高原城市河流生態景觀壩選型研究

唐 虎

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

近年來，隨著海綿城市建設概念的提出，城市建設中把水環境、水生態、水文化理念提升到了新的高度，從而使城市具有良性的水循環、良好的生態環境和優美的城市景觀系統。在此背景下越來越多的城市開始在城市中心河道上修建各類生態景觀壩，常見的壩型有水閘、橡膠壩、鋼閘壩、氣盾壩等。

高原地區河流具有高寒、高海拔、紫外線強、推移質含量高、生態環境脆弱等特點，傳統的生態景觀壩壩型在高原地區運用過程中也遇到了一些新的問題，因此如何選擇一種經濟美觀，適應高原環境且運行簡單可靠的生態景觀壩，是高原地區生態景觀壩建設的重點考慮問題。

1 工程概況

拉薩河發源于念青唐古拉山脈南麓，海拔高度從源頭的5 500 m到河口的3 580 m，是世界上海拔最高的河流之一。拉薩河是拉薩市的母親河，位于拉薩市區南部，主流游擺不定，為典型的游蕩性河道，枯水期邊灘裸露，風沙肆虐。

根據《西藏自治區拉薩市拉薩河(城區段)綜合整治工程規劃》，拉薩河城區段規劃建設6道水壩，形成湖面景觀，改善城區段河流生態條件。目前該段河道已經修建完成2號(橡膠壩)、3號(水閘)和4號(橡膠壩)三道擋水壩，對改善拉薩市城區生態環境發揮了重要作用。

6號閘為拉薩河城區段綜合整治工程的首級水閘，擋水高度3～4 m，其主要工程任務為：在不影響河道行洪能力的前提下，通過新建攔河閘壩抬高水位形成湖面景觀，改善河道生態環境，提升城市整體形象，同時兼顧兩岸的交通需求。6號閘址位于納金大橋下游，河床寬度約為600 m。

2 常用景觀壩壩型

城市生態景觀壩發展進程中常用的幾種類型有水閘、橡膠壩、鋼閘壩、氣盾壩等，以下對幾種不同的攔河建筑物分別進行介紹。

水閘：傳統水閘是水利工程中應用廣泛、技術成熟的水工建筑物，一般由閘室、兩岸連接段和上下游連接段所組成。水閘通過閘室安裝水工鋼閘門實現擋泄水功能。

橡膠壩：一種隨著高分子合成材料工業發展而出現的擋水建筑物，由高強度帆布做強力骨架與合成橡膠構成，錨固在基礎底板上，形成密封袋型，用水或者氣壓力充脹形成擋水壩。

鋼閘壩：一種新型可調控溢流壩，由土建結構、帶固定軸的鋼性壩體、驅動裝置設備等組成。

氣盾壩：結合傳統鋼閘門和橡膠壩優點的一種新壩型，由擋水鋼板、氣袋和氣動系統組成。氣袋支撐在鋼板下游面，利用氣袋的充氣或排氣控制門體起伏和支承閘門的擋水，并可精確控制閘門開度。

3 6號閘壩型初選

拉薩河6號閘位于拉薩市的中心城區，閘址兩岸主要有學校、機關、企事業單位等。由于6號閘所處的特殊地理位置，因此在壩型的選擇上不僅要考慮使用功能的要求，還要考慮到美觀、經濟、運行管理簡單等多方面因素。拉薩河城區段的2號、3號、4號閘已經建成運行，因此在閘型選擇上要吸取已建水閘的運行管理經驗，以及聯合運行管理的協調性等方面的問題。

3.1 水 閘

傳統水閘是水利工程中應用廣泛、技術成熟的水工建筑物。

優點：(1)結構簡單、安全可靠、耐久性強和后期維護費用低；(2)能通過閘門開度靈活控制上下游水位，滿足水位控制和泄流沖沙等方面要求；(3)對抵抗泥沙磨損、水流沖蝕、冰凍影響有較強的適應性。

