橡膠壩在河道治理工程中的應用研究

□（太原市水利勘測設計院）

橡膠壩在河道治理工程中的應用研究

□白手平（太原市水利勘測設計院）

隨著城市的發(fā)展，人們對城市河道建設提出了更多景觀、親水的要求，蓄水建筑物需要既滿足水利要求，又滿足城市發(fā)展要求，實現(xiàn)與城市景觀完美統(tǒng)一，所以河道蓄水建筑物的選擇至關重要，要求設計人員要注重蓄水建筑物的比選。文章主要結合筆者在工作中的經(jīng)驗，對橡膠壩、鋼壩閘、液壓壩及氣盾壩等蓄水建筑物的形式和應用及適用條件進行了探析，對它們在工程應用中的優(yōu)缺點進行了對比分析，以供參考。

河道治理；蓄水建筑物；設計方案

1 工程概況

九原區(qū)四道沙河河道疏浚工程位于包頭市九原區(qū)內的四道沙河上，工程北起哈屯高勒橋，南至京包鐵路橋，全長2.20 km。四道沙河位于包頭市青山區(qū)東側，整個防洪體系總流域面積132.89 km2，河道流向從出山口后向南沿著低洼地形流經(jīng)昌福窯子，過京包鐵路，經(jīng)紅旗農場、共青農場、穿包神鐵路，在畫匠營子村上游3.50 km處泄入黃河，為黃河干流的一級支流。

河道防洪標準為百年一遇，相應洪峰流量1 204 m3/s，堤防工程級別1級，蓄水工程等別Ⅴ等。該工程主要建設內容包括河道整治疏浚、堤防、蓄水等工程，河道斷面采用矩形斷面，河寬90～60 m，深5.20～5.70 m，河道設計縱坡3‰，堤防為鋼筋混凝土懸臂式擋土墻，治理段內布置2座橡膠壩，河底采用水平防滲，堤頂外側布置8 m寬搶險道路。

2 工程建設的必要性

四道沙河建設路橋以北的4.90 km河道，按照天然濕地工程和蓄水工程正在施工建設，在南部中央景觀大道至包神鐵路約1.80 km的河槽也進行了蓄水和堤防治理，上述經(jīng)治理的河道均達到百年一遇的防洪標準。該次治理段位于建設路橋與南部中央景觀大道之間，起點位于賽汗塔拉公園南端，賽汗塔拉公園南北長約3.50 km，東西寬1.40 km，占地面積約500 hm2，是全國唯一的都市草原，四道沙河流經(jīng)該公園，現(xiàn)狀河道寬約10 m，深約2 m，縱坡3‰，局部地段較窄，個別地段基本無河道，局部河段建筑垃圾隨意傾倒，雜亂無章，河道景觀差，生態(tài)環(huán)境惡化，防洪標準不滿足防洪規(guī)劃要求。與上下游治理完成的河道形成鮮明的對比，與周圍環(huán)境極不協(xié)調，嚴重威脅兩岸群眾的生命財產(chǎn)安全，因此該段河道整治建設是非常必要的。

3 工程設計方案

3.1 工程總體布置

根據(jù)河道過流能力計算，結合上下游河道斷面及工程占地等綜合因素確定河道斷面采用矩形斷面，河寬90～60 m，深5.20～5.70 m，河道設計縱坡3%，堤防為鋼筋混凝土懸臂式擋土墻，布置2座橡膠壩，河底采用水平防滲，堤頂外側布置8 m寬搶險道路。

3.2 堤防工程設計

根據(jù)河道行洪要求、蓄水防滲以及地質勘查結果，選用鋼筋混凝土懸臂式擋土墻，通過堤頂高程的確定、沖刷深度計算、抗滑穩(wěn)定計算、抗傾穩(wěn)定計算、防洪墻基底壓應力計算等，確定擋土墻總高6.90～7.40 m，頂寬0.40 m，底寬5.80～6.20 m，臨水面垂直，背水面坡度1：0.08，前趾長1.50 m，厚0.60 m，后趾長3.40～3.80 m，厚0.60 m，基礎埋深1.70 m。擋土墻每隔15 m分縫，縫內采用遇水膨脹橡膠止水帶止水，聚乙烯閉孔泡沫板填縫。

