汾河新二坝设计方案比选

张世泉

（山西省水利水电勘测设计研究院有限公司，山西 太原 030024）

1 工程概况

汾河新二坝项目为汾河流域生态修复项目的一部分，项目区位于太原市刘家堡乡刘家堡村，上游综合治理三期工程与下游二坝之间的河道，距离太原市区34.7 km，河道上跨河桥梁为刘家堡大桥。工程主要目的是通过在河道上设置蓄水闸坝，抬高河道水位，在河道内形成蓄水水面，实现三期工程与中游核心区水面连续，同时增补地下水，改善河道及周边生态环境；工程闸坝处设置船闸建筑物，实现三期工程至二坝之间游船通行。

本工程蓄水区河道按20 年一遇洪水设防，设计洪水流量1 420 m3/s，主要建筑物按20 年一遇洪水设计，50 年一遇洪水标准校核，校核洪水流量1 970 m3/s。

三期工程与二坝之间河道呈南北向展布，长约13.5 km，现状河道宽约300 m，右岸大堤紧临城市滨河西路，两岸堤顶高程分别为左岸765.5～773.46 m，右岸762.0～773.30 m，堤顶宽约6 m，河道内现有主槽，主槽宽约60～80 m，深2.6 m 左右。工程主要建筑物包括壅水闸坝和船闸等。壅水闸坝包括主槽段弧形门挡水闸和两岸滩地钢坝闸。因有游船通行要求，同时考虑现状河道两岸未设排污涵，太原城市污水排放直接进入蓄水区，在满足河道行洪前提下，在河道主槽中部布置船闸通航，船闸两侧布置少占行洪断面的大孔宽弧形门挡水闸，来排沙、蓄水更新置换等，左、右两岸滩地布置钢坝闸通过坝顶溢流满足日常污水排放的要求。

本蓄水工程为Ⅳ等工程，相应壅水闸坝及岸墙等建筑物级别为4 级。根据通航规模，船闸采用单级单线船闸，工程等级为Ⅶ级，相应永久性主要建筑物级别为4 级，靠船、导航建筑物级别为5 级，临时建筑物级别为5 级。

2 闸坝方案布置

本段河道右临滨河西路，左接太原市综型改革发展起步区，河道宽度目前无法拓宽。为实现三期工程与二坝之间河道水面连续，主槽通航，经过现场实地勘看，根据下游回水关系、河床高程、通航条件、大桥影响等提出以下两种闸坝方案。

2.1 河道内设置一道闸坝方案（方案一）

一道闸坝布置在刘家堡大桥下游，坝址位于刘家堡大桥下游约1.7 km 处。根据下游二坝正常蓄水位764.01 m，主槽回水可达刘家堡大桥以上约1 km，且当地农民在河道两岸滩地内填土造地，两岸滩地回水受限，实际滩地回水长度约4 km，（此处滩地高程在764.0 左右，局部低洼）。按滩地上回水水深0.5 m 考虑，闸底板高程不得超过763.5 m，实测刘家堡大桥以上滩地高程在765.0 m 以上。为解决全河道滩地水面连续问题，闸坝布置在刘家堡大桥下游。此处河床主槽高程约761.5 m，水深2.5 m，同时满足1.2 m 的最低通航水深要求。

闸前正常蓄水位同时满足低于刘家堡大桥桥底高程（约768.6 m），淹没三期末端两岸滩地（大部分高程767.5—768.4 m），游船通行最低水位766.3 m 这三个条件，最终确定为768.0 m，对三期下游滩地进行局部清淤以实现全槽蓄水。王家堡大桥桥底距离设计最低通航水位2.3 m，小于过桥通行净空3 m，限制了通航，本方案考虑拆除重建大桥。

一道坝方案布置见图1。

图1 一道坝方案布置图

本方案中坝总长291.0 m，在主槽中部布置通航建筑物船闸，船闸主体建筑横剖面为整体式“U”字形钢筋混凝土结构，总宽19 m，其中左、右闸墩宽5.0 m，闸室净宽9 m；船闸两侧各布2 孔弧形门闸挡水，总长44.0 m，单孔净宽8 m，闸前挡水高度6.0 m；左、右两侧滩地布置参考目前已运行的钢坝闸工程闸门规模以及市场上钢闸门生产厂家的制造水平，滩地钢坝闸共布置6 孔，单孔净宽为30 m，闸底轴直径1.0 m，坝高4.5 m。

2.2 河道内设置二道闸坝方案（方案二）

根据三期和二坝间河道高程关系，1#、2#闸坝分别布置在刘家堡大桥上、下游侧。据二坝正常蓄水位确定2#坝闸底高程763.5 m，位置选在距二坝约4 km处，滩地高程764.0 m 左右，主槽高程761.3 m，水深2.7 m，满足游船通行的最小水深要求，滩地可通过部分清淤形成全河槽水面。1#、2#闸坝之间水面高程由刘家堡大桥桥底满足游船通行决定，刘家堡大桥桥底高程768.6 m，水面以上船高按2.3 m 考虑，则1#、2#闸坝之间水面不得高于765.5 m，为达到全槽水面，要求1#闸坝闸底高程不超过765.0 m，1#闸坝位置选在刘家堡大桥上游700 m 处，距三期约5.6 km，坝址处主河槽762.0 m，水深2.0 m，满足游船通行的最小水深要求，滩地高程765.0 m，通过部分清淤可形成全槽水面。1#坝以上水面由三期末端滩地高程确定1#坝闸前挡水位为768.0～768.5 m。