缺點：(1)單孔寬度較小，孔數及隔墩較多；(2)閘室總寬大，水工建筑物工程量大，運行管理人員較多，投資也較大；(3)景觀效果較差。

拉薩河3號閘(見圖1)由于有兩岸的交通要求，因此在閘型的選擇上，選用了水閘方案，從實際運行效果來看，建筑物結構較為臃腫，汛期泄洪壅水高度較高，運行維護管理人員多，在水閘局部開啟時，出閘水流速度大，下游沖坑深度深。

圖1 拉薩河3號閘示意

3.2 橡膠壩

橡膠壩是目前城市河道擋水工程較為常用的結構形式。橡膠壩泄流時是下泄表層水，不利于沖砂、排污。橡膠壩運行時噪音達70 dB左右，給兩岸居民的生活造成不便。

優點：(1)過壩流態相對平順穩定，跨度大，中間隔墩阻水面積小，對河道行洪影響較小，較易與周圍景點和環境相協調，適宜擋水高度一般不超過5 m；(2)工程一次性投資較小，施工方便，工期短；(3)景觀效果好。

缺點：(1)橡膠壩運行管理較復雜，安全可靠性差，起塌壩時間長，調度靈活性較差；(2)橡膠壩袋容易被河流中尖利物沖撞或穿刺而破壞，使用壽命短(約10～15年更換一次壩袋)，特別是拉薩河河道比降大，行洪時河道硬質的推移質含量大，且由于拉薩紫外線輻射強，壩袋耐久性較差、易老化，壩袋更換頻率高；(3)壩袋容易遭人為破壞，維修養護要求高，每次行洪后均需及時檢查，后期運行管理費用較高；(4)不能兼顧交通功能。

拉薩河2號閘、4號閘由于壩軸線長度相對較短，且沒有兩岸交通需求，因此閘型上選擇了工程投資相對較低的橡膠壩(見圖2)，從實際運行效果來看，其達到了生態景觀壩的運行功能要求，但是仍存在泄洪噪音大，生命周期短等缺點。

圖2 拉薩河2號、4號閘示意

3.3 鋼閘壩

優點：(1)閘門啟閉控制系統可靠；(2)鋼結構門體耐砂石磨損，耐久性強；(3)可任意高度擋水，形成不同角度的瀑布效果，總體景觀效果較好。

缺點：(1)受啟閉控制系統影響，單跨閘門寬度不能過大，否則驅動底軸尺寸太大；(2)底軸密封受底部河床泥沙影響較大，泥沙的磨蝕極易造成密封失效、磨損、卡軸等情況；中間壩段需設置單獨控制系統，同時須設置交通橋(或水下廊道)至各閘墩，土建及金結、機電成本大大增加；(3)相對于其他景觀閘型投資高。

圖3 典型鋼壩示意

3.4 氣盾壩

氣盾壩是綜合橡膠壩、鋼閘壩二者之長的新型擋、泄水建筑物，由盾板、氣囊、充排系統等組成，其擋水高度一般在2～5 m之間，兼具了鋼閘壩、橡膠壩的優點，又在一定程度上克服了二者的不足。

鋼盾板提供正面擋水，具有充漲功能的橡膠氣囊提供擋水盾板的支撐，基礎錨固螺栓和軟連接構筑壩的整體結構，氣動充排系統提供運行動力，實現升壩和降壩。擋水運行時，支撐氣囊隱蔽在盾板之后，水流和漂浮物越盾板而過，支撐氣囊和附屬系統不受沖刷。降壩泄洪時，盾板將氣囊完全覆蓋，氣囊與流水、沙石、冰凌完全隔開，也不因流水的拍打、震動產生磨損，氣囊處于更安全的保護環境(如圖4所示)。

