山西省天镇县石佛寺水库大坝坝型方案比选

高 超

（山西省水利水电勘测设计研究院 山西太原 030024）

1 水库情况概述

石佛寺水库位于天镇县境内南洋河上，属海河流域永定河水系。该水库是为了充分开发利用南洋河的地表水，服务当地灌区建设和供水而建的水利工程，是一座以供水为主，兼顾防洪、灌溉的小（1）型水库。水库坝址以上流域面积为2 300 km2，水库总库容288.7 万 m3。

2 大坝坝型选择的提出

该水库控制流域面积较大，洪水较大，要求泄水建筑物的泄流能力较大。受河道上游回水长度限制和淹没控制的要求，水库水深不宜太大。根据水文规划调节计算结果，坝高5 m时对应的总库容为288.7万m3，坝前水深较小。基于地形、地质条件的限制，设计考虑采用集挡水、泄水功能于一体的活动坝体。既要考虑蓄水，又要考虑在蓄水的同时降低对河道行洪的不利影响，满足行洪安全要求。因此，综合考虑国内目前运用较成熟的活动坝坝型及近年来发展起来的新型活动坝坝型，拟定橡胶坝、常规闸坝及混凝土面板液压升降坝等三种坝型进行综合比选。

3 橡胶坝

橡胶坝呈直线沿河床中间布置，轴线与河道基本垂直。坝高5.0 m，坝长84 m，中间不设隔墩。

该坝型结构简单、美观、坝体跨度大、自重轻、抗震性能好，但该坝型的安全性、可靠性较差、使用寿命短，且需要增设抽排水泵站及其机电设备；坝袋易被漂浮物或尖锐物损坏；运行期管理难度较大，需随时根据上游水情来决定坝袋充高与坍坝，不易控制，且操作反应速度较慢；橡胶坝冬季冰冻容易损坏坝袋，且不能调节坝高，不易控制下泄流量，同时需配专人值守，冬季破冰。

4 常规闸坝

常规闸坝的布置也是呈直线沿河床中间布置，轴线与河道基本垂直。闸坝共设7孔，闸孔净宽7×10 m。水闸采用弧形工作门，工作门上游侧设检修门。7孔共用一扇叠梁检修门，采用电动葫芦起吊。在工作门与检修门之间设有宽2.5 m的工作桥；在弧形工作门的下游侧设有宽4.8 m的交通桥。

该坝型的优点是运行灵活、可靠，可以宣泄各种频率的洪水，整体稳定性好，维修方便。缺点是：1）中隔墩严重束窄现状河道宽度，影响自然河道行洪；2）金属结构及土建工程量较大，施工较复杂，工期较长，投资较大；3）水流从底部集中下泄，对下游河道消能防冲要求较高，水面漂浮物不易排泄，水面不够美观清洁；4）运行维护费用较高。

5 混凝土面板液压升降坝

混凝土面板液压升降坝布置在河床中间，呈直线布置，轴线与河道基本垂直。坝高5.0 m，连续布设14扇拦河闸坝，每扇闸坝宽6.0 m，全长84 m，中间不设隔墩。

该坝型特点是：1）性价比高。其与传统的活动坝（水闸、橡胶坝、钢坝闸）相比，性价比是最高的；2）力学结构最科学，结构可靠，运行方式最合理。坝面升起后，向下游倾斜15°，为一个稳定的三角支撑坝结构，抗洪水冲击能力强。每个坝面单元设有2个液压缸和2个支撑杆，坝面启闭时采用液压缸启闭，到位后液压缸停止工作泄压，采用支撑杆代替支撑坝面，操作均为全自动控制。另外，坝面向下游倾斜15°，能有效释放冰冻胀力，保护坝面不受损坏。结构详见所附横剖面图1。3）泄洪能力强。无论河道多宽，都无需在河中设置中隔墩。汛期行洪坝面放倒后与自然河床齐平，河面上看不见任何建筑物，和自然河道行洪一样，行洪过水和冲沙效果均较好。4）操作反应快，自动化程度高。该坝型采用液压杆支撑面板装置，液压系统控制操作，可人工现地控制和无线远程控制，也可根据洪水位涨落，实现活动面板的无人自动升降，且反应迅速。5）密封止水效果好，维护管理费用低。该坝体的密封止水部件经久耐用，更换容易，维护费用低。6）坝型美观，旅游效益好。该坝体过水时形成瀑布景观和水帘长廊奇观，可供游人观赏。

