汾河新二壩設計方案比選

張世泉

（山西省水利水電勘測設計研究院有限公司，山西 太原 030024）

1 工程概況

汾河新二壩項目為汾河流域生態修復項目的一部分，項目區位于太原市劉家堡鄉劉家堡村，上游綜合治理三期工程與下游二壩之間的河道，距離太原市區34.7 km，河道上跨河橋梁為劉家堡大橋。工程主要目的是通過在河道上設置蓄水閘壩，抬高河道水位，在河道內形成蓄水水面，實現三期工程與中游核心區水面連續，同時增補地下水，改善河道及周邊生態環境；工程閘壩處設置船閘建筑物，實現三期工程至二壩之間游船通行。

本工程蓄水區河道按20 年一遇洪水設防，設計洪水流量1 420 m3/s，主要建筑物按20 年一遇洪水設計，50 年一遇洪水標準校核，校核洪水流量1 970 m3/s。

三期工程與二壩之間河道呈南北向展布，長約13.5 km，現狀河道寬約300 m，右岸大堤緊臨城市濱河西路，兩岸堤頂高程分別為左岸765.5～773.46 m，右岸762.0～773.30 m，堤頂寬約6 m，河道內現有主槽，主槽寬約60～80 m，深2.6 m 左右。工程主要建筑物包括壅水閘壩和船閘等。壅水閘壩包括主槽段弧形門擋水閘和兩岸灘地鋼壩閘。因有游船通行要求，同時考慮現狀河道兩岸未設排污涵，太原城市污水排放直接進入蓄水區，在滿足河道行洪前提下，在河道主槽中部布置船閘通航，船閘兩側布置少占行洪斷面的大孔寬弧形門擋水閘，來排沙、蓄水更新置換等，左、右兩岸灘地布置鋼壩閘通過壩頂溢流滿足日常污水排放的要求。

本蓄水工程為Ⅳ等工程，相應壅水閘壩及岸墻等建筑物級別為4 級。根據通航規模，船閘采用單級單線船閘，工程等級為Ⅶ級，相應永久性主要建筑物級別為4 級，靠船、導航建筑物級別為5 級，臨時建筑物級別為5 級。

2 閘壩方案布置

本段河道右臨濱河西路，左接太原市綜型改革發展起步區，河道寬度目前無法拓寬。為實現三期工程與二壩之間河道水面連續，主槽通航，經過現場實地勘看，根據下游回水關系、河床高程、通航條件、大橋影響等提出以下兩種閘壩方案。

2.1 河道內設置一道閘壩方案（方案一）

一道閘壩布置在劉家堡大橋下游，壩址位于劉家堡大橋下游約1.7 km 處。根據下游二壩正常蓄水位764.01 m，主槽回水可達劉家堡大橋以上約1 km，且當地農民在河道兩岸灘地內填土造地，兩岸灘地回水受限，實際灘地回水長度約4 km，（此處灘地高程在764.0 左右，局部低洼）。按灘地上回水水深0.5 m 考慮，閘底板高程不得超過763.5 m，實測劉家堡大橋以上灘地高程在765.0 m 以上。為解決全河道灘地水面連續問題，閘壩布置在劉家堡大橋下游。此處河床主槽高程約761.5 m，水深2.5 m，同時滿足1.2 m 的最低通航水深要求。

閘前正常蓄水位同時滿足低于劉家堡大橋橋底高程（約768.6 m），淹沒三期末端兩岸灘地（大部分高程767.5—768.4 m），游船通行最低水位766.3 m 這三個條件，最終確定為768.0 m，對三期下游灘地進行局部清淤以實現全槽蓄水。王家堡大橋橋底距離設計最低通航水位2.3 m，小于過橋通行凈空3 m，限制了通航，本方案考慮拆除重建大橋。

一道壩方案布置見圖1。

圖1 一道壩方案布置圖

本方案中壩總長291.0 m，在主槽中部布置通航建筑物船閘，船閘主體建筑橫剖面為整體式“U”字形鋼筋混凝土結構，總寬19 m，其中左、右閘墩寬5.0 m，閘室凈寬9 m；船閘兩側各布2 孔弧形門閘擋水，總長44.0 m，單孔凈寬8 m，閘前擋水高度6.0 m；左、右兩側灘地布置參考目前已運行的鋼壩閘工程閘門規模以及市場上鋼閘門生產廠家的制造水平，灘地鋼壩閘共布置6 孔，單孔凈寬為30 m，閘底軸直徑1.0 m，壩高4.5 m。

2.2 河道內設置二道閘壩方案（方案二）

根據三期和二壩間河道高程關系，1#、2#閘壩分別布置在劉家堡大橋上、下游側。據二壩正常蓄水位確定2#壩閘底高程763.5 m，位置選在距二壩約4 km處，灘地高程764.0 m 左右，主槽高程761.3 m，水深2.7 m，滿足游船通行的最小水深要求，灘地可通過部分清淤形成全河槽水面。1#、2#閘壩之間水面高程由劉家堡大橋橋底滿足游船通行決定，劉家堡大橋橋底高程768.6 m，水面以上船高按2.3 m 考慮，則1#、2#閘壩之間水面不得高于765.5 m，為達到全槽水面，要求1#閘壩閘底高程不超過765.0 m，1#閘壩位置選在劉家堡大橋上游700 m 處，距三期約5.6 km，壩址處主河槽762.0 m，水深2.0 m，滿足游船通行的最小水深要求，灘地高程765.0 m，通過部分清淤可形成全槽水面。1#壩以上水面由三期末端灘地高程確定1#壩閘前擋水位為768.0～768.5 m。

