神嘴窝生态蓄水工程拦河坝选型设计

孙冬艳

（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

神嘴窝生态蓄水工程位于朔州市怀仁县神嘴窝村南的桑干河干流上，与怀仁县县城相距约13 km，是桑干河综合治理与生态修复工程的重要组成部分。该项工程能够使得桑干河干流和支流汇入口处形成一处较大规模的生态蓄水湿地，以此来增加水面和湿地面积、优化河流生态环境、增强河水自净能力、改良景区观赏效果，显著体现出该工程强大的生态效益和社会效益。

该项工程主要包括总长252 m 的拦河坝1 座，以及河道左右侧生态护岸和植物护岸。其中主槽拦河闸高3 m、长102 m，滩地拦河闸高2 m、长150 m，中间景观平台宽49 m。拦河闸蓄水水位为978.5 m，蓄水面积为113.8 万m2，水库总库容为95.2 万m3。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252-2017），确定该项工程等别为Ⅴ等，主要建筑物液压坝级别为5 级永久性水工建筑物，设计洪水标准重现期为10 a，校核洪水标准重现期为20 a。

2 工程设计原则

为了实现桑干河基流量逐步恢复、河段生态水量得到保障、生态环境得以根本好转等目标，根据相关工程规定，结合桑干河相应位置特点，工程布置需要遵循原则如下：

2.1 服从总体规划

作为永定河综合治理与生态修复工程的子项目，工程应以《永定河综合治理与生态修复总体方案》《永定河综合治理与生态修复实施方案（山西水利部分）》等方案为依据，确定工程应遵循的原则、目标及要求，做到局部服从总体规划。

2.2 贯彻生态文明理念

着眼建设生态型水利工程，工程布置尽可能维持现有河道两岸自然状态，在工程立面设计上，采用主槽和浅滩相结合的生态蓄水方式，蓄水区不设防渗措施，形成开放的生境条件，以保持河道与左右岸生态系统的连续性，造就完整的生态系统。

2.3 坚持因地制宜

在不影响行洪的前提下，工程施工充分利用现有护岸；同时，在施工过程中注重土方平衡，做到内土不外运，外土不进场。

2.4 突出主体功能

所建水闸主要用于拦河蓄水、改善生态环境、提高河水自净能力、提升区域景观效果，不承担下游防洪任务，不设防洪库容。

2.5 保持河道行洪能力

拦河闸的设计要保证不降低现有河道断面行洪能力，过流宽度与原河道宽度基本一致；水闸在设计标准条件下，宣泄洪水时闸前上游水位不造成壅高，不影响现状防洪堤因水位壅高而需增加堤身高度。

3 拦河坝坝型比选

从神嘴窝生态蓄水工程概况和设计原则可以看出，拦河坝坝型的选择在工程设计中显得尤为关键。在桑干河上兴建蓄水拦河坝，不但需要在平时可以关闸蓄水，而且还应该在汛期能够倒伏行洪，使得河道的行洪安全具有坚实的保证。在河道生态治理蓄水工程中，国内常用的几种景观壅水闸坝有：橡胶坝、底横轴转动翻板闸、钢坝闸。结合本工程具体情况，对上述三种坝型进行综合比较。

3.1 橡胶坝

橡胶坝分为充水式和充气式两种，主要是利用充水（气）泵对橡胶坝袋充水（气）膨胀，进而达到挡水目的。与常规闸坝相比，橡胶坝具有造价低、施工期短、抗震性能好等特点，同时受内外部因素影响，橡胶坝在运行维护、防洪效能、景观效果等方面存在一定劣势。①运行维护不易。坝袋使用寿命一般为10～15 a，而且易受外界水沙、尖锐漂浮物及人为破坏发生坝袋泄漏进而影响正常运行。夏季坝顶溢流长时间超过50 cm，易跨坝，需加强汛期的运行管理；冬季需塌坝运行或坝前凿冰越冬。②防洪效能较差。立坝、塌坝时间较长，影响快速截流、蓄水或泄洪，会给河道行洪带来安全隐患；特别是塌坝时，坝内的水体不能完全放尽，会形成不低于20 cm 的壅水高度，影响泄洪流量。③观景体验欠佳。由于坝袋易褪色、变形，从而导致了坝体外形美感欠佳；而且瀑布景观给游客的体验效果会受到坝顶溢流的影响。④冲砂性能过弱。坝体整体升降，坝前较淤积，清理困难。⑤建设成本较低。本工程若采用橡胶坝，在坝高3 m 的情况下，延米投资约为5 万元。

