晋祠泉域生态补水工程拦河坝坝型比选

贾丽英

（山西省水利水电勘测设计研院有限公司，山西 太原 030024）

1 概述

自20世纪80年代以来，在大规模地开采地下水和煤矿开采对水资源破坏的双重作用下，导致晋祠泉域地下水资源采补失衡，地下水位大幅下降，“三晋名泉”晋祠泉断流。山西省委、省政府高度重视，针对日益恶化的晋祠泉域水环境，采取了多种有效的生态环境治理和保护措施。2018年2月，山西省财政厅和山西省水利厅联合组织编制完成了《山西省地下水超采区综合治理实施方案（2018年度）》。该实施方案确定了晋祠泉“重点泉域保护工程”。

“晋祠泉域汾河罗家曲至龙尾头段生态补水工程”位于太原市娄烦县境内，是《山西省地下水超采区综合治理实施方案（2018年度）》中“重点泉域保护工程”项目之一。项目主要内容是在晋祠泉域汾河干流上的娄烦县杜交曲镇罗家曲至龙尾头段设置五道拦河坝。1号拦河坝位于罗家曲村东南；2号拦河坝位于强家庄村西南；3号拦河坝位于强家庄村东南；4号拦河坝位于策马村西；5号拦河坝位于龙尾头村东南。该段河道长约13.0 km，河道两岸碳酸盐岩裸露，地层总体呈单斜构造，局部出露褶皱及断裂构造，部分地段构造强烈，渗漏明显，为补水有利地段。

该项目实施后，将形成生态蓄水水面12.94 hm2，蓄水量12.13万m3，促进地下水位升高，增加地表水下渗量，加大晋祠泉域地表水入渗补给量，促进晋祠泉早日复流，兼顾改善汾河河道生态环境。

2 活动坝坝型分析

根据河道蓄水与行洪要求，拦河坝坝型应从目前运行较多的活动坝坝型中选择，初步拟定橡胶坝、常规水闸、钢坝闸及液压翻板闸等四种坝型进行综合比选。

2.1 橡胶坝

橡胶坝布置基本垂直河道，中间不设隔墩。其工作原理是利用充水泵向橡胶坝袋内充水，使坝袋膨胀，坝面抬升，达到挡水的目的。橡胶坝的优点是坝体跨度大、自重较轻、结构相对简单，投资较小。但该坝型存在以下缺点：

一是安全可靠性差。立坝、塌坝所需时间较长，一般在1～3 h，需启动关闭泵站向坝袋充水充高或放水坍坝，控制方式繁琐，操作反应速度较慢，影响蓄水和行洪安全；需增设泵房，其配套机电设施较多；坝袋易受外界水沙、尖锐漂浮物及人为破坏的影响，造成坝袋泄漏，影响正常运行。二是使用寿命短。坝袋寿命一般仅10～15年，且后期坝袋易褪色、变形，外形效果较差。三是运行管理难度较大。冬季运行需塌坝或坝前凿冰越冬。冬季坝前结冰容易损坏坝袋，且不能调节坝袋高度，故不能控制向下游的放水量。同时冬季必须安排专人破冰、值守。四是坝前淤积冲沙性能差。该坝体为整体升降，清淤需整个坝体均塌坝，泄空蓄水，影响河道生态环境。

2.2 常规水闸

常规水闸基本垂直河道布置，受水闸门体宽度限制，河道中间设有多道中隔墩。常规水闸一般设有工作门和检修门共两道：工作门采用弧形钢闸门，启闭设施为液压缸或卷扬机；检修门设在工作门上游侧，叠梁门型式，启闭设施为电动葫芦。常规水闸的优点是操作方便可靠，底流冲沙容易，运行管理简单，缺点是：一是在河道中间需设数道中隔墩，减小了河道行洪过水断面，降低了河道行洪能力。二是行洪时洪水位以上的建筑物较多，超标准洪水行洪不安全。三是该闸型的金属结构和土建要求的工程量较大，施工难度较大，工期长，投资大。四是泄洪时水流先从闸底部集中下泄，冲刷下游河道，要求的消能防冲设施较多，水面的漂浮污物不容易排泄，影响环境。五是该闸型的日常运行管护费用较高。

2.3 液压翻板闸

液压翻板闸基本垂直河道布置，中间不设隔墩。其工作原理是利用液压系统通过设在闸板下游的液压油缸支撑、伸缩、转动来实现闸板塌坝放水和立坝挡水，该坝型特点：一是力学结构简单、合理、可靠。闸坝面立起后，为三角支撑结构，抵抗冲击能力较强。每扇闸坝作为一个独立坝体自由开合，其后设有2个液压缸支撑启闭。二是液压翻板闸的启闭操作，反应速度快、安全可靠。该坝型采用液压缸支撑启闭，启闭完成时间一般不超过5 min，能及时安全泄洪。闸坝启闭可实现人工现地控制或远程控制。三是运行管理方便：闸坝面抗冲击的能力较强，耐久性好，维护量小。尤其是冬季立坝运行时，坝体向下游倾斜释放冰冻胀力，管理方便。四是闸门体可单扇启闭蓄水或泄洪，可交替单扇开闸、集中水量排沙，闸前不易淤积。五是使用寿命较长：门体寿命一般在50～60年。六是性价比高：该坝型与其他活动坝型在投资方面相比，其投资较小，性价比最高。