1#壩總長311 m，主槽建筑物垂直水流方向尺寸同方案1，擋水高度6.0 m；灘地共布置5 孔鋼壩閘，單孔凈寬40.0 m，總長248 m，壩高3.0～3.5 m。2#壩主槽建筑物同1#壩，擋水高度4.0 m，灘地共布置5 孔鋼壩閘，總長248 m，壩高2.0 m。

兩道壩方案設計見圖2。

圖2 兩道壩方案設計圖

3 閘壩方案比較

這兩種閘壩布置，主槽段均為船閘和弧形閘門，凈寬尺寸相同，故只對河道行洪安全影響比較大的兩岸灘地鋼壩閘布置進行比較。

3.1 工程布置

方案一中灘地上鋼壩閘擋水高度4.5 m，壩高4.5 m，閘底軸直徑1.0 m，閘門規模大；因擋水位較高，啟門力較大，傳導至閘墩的水平力很大，對閘墩抗滑穩定不利，經計算閘墩邊墻厚度1.0 m，底板厚度2.0 m，穩定安全系數才能滿足規范要求；相應啟閉機選型容量增大，單臺為2 000 kN。方案二中壩高低，閘底軸直徑0.8 m，閘門規模較小；啟門力較小，計算閘墩穩定時，閘墩邊墻厚度減至0.8 m，底板厚度減薄至1.6 m，閘墩抗滑穩定就能滿足；啟閉機容量小，單臺為1 000 kN。所以，方案二在閘壩規模、閘墩抗滑穩定方面優于方案一。

3.2 通航條件

方案一蓄水后，現狀劉家堡大橋底部距蓄水面0.6 m，參照內河通航標準以及參考其他工程，游船通行凈空高度定為3.0 m，拆除大橋后方可通行。方案二中當兩道閘壩蓄水后，距水面距離為3.1 m，游船可順利通過大橋。因此方案二比方案一通航條件優越。

3.3 河道行洪

方案一增加了灘地閘的孔數，相應閘墩數增多，束窄河道過流凈斷面，發生校核洪水時，經計算閘前水面壅高值為0.69 m，同時蓄水區兩岸堤防超高不夠，對河道行洪不利。而方案二中，河道過流凈寬為200 m，比方案一增加20 m 及1 個閘墩寬度，河道泄洪寬度加大，計算的水面壅高值為0.35 m，兩岸堤防超高滿足要求，對河道行洪有利。方案二比方案一利于河道行洪。

3.4 蓄水對兩岸堤防的影響

本蓄水區兩岸均為土質防洪堤，兩岸堤頂較為平緩，左岸堤高4.5～6.2 m，堤頂寬約6 m；右岸堤高4.3～6.5 m，堤頂寬約6 m。據調查，筑堤時主要在河漫灘取土。堤身巖性主要為淺黃、褐黃色粉土質砂，含細粒土砂及低液限粉土組成，局部夾低液限粘土透鏡體，結構松散，偶含碎石及煤屑，土質不均，質量較差。大堤兩側邊坡較陡且大部無防護，僅局部內側邊坡有少量漿砌石護坡。

針對方案一和方案二中不同蓄水位，采用河海大學工程力學研究所編制的水工結構有限元分析系統《AutoBANK》（V7.08 版），對兩岸堤防滲流穩定進行計算。經過計算發現，因方案一中河道蓄水位較高，導致兩岸大堤邊坡中浸潤線抬高，邊坡出口段滲流坡降0.3 大于允許坡降0.25，邊坡滲透變形不穩定；而方案二中滲流坡降0.22 小于邊坡允許坡降，同時計算出的各種工況下邊坡的抗滑穩定安全系數均大于規范允許值。

上述比較發現，若長期蓄水，方案二對兩岸堤防穩定沒有影響，明顯優于方案一。方案一需要對堤防采取邊坡加固處理措施，需增大工程投資。

3.5 工程對社會及環境的影響

3.5.1 社會影響

方案一中為滿足通航，必須拆除劉家堡大橋，此橋東連石（溝）榆（次）線，西接黃（陵）古（交）線，是連接南郊區的重要橋梁，如果重新規劃交通走向，涉及兩岸耕地征地補償、路線選擇等諸多問題。拆除后，兩岸居民必須繞道而行，加大了出行成本，一段時間內必然嚴重影響兩岸居民生活、生產活動，社會影響較大。

3.5.2 環境影響

方案一和方案二中蓄水區正常高水位768.0 m，兩岸浸沒地下水臨界埋深農業區為1.0 m，居民區為2.0 m。兩岸耕地高程764.0～769.5 低于浸沒地下水臨界高程769.0 m，靠近兩岸居民地現狀大部分高程767.5～770.0 m 低于浸沒地下水臨界高程770.0 m。長期蓄水后，河水將通過谷底及堤基滲漏至堤外，引起堤外地下水位抬升，使堤外居民區及耕地地基土飽水、房屋潮濕、地面沼澤等，并產生淹沒及浸沒問題。因方案一中蓄水區長度比方案二長，影響范圍比方案一大。因此，在社會及環境的影響方面，方案二優于方案一。

3.6 工程投資

方案二中因修建兩道閘壩，土建工程量中土方量、混凝土、鋼筋量以及上下游連接工程量成倍增加、配套機電設備數量翻倍，投資估算為2.6 億，方案一中，工程投資加上大橋拆除重建費用，投資估算2.2億。

綜上所述，盡管方案一投資較小，但在工程布置、社會及環境影響、河道行洪、通航條件等方面方案二明顯優于方案一，故推薦采用方案二。

4 結語

河道上建造閘壩工程方案選擇考慮因素眾多，投資大小不能成為唯一決定條件，更應該從閘壩布置、河道行洪、通航條件、社會及環境等多方面進行綜合比較，最后擇優選擇合理的閘壩方案。