汾河流域中游生态修复干流蓄水闸坝设计探析

李春艳

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

汾河流域中游生态修复干流蓄水闸坝设计探析

李春艳

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

为解决日益破坏的汾河生态问题，省委省政府启动了立足于自然修复的生态工程治理项目，通过采取综合性、系统性、针对性的治理措施，恢复和建设一批能调蓄径流的“珍珠串”状水域，蓄滞洪水，充分利用雨洪资源，使洪水资源化，达到重建河流水系、抬升地下水位、净化水质、改善水生态环境、增加渔业养殖及丰富水生植物等目的。以1号闸坝为例，进行了设计分析，并提出了相应的结论建议。

干流蓄水；生态修复；闸坝设计；汾河流域中游核心区

汾河是山西省第一大河，黄河第二大支流。发源于管涔山，自北向南纵贯6市27个县（市、区），流域范围涉及全省9市51县，汇聚吕梁、太岳山区50km2以上的一级支流83条，穿越太原、临汾两大盆地，至运城新绛县境急转西行，于禹门口下游万荣县荣河镇庙前村附近汇入黄河。流域呈不规则的宽带状分布在省境中部偏西地区，南北长412.5km，东西宽188km，流域面积39471km2，干流长716km。汾河按河流特征分为上、中、下游三段，中游段河长266.9km，流域面积20509km2，穿行于太原盆地和汾霍山峡，河道宽150～300m，属平原性河流，地势平坦、土质疏松，河谷中冲积层深厚，河型蜿蜒曲折。

1 流域概况

1.1 气象条件

汾河中游多年平均降水量437.9～495.7mm，年内分配极不均匀。其中约60%集中在汛期7—9月；多年平均气温9.9℃～10.4℃，极端最高气温38℃～39.1℃，极端最低气温-26.5℃～-22℃，多年平均蒸发量1567～1819.8mm；最大风速17～22m/s；最大冻土深71～95cm；无霜期170.7～183.2d。

1.2 径流状况

根据山西省水文水资源勘测局对1956—2013年系列的分析成果，汾河二坝多年平均天然径流量为5.63亿m3，其中最大天然年径流量15.11亿m3（1967年），最小天然年径流量1.74亿m3（1972年）。义棠站多年平均天然径流量5.63亿m3，其中最大天然年径流量22.30亿m3（1964年），最小天然年径流量3.38亿m3（1972年）。

1.3 工程地质条件

本区地处山西省中部，分布于太原—晋中断陷盆地中部及南部。地貌单元属汾河洪冲积平原区。工程区地震动峰值加速度值0.20g，反应谱特征周期值0.35s，相应地震基本烈度均为Ⅷ度。1号液压坝坝基上部主要为级配不良砂层，具中等透水性；下部主要为低液限粉土层。坝基存在不均匀变形沉降、渗漏、渗透变形、地震液化、坝后冲刷和基坑涌水等地质问题。

2 坝体布置原则及坝型比选

2.1 工程布置原则

工程布置应遵循以下原则：不降低原有河道行洪能力；不采用碍洪建筑物；充分体现生态水利；堤内蓄水工程建设依据“堤内服从堤外”，即首先满足堤外引水要求，在堤内相应位置设置闸坝。

2.2 坝型比选

国内常用的几种景观壅水闸坝有橡胶坝、液压坝、钢坝闸。结合工程情况，对三种坝型进行综合比较。

橡胶坝：通过对橡胶充水达到阻水目的，立坝、塌坝时间长，需1～3h，影响快速截流、蓄水或泄洪。塌坝时，坝内的水体不能完全放尽，形成不低于20cm的壅水高度，再加上基础宜高于河床20cm的规范要求，严重影响泄洪流量。坝前较易淤积，清理困难。坝袋易褪色、变形，外形效果较差；坝顶溢流时，瀑布景观效果差。坝袋寿命10～15年。坝袋充水需抽提地下水，对水资源形成浪费；坝顶溢流长时间超过50cm，易出现跨坝事件，需加强汛期的运行管理；冬季需塌坝运行或坝前凿冰越冬；坝袋易受外界水沙条件及人为破坏的影响，造成坝袋泄漏，影响正常运行，延米投资（坝高2.5m）9.1万元。

