汾河太原段综合治理工程液压坝优化方案比选

梁 钧

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

1 工程概述

汾河为黄河的一级支流，是山西省境内的第一条大河，发源于宁武县的管涔山南麓，由北向南流经宁武县及静乐县，于娄烦县静游镇流入汾河水库，出汾河水库经古交峡谷和汾河二库，由兰村出山口流经太原盆地，至灵石县又进入灵霍山峡，向西南流经临汾盆地，至万荣县汇入黄河。汾河全长约710km，流域面积为39471km2。流经太原市区段汾河长度约40km。

为改善城市环境，自1998年以来，太原市政府对主城区段的汾河河道分两期进行了综合治理。为妥善解决防洪、蓄水、排沙和美化的矛盾，在保留汾河治理一、二期工程成功经验，规避其不足的基础上，本次工程蓄水池的总体布置仍采用了排沙槽和蓄水槽分开的双槽布置方案。同时，为达到大水面的景观效果，采取抬高蓄水位的工程措施，把排沙槽与蓄水槽之间的中隔堤淹没在水下，可形成全槽蓄水的效果。

2 工程总体布置

2.1 工程布置原则

根据相关规程、规范，结合治理段河道特点，工程布置遵循以下原则：防洪安全的原则；充分体现生态水利的原则；亲水性的原则；因地制宜、就地取材的原则；充分利用现有工程，避免投资浪费的原则；通航游览相结合的原则；满足太原市水上运动场地的原则。

2.2 工程总体布置

本工程是汾河上一期工程的延续，位于太原市南部新区的汾河主河道，全长约12km，呈南北向展布。河道横断面采用复式断面，总宽度为430～450m，由300～348m宽的蓄水池、两侧二级平台及堤防组成。

结合南部新区总体布局及2019年青运会水上运动场地要求，在河槽内共设有1号和2号两座壅水闸坝，分别布置在桩号7+400和桩号11+800的主槽内，形成2座蓄水池，蓄水位分别为775.7m、772.0m，池长分别为7.4km和4.4km。

两座闸坝均由两跨液压坝和一跨壅水闸组成，其中，壅水闸布置在中间已建的约100m宽主槽范围内。两跨液压坝分别布置于壅水闸东西两侧。

3 液压坝方案优化比选

3.1 液压坝坝型比选缘由

根据相关规范要求，液压缸尽量避免长期淹没在水下，如无法避免时液压缸需厂家特制。坝下游最大水深为3m，冰冻和消冰均会对液压缸产生不利影响。2019年青运会将在1号蓄水池内举行水上运动比赛，闸坝上、下游全年蓄水，对1号坝运行条件要求较高。

3.2 液压坝设计条件

本次液压坝优化方案以1号闸坝东跨液压坝为例，具体要求如下：一是原则上要求液压坝不设或者少设中墩。二是东跨液压坝总长为108m，上游设计水深为6.7m，坝顶溢流水高度为0.5m，下游水深为3m。三是冬季上、下游最大冰层厚度为0.5m，通过设置除冰设施消除冰冻和消冰对门板及液压设备的影响。四是液压设备和门体维护检修时，可结合灌溉期预先放空蓄水池或部分塌坝降低上、下游水位；检修完成后立坝拦水，通过水量置换的方式达到检修的目的，同时也可对蓄水池进行换水以改善水质。五是液压缸事故检修时，需有临时或永久支撑设施。

3.3 液压坝比选

3.3.1 钢筋混凝土液压坝（方案一）

由钢筋混凝土坝体、液压缸及支撑杆等组成。工作原理主要是底部以铰链轴固定在坝基础上，利用坝体背后液压缸启闭机伸缩，实现升坝拦水，降坝行洪的目的。每跨液压坝均由多扇独立升降的钢筋混凝土闸门组成，各扇门体间不设闸墩，直接由闸板间的止水对接实现挡水，每扇门长6.0m。

优势：国内钢筋混凝土液压坝应用实例较多，已运行多年，为水利部推广的新技术，且6m以上高坝已有实例。支撑杆可有效锁定坝体，避免液压缸因长期受力造成内泄而使闸门塌落，也利于闸门检修。本方案每扇门体均有独立的液压管路控制升降，最大程度避免泄漏故障。不设中墩，水位壅高8cm，不影响行洪。分体式结构能够有效适应地基不均匀沉降。造价较低，门体及其埋件和控制系统等设备2.2万元/m2。