圖4 氣盾壩鋼盾壩擋水、泄水示意

氣盾壩具有如下優點：(1)在較為寬闊的河道上，氣盾壩單跨寬度布置靈活，最大跨度可達到120 m，可有效地減少閘墩的布置數量；(2)閘門全開時，門體全部倒臥在河底，基本與原河床高度持平，不影響景觀、通航和水生動物的回游，有利于行洪、敞泄沖沙；(3)可結合橋梁閘墩靈活進行布置，在橋梁下部或下游側實現擋水功能；(4)與其他壩型比較，其安全性更高，不存在因斷電造成壩袋塌落不下或塌落不充分的危險，在手動和電動模式均可完成排氣，實現順利泄洪，特別是在電力中斷的狀態下，運行具備最基本的安全保障。

根據河道特性及6號閘工程的功能定位可知，拉薩河兩岸跨度較大，汛期泥沙含量高，且需要兼顧兩岸交通建橋需求(見圖5)，氣盾壩在這幾個特性方面均適合于該項目的工程特點，因此將氣盾壩作為該生態景觀壩的推薦壩型。

圖5 氣盾壩與交通橋結合布置形態示意

4 氣盾壩在高原運用的可行性分析

氣盾壩以其優異的性能得到廣泛應用，目前已經在多個高原、寒冷地區應用，高海拔同其他地區相比，存在氣溫低、紫外線照射強等特點。氣盾壩金屬盾板、壓板能應用在高海拔地區，橡膠氣囊采用三元乙丙橡膠，其耐低溫、耐老化性能優越。乙丙橡膠基本上是一種飽和橡膠，主鏈是由化學穩定的飽和烴組成，只是在側鏈中含有不飽和的雙鍵，分子內無極性取代基，分子間內聚能低，分子鏈在較寬的溫度范圍內保持柔順性，因而使其具有獨特的性能。

4.1 耐老化性能

乙丙橡膠具有突出的耐臭氧性能，不但大大優于天然橡膠、丁苯橡膠、氯丁橡膠等通用橡膠，而且也優于一般被認為耐老化性能很好的丁基橡膠。例如，在含抽樣100 pphm的介質中，乙丙橡膠經2 430 h仍不龜裂，二丁基橡膠僅534 h即產生大裂口，氯丁橡膠則只有46 h就龜裂；在臭氧濃度為50 pphm介質中，靜拉伸30%時，乙丙橡膠試樣發生龜裂的時間大于150 h，而丁基橡膠在幾小時內就會發生龜裂，可見乙丙橡膠的耐臭氧性是最佳的。

4.2 耐候性能

乙丙橡膠耐候性好，能長期在陽光、潮濕、寒冷的自然環境中使用，在低溫下仍能保持較好的彈性和較小的壓縮變形，其最低極限使用溫度可達-50 ℃或更低。一般乙丙橡膠是非結晶的，其玻璃化溫度(Tg)與丙烯含量有關，具有最佳低溫性能的乙丙橡膠，其丙烯含量為40%～50%(重量)。與低溫行為最密切相關的是硫化膠的彈性，具有良好低溫性能的硫化膠亦具有良好的低溫彈性。

4.3 使用壽命

據相關資料介紹，中國石油大學曾對三元乙丙橡膠采用加速老化方法進行過壽命研究，研究內容為：通過在不同溫度下、不同老化時間的性能變化率建立數學模型推算其壽命。研究結果表明，以性能變化值y=30%為臨界值，三元乙丙橡膠推算壽命在40年以上。

5 結 語

生態壩常用的數種壩型都有其優點和缺點，在城市生態壩建設中均有成功應用案例。目前拉薩河2號閘、4號閘閘型為橡膠壩，3號閘閘型為傳統水閘，1號閘和6號閘壩型擬選用氣盾壩，5號閘從閘型的多樣性考慮選擇了功能與氣盾壩相類似的液壓升降壩。目前，各種壩型在高原城市中的運用還處于初步探索階段，但隨著生態景觀壩技術的不斷發展，城市生態環境建設會使城市變得更加美好。