液压坝：利用液压启闭机直接放在河内推动闸门起伏，闸门采用启闭机启闭，运行速度可达1～2m/min，一般工程不超过5min即可完成升坝和塌坝，且结构上可以完全放倒与河底齐平，保证突发洪水时能及时泄洪。冲沙性能方面可分片塌坝、集中排砂，坝体不宜淤积。坝顶平整，溢流时瀑布景观效果较好，坝后支撑杆件较多，影响整体景观效果，门体使用寿命50～60年，坝顶可长时间、大流量溢流，形成瀑布景观，冬季立坝运行时，坝体可向下游适当倾斜释放冰推力，管理方便，坝体为钢筋混凝土预制板，抗冲击能力较强，耐久性好，维护量小，门体可单扇启闭蓄水或行洪、冲砂，运行方便，门体间可相互导流，分段维护，检修方便，延米投资（坝高2.5m）9.5万元。

钢坝闸：通过底轴传导到两端，两端靠液压启闭机推动，坝体对河道行洪影响小，闸门卧倒时与河床齐平，且闸门开启时间在2～3min内完成，对城市防洪有利。坝体整体升降，坝前较易淤积，清理困难。门体外形美观，坝顶平整，溢流时瀑布景观效果好，中墩的设置对整体景观效果有影响，门体寿命50～60年，坝顶可长时间、大流量溢流，形成瀑布效果。冬季立坝运行时，坝体可向下游适当倾斜释放水冰推力，管理方便。坝体为热喷锌防腐处理的整体钢结构，耐久性好，维护量小，启闭设备位于岸边，检修方便，延米投资（坝高2.5m）12.8万元。

经综合比较分析，蓄水闸坝均采用塌坝迅速、利于冲砂、费用较低的液压坝。

3 坝体设计

坝体由多扇闸板串联组成，单扇宽度6m。结合工程水沙条件，闸板采用较为经济的钢筋混凝土薄壁结构。每扇闸板后均布置支撑杆2根、液压杆2根，液压杆间距1.6m，支撑杆间距4.2m。坝体面板底部以铰链轴固定在坝基上，以背面液压杆的伸缩带动面板作扇形上下升降，支撑杆支撑面板的正常挡水。液压升降坝由直线坝面、液压杆、液压缸和液压泵站组成。

3.1 坝高确定

根据堤外湿地位置，按照“堤内服从堤外”的原则，1号自动控制液压坝两侧滩面蓄水高度2.0m，中间主槽蓄水高度5.0m。

3.2 稳定计算

3.2.1 计算单元选取

根据规范要求，对闸室基底面的抗滑稳定安全系数验算。本次设计闸室为6m单跨的单元组合式，故闸室沿建基面的抗滑稳定计算为6m单跨一个单元进行稳定计算。

3.2.2 荷载组合

闸室稳定基本组合考虑正常蓄水位时所受荷载，包括自重、水压力水重、扬压力、动水压力、水压力。闸室稳定特殊组合考虑正常蓄水位所受荷载加地震荷载。

3.2.3 抗滑稳定计算

抗滑稳定按下式计算：

式中：Kc——按抗剪计算抗滑稳定的安全系数；

f——抗滑摩擦系数，取0.36；

∑V——作用于闸首的垂直力总和，kN；

∑H——作用于闸首上全部荷载对滑动面切向投影的总和，kN。

计算结果见表1。

表1 闸室抗滑稳定安全系数计算结果

3.2.4 抗浮稳定计算

计算结果见表2。

表2 闸室抗浮稳定安全系数

经计算分析，闸室稳定安全系数符合《水闸设计规范》要求。

4 结语

采用干流闸坝设计方案可以达到节约用水，强化节水措施；增加森林植被，有效涵养水源；重建河流水系，加强污染防治等目的。在确保防洪安全的前提下，增加地下水补给量2.2亿m3。

TV547.1 ［

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］1004-7042（2016）04-0009-02

李春艳（1978-），女，2006年毕业于太原理工大学水利工程专业，工程师。

2016-02-19；

2016-03-23