顺直。威龙壅水坝建设任务是在满足河道行洪安全的前提下，壅高坝址至海岩坝之间河段的水位。如采用混凝土坝、常规闸坝作为代表坝型，则最大坝高将达到9.5 m，水闸还需修建较多的闸墩，对汛期行洪造成较大影响。且坝址两岸已经批复有防洪堤，壅水坝在布置上也受到较大影响。混凝土坝、常规闸坝等汛期无法恢复原河道行洪断面的坝型，难以满足汛期行洪要求，因此不考虑修建混凝土坝、常规闸坝。为了与上游一级壅水坝的水面形成阶梯衔接，形成较好的水景观，同时又不影响河道行洪能力，考虑选用汛期能迅速恢复河道行洪断面的闸坝型式。可满足要求的闸坝型式主要由钢板坝、橡胶坝、气盾坝，对此3 种坝型进行比选。

3.1 气盾坝布置方案

气盾坝方案由1孔气盾坝组成，中间不设闸墩，壅水高度为5.5 m，全长142.6 m，其中闸室段溢流前沿净宽95.0 m，正常蓄水位52.5 m，建基面高程43.5 m，闸底板顶高程为47.0 m，两岸管理维护平台高程为53.5 m。闸室上游侧设有悬挂式灌浆帷幕，以解决坝基渗透稳定剂闸室稳定问题。闸室下游侧设有消力池，宽度与闸室段相同，消力池下游设置海漫与下游河道衔接。左岸布置2 根DN1600 预埋钢管，用于运行期间的检修临时导流。气动盾形闸门系统（气盾坝）是由钢闸门、气袋、埋件、空压系统和闸门控制系统组成，是利用空气压缩原理，通过气袋的充气与排气，使闸门升起和倒伏，维持特定的水位高度，并可在设计水位内实现任意水位高度的调节。气盾坝可完全倒伏在河底，无水位落差，不影响水生物的上下通过，可以保持河道及生态连续性，有效维护生态环境。整套气动闸系统是由若干模块化的钢闸门及气袋组合而成，拦河宽度不受限制，且中间不需要闸墩，泄水面几乎与河道宽度一致，可实现大面积高效率泄水。可应用于城市河流或人工湖，稳定的水位为人们提供了休闲娱乐场所，而溢流时形成的瀑布景观更为城市增添了一道优美的风景。不需要启闭机械设备，土建只需建设简单的基础，成本低。气袋支撑的钢闸门可以完全保护气袋本身，避免被浮木、石砾、冰块等杂物的损伤，使用寿命较长。主要缺点在于进行大检修时，需在人工围堰保护下进行，活动调节坝一般均存在这一问题，主要通过设置导流排水管、选择枯水期检修等措施加以解决。

3.2 橡胶坝布置方案

橡胶坝布置方案亦采用单孔布置，除闸室上部挡水建筑物以外，其主要结构布置均与气盾坝一致。橡胶坝由锚固在基础底座上的高强度合成纤维织物坝袋做受力骨架，运行时向坝袋内充气或充水，形成相对稳定的类似于坝体的挡水膨胀体。其运行方式简单，汛期不影响河道泄洪，施工方便，结构简单，运用案例较多，造价相对较低。其主要技术特点与气盾坝类似，但橡胶壅水坝袋缺少钢面板保护，漂浮物较多的河流上应用其使用寿命可能会受到一定影响。根据调查，目前国内已建橡胶坝最大坝高达5.0 m，日本有6.0 m的橡胶坝案例，壅水高度可基本满足项目要求。橡胶坝具有可根据需要充排水（气）调节坝高的特点，可以满足本工程枯水期蓄水、汛期恢复河道行洪的要求。根据工程经验，橡胶坝单跨长度可达100 m，不需设置中墩，两侧设置边墩。由于橡胶坝充泄水时间较长，需要紧急充泄水的情况下可能不能较好满足运行要求。坝袋直接挡水且缺少必要的防护，频繁充泄水时坝袋橡胶存在老化问题，坝袋容易被河道漂浮物破坏。

3.3 液压钢板坝布置方案

钢板坝方案采用4孔布置，单孔宽度25.0 m，设有2 个边墩3 个中墩。钢板坝壅水高度为5.5 m，全长142.6 m，其中闸室段长101.0 m，溢流净宽95.0 m，正常蓄水位52.5 m，建基面高程43.5 m，闸底板顶高程为47.0 m，两岸管理维护平台高程为53.5 m。钢板坝方案的门叶采用竖向悬臂梁结构，门叶由底轴旋转直接驱动，闸门的开启操作由布置在两侧闸墩机房内的液压启闭机通过固定于底轴端部的拐臂驱动闸门。根据钢板坝运行的特性，钢板坝挡水高度一般不超过5 m，对于高度达到5 m以上的钢板坝，国内尚未有设计先例。根据经验，对高度达到4.5 m以上的钢板坝，孔口宽度不宜超过25 m，超过时一般需要增设中墩，以减少单孔孔口宽度，确保钢板坝安全运行。

钢板坝升降调节水位需绕底轴转动，对地基沉降较为敏感，液压杆易折弯移位卡阻，同步升降控制有一定难度，运行年限增加后底部容易产生漏水现象；面板升降受液压缸、底轴、液压泵站等机械结构及装置控制，控制结构相较其它活动坝型较为复杂，可靠度受到一定影响。对于高度达到5 m 以上的钢板坝，国内尚未有设计先例，使用需进行一定的论证。