图1 混凝土面板升降坝横剖面图

6 坝型综合比选

6.1 蓄水与泄洪

南洋河来水在汛期与非汛期的河道流量相差悬殊，因此为协调防洪与蓄水矛盾，要求拦河坝在汛期能够快速塌坝，汛末又能及时恢复挡水状态蓄水。混凝土面板液压升降坝通过无线远程控制或人工现地控制液压系统均可以满足该要求；常规闸坝通过工作弧形闸门的启闭也可满足该要求；橡胶坝是通过充排水泵站达到升降坝的目的，正常需要2～3 h才能完全升或塌坝，时间较长，反应较慢。汛期行洪时，混凝土面板液压升降坝和橡胶坝塌坝后均紧贴河床，基本不影响河道行洪，而常规水闸的闸墩占用河道行洪断面较大，严重影响河道泄洪。因此，从蓄水与防洪要求的角度来说，混凝土面板液压升降坝较橡胶坝和常规水闸更有优势。

6.2 泥沙

南洋河来水泥沙含量较大，三种坝型对汛期过水过沙区别不大，只是橡胶坝存在泥沙对坝面的磨损问题，特别是汛期推移质泥沙含量较大、流速较高时对坝面的磨损更为严重。

常规水闸在泥沙淤积层较薄且较为松散时可以正常回落，一旦淤积厚度较大或泥沙板结，通过回门缩小过流断面不能冲开淤积，那么闸门就不能正常回门，必须借助人工高压水枪充沙清理才能回门；橡胶坝一旦坝面淤积较厚，将对充排水泵站的机电设备提出较高要求或者借助人工高压水枪充沙清理，否则坝袋不能正常升起。混凝土面板液压升降坝则可以通过液压装置强行顶开坝面淤沙，淤积对液压升降坝没有太大影响，且混凝土面板液压升降坝可以交替开闭各扇闸门，以有限的水量集中冲沙。

6.3 冻冰

尽管冰冻在理论上对充水式橡胶坝影响不大，可以适当降低橡胶坝的内压比运行，但实际操作一般都实行了人工凿冰措施以确保橡胶坝安全，同时浮冰对坝袋（充水或充气）也存在安全隐患，给管理带来极大的不便。常规水闸采用的直立式结构受冰冻影响较大，也需采取人工凿冰措施；混凝土面板液压升降坝吸收了翻板闸倾斜的优点，坝面向下游倾斜15°，冰层可以沿着斜角向上延伸，从而有效地释放结冰的膨胀力，保证冬季结冰不会对坝体造成损坏。

6.4 排污

常规水闸需要人工定期清理漂浮物，否则会影响闸门的正常启闭和回落，严重时会威胁到行洪安全；橡胶坝和混凝土面板液压升降坝均为表面溢流，故排污相对容易。但橡胶坝坝袋容易损坏，尤其是尖锐漂浮物污体对坝袋存在致命威胁，而混凝土面板液压升降坝不存在上述问题，且可以较小水量排污，具有一定的优势。

6.5 投资

从工程投资角度来说，三种活动坝型投资相差不多。橡胶坝一次性投入相对较小，但后期维护费用较大；常规水闸整体投资最大，总投资为5 091.52万元；混凝土面板液压升降坝总投资为4 540.07万元，投资较常规水闸少551.45万元，后期维护费用也较低。

综上所述，混凝土面板液压升降坝在蓄水、泄洪、运行管理、操作反应速度、可靠性及投资等方面均有一定的优势，尤其是汛期放倒泄洪时对自然河道几乎没有影响。故本工程推荐采用混凝土面板液压升降坝方案。

7 结束语

混凝土面板液压升降坝是近几年发展较快的一种新型活动坝，但多数坝高仅2 m左右。国内5 m左右的坝高较少，仅在安徽、河南有工程采用，山西省境内还没有。希望该论文对5 m左右坝高的混凝土面板液压升降坝在山西省境内的推广应用有一定的借鉴意义。