新型蓄水建筑物在城市生态河道治理工程中的应用

李 铁，王福生，翁明皓，童琦媛

(淮安市水利勘测设计研究院有限公司，江苏 淮安 223001)

1 概述

随着人民生活水平不断提高，对人居环境要求也越来越高，河道作为自然界中不可缺少的一部分，生态河道的概念早已深入人心，全国各地的河道生态护岸建设也已屡见不鲜[1]。除生态护岸建设外，城市河道保持常年一定的生态水位和水面面积在生态环境中的积极作用也逐渐引起人们的重视。河道生态蓄水可以延迟河水水力停留时间，并为生物生长净化水质提供生态位空间，同时在改善小气候方面的作用也是无可替代的。因此越来越多的城市在河道中设置了一道甚至多道蓄水建筑物[2]，蓄水建筑物的型式也是种类繁多。

近年来，气盾坝[3]、液压坝[4]、橡胶坝[5]等新型蓄水建筑物广泛应用于河道治理工程，越来越多学者对其开展研究。已有的新型蓄水建筑物相关研究大多围绕特定蓄水建筑物的设计、方案比较开展，本文以金湖县城西河活水工程——城西河节制闸为例，从行洪与蓄水、泥沙及漂浮物影响、使用寿命、运行维护管理、美观性、工程投资6个方面进行对比分析气盾坝、液压坝、橡胶坝3种新型建筑物的优缺点，研究新型蓄水建筑物在城市生态河道治理的应用，为类似工程的设计提供一定依据。

2 工程概况

金湖县位于淮河下游，江苏省中部偏西，东与宝应县、高邮市隔水相望，南与安徽省天长市相邻，西与盱眙县、洪泽县交界，北与洪泽县毗邻。县域以西紧邻我国五大淡水湖之一的洪泽湖，境内东部有白马湖、宝应湖、高邮湖，淮河入江水道自西向东横穿腹地。县域总面积1394km2，其中，陆地面积930km2，水域面积420km2，滩地面积44km2。金湖县城西河活水工程旨在通过对金湖县城水系进行系统治理，使县城境内水安全、水文化、水景观、水旅游等将得到了极大提高，并可充分发挥水利工程服务生产的作用，从而创建人水和谐的人居环境，促进地区的安定团结，促进经济社会的可持续发展。

金湖县城西河活水工程主要建设内容包括生态河道工程、节制闸工程、生态修复及景观绿化工程以及道路桥梁工程等。其中，位于健康西路北侧的城西河节制闸(新建)承担着调蓄河道水位、增加河道景观效果的重要任务，着力打造金湖“水清、水洁、水畅、水秀”的自然生态城市风貌，实现水系畅通、景观优美、生态优良的现代美丽城市发展目标。因此在节制闸设计时应充分考虑建筑物的生态景观效果，选取适合的建筑物型式。

3 坝型方案比选

传统的水闸在河道治理工程中已有较多成功应用的案例，现阶段水闸的设计、施工、管理技术也日益成熟，但由于其闸室构件多为钢筋混凝土结构，经常需配合启闭机、排架、工作桥等同时使用，在景观效果方面表现较差，因此对于景观效果有一定要求的河段，其蓄水建筑物型式一般不考虑此类传统水闸。

考虑到本工程中城西河节制闸的一个主要任务为增强河道景观效果，提高城市自然生态风貌，因此节制闸拟采用具有较高景观效果的新型蓄水建筑物型式。目前，此类景观性强的新型蓄水建筑物主要有气盾坝、液压坝、橡胶坝等，本次对这3种蓄水建筑物方案进行比选，最终确定城西河节制闸的结构布置型式。

3.1 气盾坝

气盾坝，也被称作气动盾形闸坝，是一种新型的挡水结构，其兼具橡胶坝和钢板坝的优点，刚柔并济，其结构主要由盾板、充气气囊及控制系统等组成。

气盾坝吸收了传统活动坝型之精华，摒弃了传统活动坝型之不足，具有结构简单，可连续延伸钢坝横跨水域，单跨度可以达200m以上，建设、安装周期短；防洪渡汛能力突出，运行安全可靠；过水高度和运行状态持续可控；具有更强的清污、排淤能力；挡水和过水能力更高；充排时间短，运行管理简单；使用寿命超长，综合效益高；抗震能力强，对基础的适应性高；景观效果佳等特点。