劣势：过水时，闸门宜振动，需设破水掺气装置。液压缸长期水下工作，需采用特制液压缸，对检修不利。

3.3.2 双向可折叠液压坝（方案二）

本方案采用整体式结构，即108m长设一扇闸门，不设中墩，每5m设一道液压启闭机。门体采用钢闸门，门高6.7m，整个闸门由上、下游两块门板形成一个三角形结构。下游面板为液压坝可折叠升降部分，由上、下两块铁板组成，中间由绞轴相连，当液压坝面板升到要求高度时，两块铁板咬合在一起，起主要的支撑作用，油缸此时只起到辅助的支撑作用。

优势：液压启闭机封闭于两面的闸门面板和两端岸墙之间，所以油缸不容易受损伤，使用寿命长，且检修方便。由于闸门为三角形结构，在坝顶过水时，上游水流会顺下游闸门面板流下，不会在下游形成真空，也不会引起振动。不设中墩，水位壅高8cm，不影响行洪。

劣势：闸门为一跨整体式结构，同步起落，运用不灵活，不利于冲沙。造价较高，门体及其埋件和控制系统等设备3.2万元/m2。

3.3.3 单向可折叠液压坝（方案三）

本方案采用分体式结构，即由多扇独立升降的门体组成，每扇门长12m，共9扇，不设中墩，每扇门设两道液压启闭机。门体采用钢闸门，门高6.7m，下游支撑杆由上下两块铁板组成，中间由绞轴相连，当液压坝面板升到要求高度时，两块铁板咬合在一起，起主要支撑作用，油缸此时只起到辅助的支撑作。

优势：多扇闸门均可独立升降，运行调度灵活方便，便于冲沙。不设中墩，水位壅高8cm，不影响行洪。设有支撑杆，起主要支撑作用，油缸此时只起到辅助的支撑作用。在塌坝时，液压坝面板倒下时将油缸完全覆盖在下面，对油缸起到很好的保护作用。造价较低，门体及其埋件和控制系统等设备2.6万元/m2。

劣势：液压缸长期水下工作，需采用特制液压缸。由于油缸常年处于运行状态，密封圈需要更换维修。且下游无法围堰，从而导致更换困难。过水时，闸门宜振动，需设破水掺气装置。

3.3.4 上翻式液压坝（方案四）

本方案采用3跨旋转钢闸门，液压启闭机驱动，每扇门共两套设备。闸门每跨净宽34m，中墩两座（宽3.2m×2m），每跨闸门后面另设两座1m厚的支墩,支墩间距为11.3m。门体采用弧形钢闸门，门高6.7m，由弧形门体、支撑结构、液压启闭机等主要部分组成，弧形门体固定在闸门两侧的支撑结构上，支撑结构与支铰相连，支铰固定在闸墩内。液压启闭机驱动支撑结构，带动弧形门体旋转，实现闸门开启和关闭。

优势：旋转闸门门体的迎水面采用弧形结构，且每扇门后设2座支墩，闸门形成连续梁结构，受力较好。旋转闸门可向上开启一定角度，使闸门底部淤积泥沙顺着水流从门底排向下游，进行底孔冲沙。旋转门可用自身启闭设备将闸门翻起离开水面，在水中用脚手架即可进行闸门二次防腐或更换止水橡皮等维修保养工作，十分方便。液压缸处于水面以上，运用条件好，利于检修。

劣势：每跨长34m，闸墩较多，水位壅高13cm，影响河道的行洪能力及景观美化。闸墩多，土建成本高。造价较高，门体及其埋件和控制系统等设备3.0万元/m2。

综上所述，方案一结构稳定，能有效适应地基不均匀沉降，行洪能力强，便于检修，造价较低且工程实例较多，为最优方案。

4 结论

结合工程治理方案及河道特点，通过对不同液压坝坝型方案进行综合比选，确定钢筋混凝土液压坝为最优方案。在汾河蓄水工程完建后，充分发挥其建设成本低、使用年限长、塌坝迅速，利于冲沙、过流能力强、景观效果显著等特点，旨在为今后生态水利工程建设提供借鉴依据。