1#坝总长311 m，主槽建筑物垂直水流方向尺寸同方案1，挡水高度6.0 m；滩地共布置5 孔钢坝闸，单孔净宽40.0 m，总长248 m，坝高3.0～3.5 m。2#坝主槽建筑物同1#坝，挡水高度4.0 m，滩地共布置5 孔钢坝闸，总长248 m，坝高2.0 m。

两道坝方案设计见图2。

图2 两道坝方案设计图

3 闸坝方案比较

这两种闸坝布置，主槽段均为船闸和弧形闸门，净宽尺寸相同，故只对河道行洪安全影响比较大的两岸滩地钢坝闸布置进行比较。

3.1 工程布置

方案一中滩地上钢坝闸挡水高度4.5 m，坝高4.5 m，闸底轴直径1.0 m，闸门规模大；因挡水位较高，启门力较大，传导至闸墩的水平力很大，对闸墩抗滑稳定不利，经计算闸墩边墙厚度1.0 m，底板厚度2.0 m，稳定安全系数才能满足规范要求；相应启闭机选型容量增大，单台为2 000 kN。方案二中坝高低，闸底轴直径0.8 m，闸门规模较小；启门力较小，计算闸墩稳定时，闸墩边墙厚度减至0.8 m，底板厚度减薄至1.6 m，闸墩抗滑稳定就能满足；启闭机容量小，单台为1 000 kN。所以，方案二在闸坝规模、闸墩抗滑稳定方面优于方案一。

3.2 通航条件

方案一蓄水后，现状刘家堡大桥底部距蓄水面0.6 m，参照内河通航标准以及参考其他工程，游船通行净空高度定为3.0 m，拆除大桥后方可通行。方案二中当两道闸坝蓄水后，距水面距离为3.1 m，游船可顺利通过大桥。因此方案二比方案一通航条件优越。

3.3 河道行洪

方案一增加了滩地闸的孔数，相应闸墩数增多，束窄河道过流净断面，发生校核洪水时，经计算闸前水面壅高值为0.69 m，同时蓄水区两岸堤防超高不够，对河道行洪不利。而方案二中，河道过流净宽为200 m，比方案一增加20 m 及1 个闸墩宽度，河道泄洪宽度加大，计算的水面壅高值为0.35 m，两岸堤防超高满足要求，对河道行洪有利。方案二比方案一利于河道行洪。

3.4 蓄水对两岸堤防的影响

本蓄水区两岸均为土质防洪堤，两岸堤顶较为平缓，左岸堤高4.5～6.2 m，堤顶宽约6 m；右岸堤高4.3～6.5 m，堤顶宽约6 m。据调查，筑堤时主要在河漫滩取土。堤身岩性主要为浅黄、褐黄色粉土质砂，含细粒土砂及低液限粉土组成，局部夹低液限粘土透镜体，结构松散，偶含碎石及煤屑，土质不均，质量较差。大堤两侧边坡较陡且大部无防护，仅局部内侧边坡有少量浆砌石护坡。

针对方案一和方案二中不同蓄水位，采用河海大学工程力学研究所编制的水工结构有限元分析系统《AutoBANK》（V7.08 版），对两岸堤防渗流稳定进行计算。经过计算发现，因方案一中河道蓄水位较高，导致两岸大堤边坡中浸润线抬高，边坡出口段渗流坡降0.3 大于允许坡降0.25，边坡渗透变形不稳定；而方案二中渗流坡降0.22 小于边坡允许坡降，同时计算出的各种工况下边坡的抗滑稳定安全系数均大于规范允许值。

上述比较发现，若长期蓄水，方案二对两岸堤防稳定没有影响，明显优于方案一。方案一需要对堤防采取边坡加固处理措施，需增大工程投资。

3.5 工程对社会及环境的影响

3.5.1 社会影响

方案一中为满足通航，必须拆除刘家堡大桥，此桥东连石（沟）榆（次）线，西接黄（陵）古（交）线，是连接南郊区的重要桥梁，如果重新规划交通走向，涉及两岸耕地征地补偿、路线选择等诸多问题。拆除后，两岸居民必须绕道而行，加大了出行成本，一段时间内必然严重影响两岸居民生活、生产活动，社会影响较大。

3.5.2 环境影响

方案一和方案二中蓄水区正常高水位768.0 m，两岸浸没地下水临界埋深农业区为1.0 m，居民区为2.0 m。两岸耕地高程764.0～769.5 低于浸没地下水临界高程769.0 m，靠近两岸居民地现状大部分高程767.5～770.0 m 低于浸没地下水临界高程770.0 m。长期蓄水后，河水将通过谷底及堤基渗漏至堤外，引起堤外地下水位抬升，使堤外居民区及耕地地基土饱水、房屋潮湿、地面沼泽等，并产生淹没及浸没问题。因方案一中蓄水区长度比方案二长，影响范围比方案一大。因此，在社会及环境的影响方面，方案二优于方案一。

3.6 工程投资

方案二中因修建两道闸坝，土建工程量中土方量、混凝土、钢筋量以及上下游连接工程量成倍增加、配套机电设备数量翻倍，投资估算为2.6 亿，方案一中，工程投资加上大桥拆除重建费用，投资估算2.2亿。

综上所述，尽管方案一投资较小，但在工程布置、社会及环境影响、河道行洪、通航条件等方面方案二明显优于方案一，故推荐采用方案二。

4 结语

河道上建造闸坝工程方案选择考虑因素众多，投资大小不能成为唯一决定条件，更应该从闸坝布置、河道行洪、通航条件、社会及环境等多方面进行综合比较，最后择优选择合理的闸坝方案。