梅河綜合治理工程攔蓄水建筑物壩型的比選

□李曉光（鄭州市水利建筑勘測設(shè)計(jì)院）

1 工程概況

梅河是貫穿鄭州航空港經(jīng)濟(jì)綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)的重要河道，干流全長37.50 km，流域面積115.20 km2。其中梅河綜合治理工程先期實(shí)施自省道102至南水北調(diào)中線總干渠段，全長7.37 km，是鄭州航空港經(jīng)濟(jì)綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)南部片區(qū)河道治理的先行者，具有積極的示范意義。

修建攔蓄水建筑物、攔蓄景觀水體是生態(tài)河道治理必不可少的工程措施。梅河綜合治理工程充分考慮河道長度、比降，水面面積，蓄水深度等多方面因素，并結(jié)合兩岸景觀規(guī)劃，最終確定沿河布置13座攔蓄水建筑物。本次梅河綜合治理工程，綜合考慮國內(nèi)目前運(yùn)用較為成熟的活動(dòng)壩壩型及近年來發(fā)展起來的新型活動(dòng)壩壩型，工程擬定以下4種方案進(jìn)行比選：橡膠壩、水力自控翻板閘、鋼壩、液壓升降壩。

2 各種壩型的特點(diǎn)

2.1 橡膠壩

優(yōu)點(diǎn)：緊貼河床不阻水，結(jié)構(gòu)簡單、工藝成熟，壩體跨度大、自重輕、抗震性能好。

缺點(diǎn)：安全性、可靠性相對較差，使用壽命較短；壩袋易被漂浮物或尖銳物損壞；洪水期坍壩調(diào)度與蓄水難以協(xié)調(diào)，運(yùn)行管理難度較大，需要提前了解上游洪水情況來決定壩袋充高與塌落；充水式橡膠壩冬季冰凍容易損壞壩袋，而充氣式橡膠壩不能調(diào)節(jié)壩高，不易控制下泄流量，容易水流集中引起河床局部沖刷，同時(shí)需配專人管理，冬天需破冰。

2.2 水力自控翻板壩

優(yōu)點(diǎn)：能根據(jù)上游水位自動(dòng)調(diào)節(jié)，造價(jià)低、結(jié)構(gòu)簡單，施工期短，運(yùn)行方便。

缺點(diǎn)：阻水相對嚴(yán)重，經(jīng)受不住特大洪水的沖擊；易被漂浮物卡塞或上游淤積不能自動(dòng)翻板；洪水過后，翻板門再關(guān)上時(shí)易被異物卡住，造成大量漏水。

2.3 鋼壩

鋼壩又稱底橫軸翻轉(zhuǎn)閘門，是一種新型可調(diào)控溢流壩，主要應(yīng)用于城市防洪、河道整治、河流蓄水、泄洪、景觀水利工程。

優(yōu)點(diǎn)：外觀簡單大方，水體可以長時(shí)間大流量的從壩頂溢流，瀑布景觀效果較好；結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，兩分鐘即可塌壩、立壩，緊急時(shí)可以手動(dòng)操作；任意開啟角度都可機(jī)械鎖定；塌壩以后可平于河底，不影響行洪；可以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的自動(dòng)化控制和網(wǎng)絡(luò)控制；抵抗對洪水沖刷破壞性好，使用壽命長，耐久性好；可將人工噴泉、景觀夜景燈光、音響等設(shè)備集成在鋼壩構(gòu)件中，景觀效果更加突出

缺點(diǎn)：造價(jià)相對較高。

2.4 液壓升降壩

液壓升降壩是一種新興的低水頭活動(dòng)壩，采用一排液壓缸直頂以底部為軸的活動(dòng)壩面的背部，實(shí)現(xiàn)升壩攔水、降壩行洪的目的；同時(shí)采用一排滑動(dòng)支撐桿支撐活動(dòng)壩面的背面，構(gòu)成穩(wěn)定的支撐墩壩。

