大同御河蓄水工程蓄水建筑物方案比选

沈 圆

（山西省水利水电勘测设计研究院有限公司 山西太原 030024）

1 项目背景

御河是海河流域永定河水系桑干河的一级支流，发源于内蒙古自治区丰镇市西北部的三义泉乡宋家沟村，上游干流称饮马河，由北向南流经丰镇市，新荣区堡子湾乡镇姜村流入大同市境内，从大同市南部的吉家庄村汇入桑干河。御河全长155 km，其中大同市境内长78.3 km，流域面积2 529 km2，河道平均比降3‰。御河的主要支流有圈子河、万泉河、淤泥河和十里河。

本次御河蓄水工程位于大同市御河城区段，为在建项目大同市御河南环桥至京大高速桥综合治理工程的非蓄水段，治理长度1.8 km。项目区上游为在建的大同市御河南环桥至京大高速桥综合治理工程的蓄水段，治理长度5.2 km，项目区下游为大同市十里河入御河交汇处在建生态湿地工程。

项目区上、下游河道目前均在进行河道治理和蓄水工程建设。考虑城区段御河治理的整体性，根据大同市的规划发展方向及大同市政府要求，在该段河道进行蓄水，使大同市御河城区段由上游至下游形成完整的水面。

2 基本情况

治理段位于大同城区，根据《防洪标准》，结合《大同市城市总体规划》，本次治理防洪标准采用100 年一遇，洪峰流量为1 910 m3/s。根据《堤防工程设计规范》，堤防的建筑物等级为1 级。

为了实现连续蓄水，本项目将在主槽内新建2 座蓄水建筑物，水闸高度均为3.5 m，宽度均为280 m，蓄水长度均为1.2 km，两座蓄水池蓄水量分别约为78.0 万m3和56.0 万m3，根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》中库容规模，确定蓄水建筑物为Ⅴ等5 级。

根据《建筑抗震设计规范》《中国地震动峰值加速度区划图》及《中国地震动反应谱特征周期区划图》，确定工程区设计基本地震峰值加速度值为0.20 g，特征周期值为0.40 s，抗震设防烈度为8 度。

由于长期采砂致使深坑遍布河道，地形起伏不平，并且部分采砂坑已被建筑、生活垃圾填平。由于回填物结构松散、厚度不一、物理力学性质存在差异性，且回填物成份部分为生活有机垃圾，随着时间的推移会逐渐腐化变形，引起地表沉降。因此蓄水区存在较严重的不均匀沉降问题。

3 蓄水建筑物方案比选

3.1 比选方法

本项目的重点、难点在于防洪标准为100 年一遇，过流能力、汛期防洪安全首当其冲；蓄水建筑物地基处于不良地层，存在不均匀沉陷变形的工程地质问题，需要采取换填并夯实等工程措施，也是重要影响因素之一；由于蓄水建筑物蓄水宽度较宽，工程投资相应较高；城区段蓄水也有较高的景观要求。

河道蓄水主槽控制线距离为280～390 m，堤防控制线间距为300～550 m，本次蓄水闸设计按照3.5 m 坝高和280 m 宽的河道为控制断面。

蓄水建筑物不仅需满足日常立坝蓄水、汛期塌坝运行，保证河道的行洪安全，还须考虑蓄水建筑物工程造价、施工、运行管理等多方面要求。在河道蓄水工程中国内常用的景观蓄水闸坝有橡胶坝、钢坝闸和液压坝。结合本工程具体情况对上述三种坝型进行综合比较，旨在选择合理的蓄水建筑物，发挥最大功效。

1）通过稳定计算及应力分析确定各蓄水建筑物的结构断面尺寸，依据《水闸设计规范》，稳定计算和应力分析应满足：（1）本工程水闸级别为5 级，基本组合和特殊组合Ⅰ、Ⅱ时，抗滑稳定安全系数的允许值分别为1.20、1.05、1.00；（2）依据地质资料，地基允许承载力为80～100 kPa，在各种计算工况下，闸室平均基底应力均不大于地基允许承载力，最大基底应力均不大于地基允许承载力的1.2 倍；（3）闸室基底应力的最大值与最小值之比即不均匀系数的允许值分别为2.0、2.5。