2.4 钢坝闸

钢坝闸布置基本垂直河道，中间不设隔墩。其利用布置在闸门两侧液压缸扳手装置，带动闸门底轴转动，实现闸门塌坝和立坝挡水，该坝型特点：一是操作反应快，自动化程度高。该坝型反应迅速，闸门启闭时间在2～3 min之内完成，保证及时泄洪。二是力学结构靠闸门底轴抗扭，带动闸门转动，实现闸门的塌坝放水和立坝挡水，闸后无需支撑。三是受单扇闸门宽度限制，对较宽河道需要布置多道闸门，相应需要中墩，而每个中墩厚度较大，严重缩窄河道断面，影响泄洪。四是坝前淤积冲沙性能差：该坝体为整体启闭，清淤需闸坝体整体启闭，泄空蓄水，影响河道生态环境。五是运行管理方便：闸坝耐久性好，维护量小；冬季运行可向下游倾斜释放冰冻胀力，管理方便。六是投资较大，与其他活动坝相比，性价比较小。

3 坝型比选

3.1 坝型选择的限制条件

该段汾河干流河道宽度约为100 m，两岸为基岩陡坡和娄梭公路。河道上游控制流域面积大，洪水流量大，要求河道的行洪能力也大。考虑到河道拦河坝的上游回水长度限制、两岸安全和淹没控制的要求，拦河坝的水深不能太大。同时受地形和地质条件的限制，河道上拦河坝的挡水建筑物和泄水建筑物只能重叠布置在同一位置，这就要求设计时只能采用既有挡水蓄水功能，又有泄洪行洪功能的活动坝体。在平时立坝蓄水，行洪时塌坝放水，不能妨碍和影响现状河道行洪。

3.2 坝型综合比选

3.2.1 河道行洪安全性和闸坝蓄水及时性

因为汛期河道洪水发生和结束均较快，这就要求拦河闸坝的反应速度要快，要求拦河闸坝能快速塌坝行洪，汛末又能及时立坝挡水蓄水。

钢坝闸和液压翻板闸都是通过液压缸启闭闸门，反应速度快，可满足该项要求；常规闸坝通过工作弧形闸门的启闭，相对较慢；橡胶坝是通过充排水泵站达到升降坝的目的，升坝和塌坝的时间长，反应慢。河道汛期行洪时，钢坝闸、橡胶坝和液压翻板闸放平后均紧贴河床，与自然河道相差无几，基本不影响泄洪，而常规水闸和钢坝闸的闸墩较厚，减小了河道过水断面，影响河道行洪。因此，从河道行洪安全性和闸坝蓄水及时性方面来说，液压翻板闸坝较其他闸坝有优势。

3.2.2 冲沙防淤积

河道来水泥沙含量较大。为防止闸坝前淤积，应间断性放水冲沙。

常规水闸先泄底水，有利于冲沙，但闸前淤积厚度较大或泥沙板结时，须借助人工高压水枪冲沙清理使闸门正常回门；橡胶坝及钢坝闸均为整体启闭，且均先泄表水，冲沙要求的放水量较大，有时甚至需要放空库水；橡胶坝面泄洪时，泥沙及漂浮物对坝面磨损严重。液压翻板闸坝为多扇闸，运行灵活方便，可交替开闭各扇闸门，以有限的水量集中冲沙。因此，从冲沙防淤积的角度分析，液压翻板闸坝较其他闸坝更有优势。

3.2.3 冬季运行防冻冰

坝前结冰对橡胶坝影响最大，必须人工凿冰，确保橡胶坝袋安全，同时浮冰和漂浮物会威胁橡胶坝袋的安全，必须采取防护措施。常规水闸坝面直立，冬季所受闸前冰冻胀力较大，必须人工凿冰或设置吹冰设施除冰；液压翻板闸坝的坝面向下游侧倾斜，闸坝前结冰时能增大倾斜角调节坝面向上移动，释放冰冻胀力，确保闸坝安全。

3.2.4 投资及性价比

橡胶坝一次性投入相对较小，但使用寿命短，后期维护费用大；常规水闸整体投资最大；液压翻板闸坝投资较常规水闸和钢坝闸均少，性价比最高，后期维护费用也较低。

4 结论

液压翻板闸坝是近年来发展较快的一种新型的活动闸坝，集泄水和挡水功能于一体，既满足了河道汛期行洪要求，又满足了非汛期日常蓄水要求，协调解决了河道行洪和蓄水的矛盾。另外，液压翻板闸坝在泄洪、蓄水、冲沙、冬季运行、后期维护及投资等方面均有一定的优势，故本工程挡水建筑物拦河坝，推荐采用液压翻板闸坝方案。