優(yōu)點(diǎn)：壩面采用鋼筋混凝土或金屬結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)寬度只要求不高，同時(shí)液壓系統(tǒng)較為簡單，因此工程造價(jià)不高；力學(xué)結(jié)構(gòu)科學(xué)，抗洪水沖擊的能力強(qiáng)；壩面放倒后，行洪、沖沙、排漂效果良好；可采用浮標(biāo)開關(guān)控制，操作液壓系統(tǒng)，以達(dá)到無人值守；壩面高度可隨意調(diào)節(jié)。

缺點(diǎn)：對施工安裝技術(shù)要求較高。

3 壩型綜合比選

3.1 防洪與蓄水

梅河汛期與非汛期河道流量相差懸殊，因此為協(xié)調(diào)防洪與蓄水矛盾，要求攔蓄水建筑物在汛期能夠快速塌壩，汛后又能及時(shí)恢復(fù)擋水狀態(tài)。翻板閘、鋼壩和液壓升降壩通過工程設(shè)定可以滿足該要求，橡膠壩則需要收集上、下游水文資料經(jīng)分析后再做決策，相應(yīng)及操作時(shí)間相對長。

河道行洪時(shí)要求攔蓄水建筑物盡量少占河道斷面，相對而言翻板壩占用河道行洪斷面較多，因此翻板壩設(shè)計(jì)時(shí)一般對河道寬度有一定要求，而橡膠壩、鋼壩閘和液壓升降壩在行洪時(shí)均緊貼河床，基本不影響河道行洪。

由于河道行洪涉及到城市居民生命財(cái)產(chǎn)安全，因此在攔蓄水建筑物不能自行塌壩時(shí)，可以強(qiáng)行控制塌壩，橡膠壩、鋼壩和液壓升降壩均具備此條件。

3.2 淤積影響

4種壩型在洪水過后對淤積泥沙反應(yīng)有所不同，泥沙淤積小且較為松散時(shí)，翻板壩可以正常回落，一旦淤積厚度較大或泥沙板結(jié)，通過回門縮小過流斷面不能沖開淤積，那么閘門就不能正常回門，將影響正常蓄水。橡膠壩一旦壩面淤積較厚，將對充水設(shè)備提出較高要求或者要求人工清理，否則壩袋不能正常升降。鋼壩和液壓升降壩則可以通過液壓裝置強(qiáng)行頂開壩面淤沙升壩，由于這兩種壩型設(shè)計(jì)時(shí)考慮了過水時(shí)升壩工況，因此頂開淤積對液壓裝置沒有特殊要求。

3.3 漂浮物的影響

汛期漂浮物（特別是樹枝）可能卡住翻板閘導(dǎo)致起翻或回落困難，又沒有強(qiáng)制起落設(shè)施，極有可能會(huì)對威脅到行洪安全；漂浮物尤其是是尖銳物可能刺穿或損傷橡膠壩壩袋。上述隱患對鋼壩和液壓升降壩均不存在，而且可以在損失極小水量前提下方便排污。

3.4 運(yùn)行管理

鋼壩和液壓升降壩既可采用浮標(biāo)開關(guān)控制，操作液壓系統(tǒng)，達(dá)到無人管理，根據(jù)洪水漲落，實(shí)現(xiàn)活動(dòng)壩面的自動(dòng)升降，管理方便；也可通過人工操作液壓系統(tǒng)，快速有效的控制壩的升降，可靠性高。橡膠壩則需要收集上、下游水文資料經(jīng)分析后再?zèng)Q策升、塌壩，而且升、塌壩操作時(shí)間長，運(yùn)行成本高。翻板壩根據(jù)上游水位自動(dòng)調(diào)節(jié)，雖然管理運(yùn)行方便，但是它易被漂浮物卡塞或上游泥砂淤積，這樣造成不能自動(dòng)翻板而影響防洪安全，可靠性較差。

