高原城市河流生态景观坝选型研究

唐 虎

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

近年来，随着海绵城市建设概念的提出，城市建设中把水环境、水生态、水文化理念提升到了新的高度，从而使城市具有良性的水循环、良好的生态环境和优美的城市景观系统。在此背景下越来越多的城市开始在城市中心河道上修建各类生态景观坝，常见的坝型有水闸、橡胶坝、钢闸坝、气盾坝等。

高原地区河流具有高寒、高海拔、紫外线强、推移质含量高、生态环境脆弱等特点，传统的生态景观坝坝型在高原地区运用过程中也遇到了一些新的问题，因此如何选择一种经济美观，适应高原环境且运行简单可靠的生态景观坝，是高原地区生态景观坝建设的重点考虑问题。

1 工程概况

拉萨河发源于念青唐古拉山脉南麓，海拔高度从源头的5 500 m到河口的3 580 m，是世界上海拔最高的河流之一。拉萨河是拉萨市的母亲河，位于拉萨市区南部，主流游摆不定，为典型的游荡性河道，枯水期边滩裸露，风沙肆虐。

根据《西藏自治区拉萨市拉萨河(城区段)综合整治工程规划》，拉萨河城区段规划建设6道水坝，形成湖面景观，改善城区段河流生态条件。目前该段河道已经修建完成2号(橡胶坝)、3号(水闸)和4号(橡胶坝)三道挡水坝，对改善拉萨市城区生态环境发挥了重要作用。

6号闸为拉萨河城区段综合整治工程的首级水闸，挡水高度3～4 m，其主要工程任务为：在不影响河道行洪能力的前提下，通过新建拦河闸坝抬高水位形成湖面景观，改善河道生态环境，提升城市整体形象，同时兼顾两岸的交通需求。6号闸址位于纳金大桥下游，河床宽度约为600 m。

2 常用景观坝坝型

城市生态景观坝发展进程中常用的几种类型有水闸、橡胶坝、钢闸坝、气盾坝等，以下对几种不同的拦河建筑物分别进行介绍。

水闸：传统水闸是水利工程中应用广泛、技术成熟的水工建筑物，一般由闸室、两岸连接段和上下游连接段所组成。水闸通过闸室安装水工钢闸门实现挡泄水功能。

橡胶坝：一种随着高分子合成材料工业发展而出现的挡水建筑物，由高强度帆布做强力骨架与合成橡胶构成，锚固在基础底板上，形成密封袋型，用水或者气压力充胀形成挡水坝。

钢闸坝：一种新型可调控溢流坝，由土建结构、带固定轴的钢性坝体、驱动装置设备等组成。

气盾坝：结合传统钢闸门和橡胶坝优点的一种新坝型，由挡水钢板、气袋和气动系统组成。气袋支撑在钢板下游面，利用气袋的充气或排气控制门体起伏和支承闸门的挡水，并可精确控制闸门开度。

3 6号闸坝型初选

拉萨河6号闸位于拉萨市的中心城区，闸址两岸主要有学校、机关、企事业单位等。由于6号闸所处的特殊地理位置，因此在坝型的选择上不仅要考虑使用功能的要求，还要考虑到美观、经济、运行管理简单等多方面因素。拉萨河城区段的2号、3号、4号闸已经建成运行，因此在闸型选择上要吸取已建水闸的运行管理经验，以及联合运行管理的协调性等方面的问题。

3.1 水 闸

传统水闸是水利工程中应用广泛、技术成熟的水工建筑物。

优点：(1)结构简单、安全可靠、耐久性强和后期维护费用低；(2)能通过闸门开度灵活控制上下游水位，满足水位控制和泄流冲沙等方面要求；(3)对抵抗泥沙磨损、水流冲蚀、冰冻影响有较强的适应性。

缺点：(1)单孔宽度较小，孔数及隔墩较多；(2)闸室总宽大，水工建筑物工程量大，运行管理人员较多，投资也较大；(3)景观效果较差。

拉萨河3号闸(见图1)由于有两岸的交通要求，因此在闸型的选择上，选用了水闸方案，从实际运行效果来看，建筑物结构较为臃肿，汛期泄洪壅水高度较高，运行维护管理人员多，在水闸局部开启时，出闸水流速度大，下游冲坑深度深。

图1 拉萨河3号闸示意

3.2 橡胶坝

橡胶坝是目前城市河道挡水工程较为常用的结构形式。橡胶坝泄流时是下泄表层水，不利于冲砂、排污。橡胶坝运行时噪音达70 dB左右，给两岸居民的生活造成不便。

优点：(1)过坝流态相对平顺稳定，跨度大，中间隔墩阻水面积小，对河道行洪影响较小，较易与周围景点和环境相协调，适宜挡水高度一般不超过5 m；(2)工程一次性投资较小，施工方便，工期短；(3)景观效果好。

缺点：(1)橡胶坝运行管理较复杂，安全可靠性差，起塌坝时间长，调度灵活性较差；(2)橡胶坝袋容易被河流中尖利物冲撞或穿刺而破坏，使用寿命短(约10～15年更换一次坝袋)，特别是拉萨河河道比降大，行洪时河道硬质的推移质含量大，且由于拉萨紫外线辐射强，坝袋耐久性较差、易老化，坝袋更换频率高；(3)坝袋容易遭人为破坏，维修养护要求高，每次行洪后均需及时检查，后期运行管理费用较高；(4)不能兼顾交通功能。

拉萨河2号闸、4号闸由于坝轴线长度相对较短，且没有两岸交通需求，因此闸型上选择了工程投资相对较低的橡胶坝(见图2)，从实际运行效果来看，其达到了生态景观坝的运行功能要求，但是仍存在泄洪噪音大，生命周期短等缺点。