3.3 蓄水工程設計

3.3.1 蓄水工程的可行性

該段河道縱坡較緩，且比較順直，適宜形成蓄水水面。在汛期做好橡膠壩的安全運行調度，不影響河道行洪，且經(jīng)過治理后，減小了河床糙率，提高了河道泄洪能力，對兩岸的防洪是有利的。另根據(jù)城市總體規(guī)劃，工程區(qū)右岸擬建醫(yī)院，左岸擬建學校一座。河道蓄水形成面積約14.40萬m2的水面，可以改善周圍環(huán)境，帶動城市建設，促進核心區(qū)快速、協(xié)調發(fā)展，提升核心區(qū)整體水平。

3.3.2 蓄水工程規(guī)劃

考慮河道縱坡、蓄水深度以及水面的連續(xù)性，結合周邊景觀和綠化美化，擬布置2座擋水建筑物進行蓄水，最大擋水高度4 m，擋水長度60 m。

3.3.3 蓄水建筑物比較

在進行河道蓄水建筑物設計時，不僅要考慮到建筑物的整體功能，同時還要考慮到建筑物與周圍環(huán)境的融合性，從而選擇合適的建筑物形式，滿足河道行洪的同時，改善河道的生態(tài)功能和景觀功能。

蓄水建筑物的設計主要根據(jù)河道的比降、蓄水深度、施工造價、施工工藝等方面確定，并且要與景觀要求相符合。目前在河道蓄水建筑物中主要形式有：橡膠壩、鋼壩閘、液壓壩及氣盾壩等。

3.3.3.1 橡膠壩

橡膠壩是利用水或者氣體作為充壩的介質，從而形成擋水壩。所以，可以將橡膠壩分為充水壩和充氣壩，2種壩型相比，充水壩的應用時間更長，造價相對也較低。橡膠壩的建成主要由土建部分、壩體主體及錨固件和充水（氣）設備組成。橡膠壩在非汛期或者不需要擋水期可以進行水或氣體的排放，恢復河道的正常運行，所以其可以建在蓄水河道上，也可以建在泄洪河道上。其壩高通常在1.50～6 m，單跨長約100 m，當然，對于大型工程來說，也可以進行適當加高。但是橡膠壩有很大的一個缺點，即其在使用期間很容易出現(xiàn)破損現(xiàn)象，所以在進行壩體管理時要防止尖銳物體接觸壩體，防止造成漏水、漏氣現(xiàn)象。橡膠壩的特點：造價較低，施工簡單，施工期較短；工程主體為柔性結構，抗震性，抗沖刷性較強；其工程建設靈活方便，形態(tài)可以根據(jù)周圍環(huán)境進行改變，適應性較強。

3.3.3.2 鋼壩閘

鋼壩閘是一種新穎、美觀、實用的閘型，它在運用時升起閘門蓄水，放倒閘門行洪，可以適當調節(jié)開啟角度控制水位，同時門頂可溢流過水，形成人工瀑布的景觀效果，適合于閘孔較寬（1～60 m）而水位差比較小的工況（1～4 m）。鋼壩閘的閘門固定在一根底軸上，端頭用拐臂連接底軸與液壓啟閉機，通過液壓啟閉機驅動底軸的旋轉，來實現(xiàn)閘門的啟閉。閘門采用鋼材焊接而成，經(jīng)過特殊防腐處理，堅固耐用，運轉件采用高強度復合材料，在水下實現(xiàn)自潤滑。鋼壩閘的底止水和側止水始終完好貼合，因此止水效果好，又能阻擋雜物與泥沙的進入。鋼壩閘的特點：自動化程度高，結構簡單，管理方便，整體造價高；運行能耗低，維護成本小；不受漂浮物影響，控制更加準確，塌壩迅速，不影響防洪；閘門上部無建筑，景觀效果好，節(jié)約了土建成本。