3.5 維護(hù)管理

鋼壩主要是機(jī)械啟閉系統(tǒng)維護(hù)保養(yǎng)，其保養(yǎng)費(fèi)用較低，除管理人員的工資外，一年只需維護(hù)費(fèi)用幾千元。而橡膠壩3-5年壩袋需進(jìn)行全面檢查，使用8-10年需涂一層防老化層，最多運(yùn)行15年則需要更換壩袋，運(yùn)行管理費(fèi)用高。液壓壩耐久性好，只要壩面結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)正常維護(hù)，工程耐久性比橡膠壩要長，機(jī)械啟閉系統(tǒng)日常保養(yǎng)和運(yùn)行管護(hù)費(fèi)用較低，維護(hù)費(fèi)同鋼壩相當(dāng)，門板和啟閉裝置在正常維護(hù)保養(yǎng)情況下長時(shí)間無需更換，由于河道含沙量低，因此清淤量也不大。

3.6 工程投資

鋼壩方案投資最大，水力自控翻板壩、橡膠壩和液壓升降壩工程投資接近，相對較低。4種壩型方案主要工程量及投資（按壩長40m計(jì)算）比較見表1。

3.7 使用壽命

表1 4種壩型方案主要工程量及投資比較表

鋼壩使用壽命可達(dá)50-60年，液壓升降壩、翻板閘活動(dòng)壩面均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其使用壽命在30-50年，而橡膠壩使用15-20年后需更換壩袋。

3.8 技術(shù)可靠性

近幾十年來，在城市景觀河道治理中，大量應(yīng)用充水和充氣式橡膠壩，技術(shù)成熟，相關(guān)配套設(shè)備制造安裝經(jīng)驗(yàn)豐富，可靠性較高；鋼壩和液壓升降壩是近幾年發(fā)展起的新壩型，對機(jī)械裝置安裝精度要求較高，但結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)管養(yǎng)方便，可靠性好，尤其適用于城市景觀河道；水利自控翻板壩出現(xiàn)較早，對安裝精度要求較高，由于非機(jī)械控制，因此可靠性一般，且不適宜排洪河道（上游洪水夾帶雜物易造成卡塞）。

3.9 美觀程度

作為低水頭擋水工程，上述4種壩型均具有較好的景觀效果，橡膠壩可采用彩色壩袋，調(diào)節(jié)單調(diào)的河道配色；液壓升降壩和鋼壩壩面可噴色彩、文字、圖案，上游水量較大時(shí)形成瀑布景觀和水簾長廊景觀,可供游人觀賞。在鋼壩基礎(chǔ)上進(jìn)一步拓展，可將人工噴泉、景觀夜景燈光、音響等設(shè)備集成在鋼壩構(gòu)件里而成，除具有鋼壩的優(yōu)點(diǎn)外，景觀效果更加突出，整合成為專業(yè)的水景壩。

4 方案的確定

攔蓄水建筑物不僅要滿足河道傳統(tǒng)的防洪排澇要求，而且要與鄭州航空港經(jīng)濟(jì)綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)總體規(guī)劃和定位相適應(yīng)，體現(xiàn)城市特色和景觀面貌。景觀河道中攔蓄水建筑物的選型必須綜合考慮，選用即能保證結(jié)構(gòu)安全可靠又能與周邊城市景觀有機(jī)結(jié)合的閘壩型式。

梅河綜合治理工程共布置13座攔蓄水建筑物。主力壩型采用造型美觀、運(yùn)行可靠、技術(shù)領(lǐng)先、造價(jià)適中的液壓壩；兩處湖泊上游為便于靈活控制水位，以及從營造景觀亮點(diǎn)的角度考慮選用景觀鋼壩；河道最上游段對水位的靈活控制要求不高，亦不作為河道的景觀重點(diǎn)，因此選用相對經(jīng)濟(jì)的橡膠壩。綜上所述，梅河綜合治理工程共沿河布置液壓升降壩10座、景觀鋼壩2座、橡膠壩1座。

5 結(jié)語

攔蓄水建筑物的方案比選在城市景觀河道設(shè)計(jì)中較為常見，鄭州航空港經(jīng)濟(jì)綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)梅河綜合治理工程對橡膠壩、水力自控翻板閘、鋼壩、液壓升降壩4種壩型進(jìn)行了綜合比選，最終確定采用以液壓升降壩為主、鋼壩和橡膠壩為輔的3種壩型設(shè)計(jì)方案。該方案通過了專家審查，也得到了業(yè)主方的滿意和認(rèn)可，目前工程已進(jìn)入實(shí)施階段。