3.2 液压坝

液压坝是一种兼顾挡水和泄水双重功能的新型活动坝，其力学原理与自卸汽车类似，在结合了传统支墩坝的基础上，采用液压系统控制坝体升降。

液压控制系统通常由4部分组成，分别为动力设备、控制调节设备、执行元件和辅助设备。动力设备一般为液压泵，主要作用为将机械能转化为液压能提供动力；控制调节设备主要由一系列控制阀组成，起到调节控制液压油的压力、方向、流量等，一般包含节流阀、换向阀、溢流阀等；执行元件主要为液压缸，达到利用液压系统控制坝体升降的目的；辅助设备的主要作用为将动力设备、控制调节设备、执行元件有机串联成一个完成的液压回路。

3.3 橡胶坝

橡胶坝是一种新型袋式挡水坝，能够根据工程的实际需求调整坝高，达到维持上游水位的目的。当上游来水较多时，坝顶也能够溢流，具有防洪、供水、发电、通航等综合效益。橡胶坝的主体受力结构为高强度合成纤维织物，内外均涂敷橡胶作为保护层，加工形成胶布，并将其固定在建筑物底板上，形成封闭的挡水坝袋，使用时只需通过预先留设的管路向坝袋中充气(水)，使其膨胀从而形成袋式挡水坝。

橡胶坝结构简单，具有节省三材、造价低、施工工期短、自重轻、抗震性能好、跨度大、止水效果好、新颖美观等优点，在实际工程中被大量应用。但在工程运行过程中，橡胶坝也表现出了缺点和不足，例如坝袋坚固性差、坝袋易老化，使用寿命较短，坝高受限等缺点，而且橡胶气袋等主要设备需要进口，目前国内无替代产品，一旦损坏，更换费用及订货周期均受代理商限制。

3.4 方案比选分析

从行洪与蓄水、泥沙及漂浮物影响、使用寿命、运行维护管理、美观性、工程投资等方面对气盾坝、液压坝、橡胶坝3种建筑物型式进行比较分析，见表1。

(1)行洪和蓄水方面：3种坝型除橡胶坝外都能够快速塌坝或升坝，快速泄水而不影响河道行洪或快速蓄水，并且可以任意调节坝高。

(2)泥沙及漂浮物影响方面：气盾坝和液压坝可通过液压或气囊装置强行顶开坝面从而达到塌坝或升坝，不受泥沙及漂浮物影响，而橡胶坝的坝袋容易被水中的尖锐物体破坏。

(3)使用寿命方面：气盾坝使用年限最长，一般在40年左右；液压坝使用年限在30年左右；橡胶坝因坝袋易老化等原因，使用寿命最短，一般最多15年。

(4)运行维护管理方面：气盾坝与液压坝因结构复杂，故管理要求较高，但气盾坝的维护成本比液压坝要低；橡胶坝因结构简单，故而维护比较方便，但需要经常清理杂物，防止破坏。

(5)美观性方面：3种坝型的坝面或坝袋都可以做成彩色，气盾坝瀑布景观效果最好，液压坝瀑布景观效果次之，橡胶坝因坝体为圆形，瀑布景观效果最差。

(6)投资方面，根据所实施的项目并参考市场价，几种坝型在相同地质情况下土建方面投资相差不大。如果仅考虑设备方面(含闸坝、启闭设备、埋件等附属)，气盾坝综合单价比另外两种略高，橡胶坝最低，一般不高于1万元/m。

重点考虑城西河生态蓄水建筑物的整体景观和瀑布效果，结合后期运维成本以及使用寿命等方面内容，同时参考城西河现状以及周边区域其它类似工程的实施情况(周边区域部分河道已建有气盾坝，运行效果较好)，最终确定本次城西河节制闸蓄水建筑物的型式采用气盾坝。