3.2 底横轴转动翻板闸

底横轴翻板闸门主要是利用液压系统通过设在闸板下游的液压油缸支撑转动伸缩来实现闸板卧倒开门直立挡水。与其他常规闸坝相比，底横轴翻板闸不仅具有造价低、适用范围广、结构坚固可靠等优点，同时在运行维护、防洪效能、景观效果、冲砂性能等方面存在较大优势。①运行维护容易。闸门门体能够做到单扇开启行洪、冲砂和关闭蓄水；门体间可相互导流、分段维护；部件经久耐用、不易损坏，而且更换非常简便，使用年限相对较长，可以达到30～50 a。该坝型有运行、检修方便，维护管理成本低等特点。②防洪效能较强。该坝型行洪过水、冲砂、排漂浮物效果都比较好，汛期洪水暴涨达到设定的高度时，通过浮标控制自动放坝行洪，自动放坝功能可靠，行洪效果好。该坝型采用液压启闭机对闸门进行启闭，使得闸门的速度能够达到1～2 m/min，升坝和塌坝在几分钟之内就可以完成，而且可以完全放倒至与河底齐平，能够确保满足泄洪需求。③景观效果良好。底横轴转动翻板闸闸顶较为平整，可长时间、大流量地进行溢流，进而形成人造的瀑布景观。瀑布坝体设计为弧形，活动坝面高度可以随意调节，形成的瀑布和水帘长廊观景效果良好。④冲砂性能较强。可分孔开闸、集中排砂，闸前不易淤积。⑤建设成本不高。本工程若采用底横轴转动翻板闸门，在坝高3 m 的情况下，延米投资约为6～7 万元。

3.3 钢坝闸

钢坝闸是近年来推广使用的一种新型闸坝，是在常规水闸基础上改良发展起来的新型挡水建筑物。蓄水工程布置钢坝闸具有使用寿命长、运行维护方便、防洪安全有保障等优势，同时存在一次性投资大、冲砂性能不佳等劣势。①运行维护便捷。闸门运转件采用特殊复合材料，不易锈蚀，可在水下长期运行。不仅易损坏，而且运行控制非常方便；同时，钢坝由多块钢板拼接，对于较长的跨度要设置较多中敦，几片钢坝间的密封依靠密封带，在钢坝起落过程中，易磨损失去密封作用，需要定期更换。②防洪效能较强。钢坝闸与底横轴转动翻板闸类似，同样采用液压启闭。与之不同的是，钢坝闸受单扇闸门宽度限制，河道较宽情况下需要布置一定数量中墩，缩窄断面影响泄洪。③景观效果良好。门体外形美观，坝顶平整，溢流时瀑布景观效果好。④冲砂性能较差。钢坝闸与橡胶坝相类似，坝体整体升降，坝前易淤积，清理困难。⑤建设成本较高。本工程若采用钢坝闸，在坝高3 m 的情况下，延米投资约为13 万元。

表1 拦河坝坝型优缺点对比

通过以上三种拦河坝特点的比较分析可以看出，橡胶坝方案主要存在使用寿命较短、立坝塌坝用时较长等问题，故本项目不建议采用橡胶坝型式；钢坝闸方案对河道行洪能力影响较大、工程造价高，依据目前国内已建设的钢坝闸规格尺寸，按每孔40 m 布置，本工程需布置中墩需6 个，每个中墩宽度8 m，中墩一项就缩窄河道48 m，且此段河道受地形条件限制不可能扩宽加大泄流能力，因此为了不影响正常河道泄洪，此段河道不建议选用钢坝闸拦河坝方案；相对来说，底横轴转动翻板闸门无论从技术含量、利于景观多样性等方面，还是从外形景观效果、使用寿命、防洪影响，都比另外两种拦河坝坝型更为合适，尤其是对河道行洪断面无影响。从生态型水利工程建设的角度综合考虑，神嘴窝生态蓄水工程拦河坝最终采用启闭灵活且迅速、利于冲砂、费用较低的底横轴转动翻板闸方案。

4 结语

综上所述，通过对工程设计原则的把握，以及对几种常见拦河坝坝型特点的深入分析，神嘴窝生态蓄水工程最终选择更符合工程建设要求的底横轴转动翻板闸。实际工作中，需要充分考虑工程建设的总体规划要求，并且针对工程的工程造价、使用寿命、防洪要求、地形地质、外形景观等条件进行具体分析，进而选择适合的坝型。