2）根据不同蓄水建筑物结构断面尺寸、闸门形式及对地基的要求，分别计算工程投资。

3）综合分析各蓄水建筑物的造价、景观效果、施工难易程度及运行管理等，确定合理的坝型。

3.2 建筑物比选

1）方案一橡胶坝

橡胶坝通过对橡胶充水达到立坝蓄水目的，一般需要2～3 h 才能完全升起或塌坝，坝高一般较小时采用。本次橡胶坝设计采用坝高3.5 m，其中坝袋高3.0 m，地坎高0.5 m，每68.5 m 需要增设一个宽度2 m 中隔墩，共需三组中隔墩，底板顺水流方向长度为10.0 m，厚度为2 m，单跨底板混凝土用量约为1 370 m3，总用量约为6 300 m3，工程投资约3 200 万元。

优势：橡胶坝对地基要求低，土建成本低，设备成本小，工程投资少；坝袋较轻，便于安装。劣势：对洪水暴涨暴落的北方河道，橡胶坝自排或抽排塌坝时间较长，汛期防洪压力较大，且中墩会引起水位壅高；坝前淤积后，冲沙清淤困难；需经常清理杂物以防坝袋破坏；坝袋使用寿命大约10～15 年，坝袋老化挂污后景观效果差。

2）方案二钢坝闸

钢坝闸靠两端液压启闭机推动，通过底轴传导到门体，立坝塌坝运行速度较快。本次钢坝闸设计采用坝高3.5 m，每66.25 m 一跨，每跨之间需要增设一个宽度约5 m 中墩启闭机室，共需三组。根据稳定计算，底板顺水流方向长度为18.0 m，上游底板6.0 m、厚度2.5 m，下游底板12 m、厚度2.0 m，单跨底板混凝土用量约为2 950 m3，总用量约为11 800 m3，单个启闭机室混凝土用量约为850 m3，五个启闭机共计用量约为4 250 m3，工程投资约7 800 万元。

优势：钢坝闸采用液压启闭机启闭，运行速度可达2～3 m/min，一般工程不超过15 min 即可完成升坝和塌坝，这样可有效保证突发洪水时能及时塌坝泄洪，保证行洪安全；使用寿命可达50 年；坝前淤积后，单跨塌坝便于冲沙清淤；自动化控制更便利；蓄水后景观效果较好。劣势：由于钢坝闸为66.25 m 单跨门体，对地基要求高；土建成本高，设备成本大，工程投资多；虽然立坝塌坝迅速，但中墩会引起水位壅高；多跨连续挡水时还须增设底板廊道或上部桥梁等措施满足检修通行。

3）方案三液压坝

液压坝是通过闸门背后液压启闭机实现升坝拦水、降坝行洪的目的，可由多扇门体组成，并利用各扇门体间的止水形成整体挡水，不设中墩，坝宽不受限制。本次液压坝设计采用坝高3.5 m，水闸底板分缝长度均为10 m（共28 块），底板顺水流方向长度为12.0 m，上游底板4.0 m、厚度2.0 m，下游底板8.0 m、厚度1.5 m，单块底板混凝土用量约为185 m3，总用量约为5 180 m，工程投资约6 200 万元。

优势：液压坝同样采用液压启闭机启闭，运行速度基本与钢坝闸相同，立坝塌坝迅速，保证行洪安全；对地基要求较低；土建成本较低，设备成本较小，工程投资较少；坝前淤积后，任何一跨门体均可单独塌坝，便于冲沙清淤；自动化控制更便利；蓄水后景观效果较好，使用寿命可达50 年。劣势：多扇门体之间靠止水闭合挡水，运行期间容易出现止水老化等局部漏水现象；液压缸长期位于水位以下容易淤积和老化。

3.3 综合分析

根据本次蓄水工程的布置方案、御河河道特点及蓄水区特殊的地质条件，通过对不同蓄水建筑物坝型方案进行综合比选，确定液压坝为本次项目的较优方案。在御河城区段蓄水工程完建后，充分发挥其塌坝迅速、利于冲沙、过流能力强、综合投资较低、使用年限长、景观效果显著和运行管理方便等特点。

4 结论与经验

由于不同的河道有着各异的水流条件、防洪标准以及地质情况等，在优先考虑满足相关规范要求的前提下，可通过综合比选，选取最适合的蓄水建筑物。