3.3.3.3 液壓壩

液壓壩是近幾年來興起的1種攔河景觀壩，性價比高，壽命長，改善河道生態(tài)環(huán)境，適合于水面寬（30～500 m）和水頭差大的工況（1～7 m）。液壓壩由多扇單獨控制的閘門組合而成，可以同時啟閉，也可分別啟閉，利用三角支撐原理，在每扇閘門背后設置兩個液壓啟閉機，通過液壓啟閉機的伸縮帶動閘門進行啟閉，液壓壩可配置不銹鋼、碳鋼、混凝土3種閘門，液壓缸可采用單節(jié)或多節(jié)液壓缸，活塞桿可采用鍍鉻或鍍陶瓷工藝，并可配置自動化控制柜來實現(xiàn)自動和遠程控制。液壓壩的特點：①力學結構科學，堅固耐用，抗洪水能力強；②可調節(jié)閘門的角度來控制上游水位，形成瀑布景觀；③投資較大，無上部結構，無中墩；④適用性強，跨度大，水頭差大，景觀效果好；⑤塌壩快速，閘門緊貼河床不阻水，不影響防洪安全。⑥可開啟任意一扇閘門，沖砂效果好。

3.3.3.4 氣盾壩

氣盾壩也被稱作氣動盾形閘壩，是一種新型的擋水結構，其兼具橡膠壩和鋼閘門的優(yōu)點，剛柔并濟，該結構由美國0HI公司于20世紀90年代研制而成。其結構主要由盾板、充氣氣囊及控制系統(tǒng)等組成。利用充氣氣囊支撐盾板擋水，氣囊排氣后塌壩，氣囊臥于盾板下，可避免河道砂石、冰凌等對壩袋的破壞，氣囊內填充介質為氣體，塌壩迅速。液壓壩的特點：①結構簡單，安裝簡易；②具有充分的安全性，鋼制盾板充分保護橡膠壩袋，壩袋可提供具有充分的緩沖力，不懼怕大型漂浮物的突然沖擊；③生態(tài)景觀效效果好。壩頂溢流會形成瀑布，十分美觀；④管理運營成本低，但造價較高，運行中不會發(fā)生卡掛，無需經(jīng)常維護維修；⑤塌壩時盾板完全貼服于基礎，不阻水；⑥抗震能力更強，盾板與基礎之間是軟連接，不會因基礎變形造成系統(tǒng)失靈和喪失正常運行能力。

3.3.4 蓄水建筑物設計

本河道位于包頭市，屬于泄洪河道，河道寬60 m，河道較窄，蓄水高度較高，行洪流量較大。工程建設目的一是改善河道水環(huán)境，二是保證河道行洪安全。鑒于該工程實際情況，上述4種壩型從使用年限、安全性、工程投資等方面考慮，橡膠壩具有較大優(yōu)勢，確定采用橡膠壩蓄水方案。

3.3.4.1 使用壽命

一般來說，橡膠壩袋和氣盾壩充氣氣囊每15-25 a更換一次，而鋼壩閘和液壓壩由于其材料為金屬材料，所以使用年限一般可達30-50 a。

3.3.4.2 泄洪能力及安全性

四種壩型泄洪能力無明顯弱勢，橡膠壩和氣盾壩塌壩時間較長，鋼壩閘和液壓壩為液壓啟閉，塌壩迅速，抗突發(fā)能力較強。

3.3.4.3 工程造價及施工

四種壩型的工程造價鋼壩閘最高，液壓壩和氣盾壩適中，橡膠壩最低。橡膠壩發(fā)展較早，技術成熟，施工方便快捷較有一定優(yōu)勢。

4 結語

河道蓄水建筑物的建設關系到河道的抗洪能力和河道景觀建設。在進行蓄水建筑物選擇時，要根據(jù)周圍的環(huán)境和壩閘的特點來選擇合適的壩型結構，從而保證壩身建設的合理性，并且要充分考慮到經(jīng)濟因素、環(huán)境因素、施工因素等各個方面，從而合理控制造價，盡可能做到技術先進可靠，經(jīng)濟合理，資源有效利用。

TV644

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1673-8853（2017）01-0070-02

2016-11-12

（編輯：劉青）

白手平（1970-），男，工程師，主要從事水工專業(yè)設計工作。