4 坝型比选

4.1 地形地质条件比较

根据地质勘察，拟建坝址基岩条件较好，主要为泥盆系中统郁江组上段（D2y2）弱风化白云岩，其饱和抗压强度平均值为19.7 MPa，属于较软岩。岩层倾角以40°～50°为主，抗滑稳定性条件较好；有发生坝基渗漏和绕坝渗漏的可能，对局部进行防渗处理后可满足防渗要求；消能区内的覆盖层抗冲刷能力弱，易受冲刷破坏，可采取一定抗冲刷措施。由于本工程壅水水头不高，采取一定工程措施后，均能较好满足各坝型布置方案对地质条件的要求。

4.2 坝型适应性比较

最大壅水高度为5.5 m，如采用钢板坝，根据其自身技术特点，对于高度达到5.0 m以上的钢板坝，国内尚未有设计先例，需进行一定的论证。钢板坝由于使用了液压系统及支撑杆件，安装较为复杂。本工程挡水水头较高，虽然钢板坝技术总体而言较为成熟，但挡水水头一般不超过5.0 m，因此，相对本工程需要的挡水高度而言，技术成熟度相对一般。根据橡胶坝自身技术特性，其坝袋易被尖锐漂浮物损伤，本工程钦江河道汛期时有一定的漂浮物，适应性存在一定缺陷；充排时间长，不能满足汛期快速坍坝的要求，存在运行管理不当的风险，管理要求高；其最大坝高可达5.0 m，5.0 m以上国内无建成案例，因此相对本工程需要的挡水高度而言，技术成熟度相对一般。气盾坝汛期能快速恢复河道行洪断面，挡水高度和运行状态持续可控，单孔跨度大，可不在河床设置中墩，钢面板支撑在独立的橡胶气袋上，可以允许漂浮物通过，使用寿命较长，且气盾坝景观效果佳，坝顶溢流会形成瀑布，较好地满足了项目任务要求。气盾坝结构简单，施工安装较为快捷。气盾坝国内已有6.0 m 高的案例，运行正常，技术成熟度相对较好。就本工程的坝型适应性而言，选择气盾坝较优。

4.3 建筑物布置比较

根据前述建筑物布置，液压钢板坝闸室宽度较大，由于受两岸堤防及规划道路影响，闸室宽度较大时布置及施工期临时建筑物难度相应增加，建筑工程量也较大。因此就建筑物布置难度方面而言，橡胶坝和气盾坝较优。

4.4 耐久性及运行维护比较

根据坝型技术特点及调查了解，橡胶坝的耐久性或使用寿命一般可达30 a以上，气盾坝可达50 a，钢板坝可达50 a 以上。耐久性及使用寿命方面钢板坝及气盾坝较优。

钢板坝在运行方面总体而言较为简单，在需要坍坝时钢板坝由液压控制，能够做到快速坍坝，升坝也十分迅速，运行较为便捷。在维修养护方面，钢板坝升降调节水位需绕底轴转动，液压杆易折弯移位卡阻，同步升降控制难度大，运行年限增加后底部漏水比较严重。动力源为液压油，液压油需要定期检查更换，液压系统运行受温度影响，需定期检查液位、液压脂、密封性等，长期浸泡或外力撞击等因素会导致液压油渗漏，污染河水；检修管理较为不便，维修养护成本较高。橡胶坝在运行管理方面也较为简单，但坍坝时间一般在1 h以上，充坝时间则为2～3 h；在维修养护方面，如频繁充坍坝或受外力破坏易造成橡胶老化，检修管理较为不便。气盾坝在运行方面也较为简单，也可一定程度上实现自动控制，充坍坝较橡胶坝更为迅速，一般坍坝时间可控制在30 min 以内，充坝时间40 min 以内。在维修养护方面，气囊受钢板保护，寿命较长，维护频次较橡胶坝低；但维护大修时也需要填筑临时围堰，检修管理也存在较为不便的问题，但维修成本较钢板坝低。综合来看，运行便捷性及维修养护方面气盾坝较优，钢板坝其次，橡胶坝较差。

4.5 施工条件比较

施工布置方面无太大差异，导流方面各坝型均可采用分期导流，施工条件总体相近。由于布置上橡胶坝及气盾坝结构较为简单，设备安装也相对容易，在枯水期施工工期紧张的条件下更具优势。钢板坝液压杆及启闭系统的安装工作量较大，施工安装较为复杂，工期相对较长。因此施工条件及施工工期方面橡胶坝及气盾坝较优。

4.6 景观协调性比较

液压钢板坝设有数个闸墩，不太美观；橡胶坝水少时，下游有坝袋裸露的问题；气盾坝由于泄水时下游形成瀑布状水流，气盾坝景观效果较优。

4.7 工程投资比较

各坝型的主要工程量及投资见表1，由表1 可知，橡胶坝的工程投资最省，其次为气盾坝，钢板坝工程投资最高。

表1 各坝型主要工程量及投资比较表

综合各因素分析成果，本工程推荐采用气盾坝方案。

5 结语

城市河道一般有打造沿河景观带的需求，同时也必须以满足城市防洪要求为前提。本文以钦江灵山县壅水景观坝为例，从地形地质条件、坝型适应性、建筑物布置、耐久性及运行维护、水景观、施工、投资等方面进行坝型比选，推荐采用气盾坝方案，满足灵山县城区打造“一江两岸”绿化带的城市规划要求，充分发挥了工程的防洪效益、生态效益、社会效益。