4 气盾坝结构设计

4.1 工程布置

城西河节制闸设计流量为16.0m3/s，工程等别为Ⅴ等，主要建筑物级别为5级，次要建筑物级别为5级。采用1孔15m气袋升降式翻板闸，上游连接段采用直立式钢筋混凝土翼墙与河道衔接，下游连接段采用直立式钢筋砼翼墙出水。闸身顺水流向长10.00m，垂直水流向宽16.60m；闸室底板顶高程11.00m，闸墩顶高程14.50m，消力池顶高程10.66m，消力池底高程10.16m，河道底高程11.00m；上游护坦长8.00m，下游消力池长8.00m，水闸纵剖面布置如图1所示。

本工程气盾坝闸采用气囊充气驱动形式，闸门采用钢闸门，闸门挡水高度3.0m，设计水头差按2.0m考虑，闸下有水，金属结构主要包括闸门门体、气囊、配套设备、管路等部分组成。气盾坝坝高3m，坝长15m，每组盾板长4.96m，共3块盾板，气盾坝技术特性见表2。

表2 技术特性表

4.2 水力计算分析

4.2.1过流计算

本工程为景观蓄水坝，不同于一般防洪排涝闸，平时无泄流，行洪时塌坝，不影响河道正常排涝。

4.2.2消能计算

消能设计主要考虑塌坝泄水水流对下游的影响，消能工按照构造设置即可，消力池长8.0m，深0.5m，消力池后设30cm厚格宾笼海漫，长度10m，下设15cm碎石垫层及土工布一层，海漫后接下游河道。

4.2.3防渗计算

根据SL 265—2016《水闸设计规范》，坝基防渗长度可按下式计算[6]：

L=C·ΔH

(1)

式中，L—为允许防渗长度；ΔH—上、下游水位差，H上=14.0m，H下=11.5m；C—渗径系数，C取5；

根据计算结果，允许防渗长度为12.5m，设计防渗长度为31.1m，满足规范要求。计算结果见表3。

表3 闸基防渗长度计算成果表

4.3 闸室稳定计算分析

4.3.1闸室稳定计算

闸底板顺水流向总长为10.0m，垂直水流向总长16.6m。为了减小底板由于孔径过大而产生的应力，底板分为3块，宽度分别为6.2m(边孔)和4.2m(中孔)，设2cm宽沉降缝。考虑结构布置的对称性，计算时选取边块及中块进行稳定计算分析，闸室具体布置如图2所示。

图2 闸室结构示意图

闸室抗滑稳定安全系数按SL 265—2016中公式7.3.6-1计算，即：

(2)

式中，∑G—作用于闸底面以上的全部竖向荷载；∑H—作用于闸身上的全部水平向荷载；f—闸室底板底面与地基之间的摩擦系数。

根据SL 265—2016，在没有试验资料的情况下，闸室底板底面与地基之间的摩擦系数f按规范表7.3.10所列数值选用。本次复核计算取综合摩擦系数f=0.35。

4.3.2地基应力计算

地基应力计算按SL 265—2016中公式7.3.4-1计算，即：

(3)

计算结果表明，水闸闸身段在各种计算工况下的整体稳定均能满足规范要求，地基反力也小于允许的地基承载力。闸室稳定计算成果见表4。

表4 闸室稳定计算成果表

5 结语

新时代下的生态河道蓄水建筑物应与自然人文、景观规划等相协调，尤其是城区河道蓄水建筑物设计过程中，除了需要满足基本功能要求外，更应重点关注生态景观效果，新型蓄水建筑物的应用研究是今后生态河道治理工作的重中之重。本文研究了气盾坝、液压坝、橡胶坝这3种常见新型蓄水建筑物的结构型式和特点，结合城西河现状与当地工程实践情况，以整体景观效果为主要指标，同时兼顾后期运维成本及使用寿命等因素，经过方案比选最终确定城西河节制闸采用新型蓄水建筑物结构型式——气盾坝。在满足基本蓄水需求后，气盾坝能够结合城市景观要求，将拦河坝、喷泉集中在一起，营造优美的喷泉、瀑布景观效果，实现一体多能、一点多景综合效益。

结合河道现状，对城西河节制闸工程进行合理化布置，研究了气盾坝的水力计算、稳定计算方法，计算结果表明本工程采用气盾坝是合理可行，且行之有效的。本文所采用的新型蓄水建筑物结构型式比选过程及气盾坝结构设计方法对类似城市生态河道治理工程具有一定的参考意义，有利于推动后续新型蓄水建筑物应用研究工作的顺利开展。