图2 拉萨河2号、4号闸示意

3.3 钢闸坝

优点：(1)闸门启闭控制系统可靠；(2)钢结构门体耐砂石磨损，耐久性强；(3)可任意高度挡水，形成不同角度的瀑布效果，总体景观效果较好。

缺点：(1)受启闭控制系统影响，单跨闸门宽度不能过大，否则驱动底轴尺寸太大；(2)底轴密封受底部河床泥沙影响较大，泥沙的磨蚀极易造成密封失效、磨损、卡轴等情况；中间坝段需设置单独控制系统，同时须设置交通桥(或水下廊道)至各闸墩，土建及金结、机电成本大大增加；(3)相对于其他景观闸型投资高。

图3 典型钢坝示意

3.4 气盾坝

气盾坝是综合橡胶坝、钢闸坝二者之长的新型挡、泄水建筑物，由盾板、气囊、充排系统等组成，其挡水高度一般在2～5 m之间，兼具了钢闸坝、橡胶坝的优点，又在一定程度上克服了二者的不足。

钢盾板提供正面挡水，具有充涨功能的橡胶气囊提供挡水盾板的支撑，基础锚固螺栓和软连接构筑坝的整体结构，气动充排系统提供运行动力，实现升坝和降坝。挡水运行时，支撑气囊隐蔽在盾板之后，水流和漂浮物越盾板而过，支撑气囊和附属系统不受冲刷。降坝泄洪时，盾板将气囊完全覆盖，气囊与流水、沙石、冰凌完全隔开，也不因流水的拍打、震动产生磨损，气囊处于更安全的保护环境(如图4所示)。

图4 气盾坝钢盾坝挡水、泄水示意

气盾坝具有如下优点：(1)在较为宽阔的河道上，气盾坝单跨宽度布置灵活，最大跨度可达到120 m，可有效地减少闸墩的布置数量；(2)闸门全开时，门体全部倒卧在河底，基本与原河床高度持平，不影响景观、通航和水生动物的回游，有利于行洪、敞泄冲沙；(3)可结合桥梁闸墩灵活进行布置，在桥梁下部或下游侧实现挡水功能；(4)与其他坝型比较，其安全性更高，不存在因断电造成坝袋塌落不下或塌落不充分的危险，在手动和电动模式均可完成排气，实现顺利泄洪，特别是在电力中断的状态下，运行具备最基本的安全保障。

根据河道特性及6号闸工程的功能定位可知，拉萨河两岸跨度较大，汛期泥沙含量高，且需要兼顾两岸交通建桥需求(见图5)，气盾坝在这几个特性方面均适合于该项目的工程特点，因此将气盾坝作为该生态景观坝的推荐坝型。

图5 气盾坝与交通桥结合布置形态示意

4 气盾坝在高原运用的可行性分析

气盾坝以其优异的性能得到广泛应用，目前已经在多个高原、寒冷地区应用，高海拔同其他地区相比，存在气温低、紫外线照射强等特点。气盾坝金属盾板、压板能应用在高海拔地区，橡胶气囊采用三元乙丙橡胶，其耐低温、耐老化性能优越。乙丙橡胶基本上是一种饱和橡胶，主链是由化学稳定的饱和烃组成，只是在侧链中含有不饱和的双键，分子内无极性取代基，分子间内聚能低，分子链在较宽的温度范围内保持柔顺性，因而使其具有独特的性能。

4.1 耐老化性能

乙丙橡胶具有突出的耐臭氧性能，不但大大优于天然橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡胶等通用橡胶，而且也优于一般被认为耐老化性能很好的丁基橡胶。例如，在含抽样100 pphm的介质中，乙丙橡胶经2 430 h仍不龟裂，二丁基橡胶仅534 h即产生大裂口，氯丁橡胶则只有46 h就龟裂；在臭氧浓度为50 pphm介质中，静拉伸30%时，乙丙橡胶试样发生龟裂的时间大于150 h，而丁基橡胶在几小时内就会发生龟裂，可见乙丙橡胶的耐臭氧性是最佳的。

4.2 耐候性能

乙丙橡胶耐候性好，能长期在阳光、潮湿、寒冷的自然环境中使用，在低温下仍能保持较好的弹性和较小的压缩变形，其最低极限使用温度可达-50 ℃或更低。一般乙丙橡胶是非结晶的，其玻璃化温度(Tg)与丙烯含量有关，具有最佳低温性能的乙丙橡胶，其丙烯含量为40%～50%(重量)。与低温行为最密切相关的是硫化胶的弹性，具有良好低温性能的硫化胶亦具有良好的低温弹性。

4.3 使用寿命

据相关资料介绍，中国石油大学曾对三元乙丙橡胶采用加速老化方法进行过寿命研究，研究内容为：通过在不同温度下、不同老化时间的性能变化率建立数学模型推算其寿命。研究结果表明，以性能变化值y=30%为临界值，三元乙丙橡胶推算寿命在40年以上。

5 结 语

生态坝常用的数种坝型都有其优点和缺点，在城市生态坝建设中均有成功应用案例。目前拉萨河2号闸、4号闸闸型为橡胶坝，3号闸闸型为传统水闸，1号闸和6号闸坝型拟选用气盾坝，5号闸从闸型的多样性考虑选择了功能与气盾坝相类似的液压升降坝。目前，各种坝型在高原城市中的运用还处于初步探索阶段，但随着生态景观坝技术的不断发展，城市生态环境建设会使城市变得更加美好。