城市河道橡胶坝与活水系统的结合设计研究

崔 阳，李建军，刘 彬，苏 丹，张 茜，费晓磊

(1.淮安市水利勘测设计研究院有限公司，江苏 淮安 223001；2.泰州市水利局，江苏 泰州 225300；3.浦口区水务局，江苏 南京 210000)

无锡市新吴区河道依托流域、区域水系发展，基本形成了“两纵两横”的骨干水系框架，但也给上游污水入境开辟了通道，受京杭运河、伯渎港水质的影响，新吴区河道水环境不容乐观，水质达标压力巨大。

为改善区域河道水质，提升区域水环境质量，新吴区大力开展全区河道整治，以期实现河畅、水清、岸绿、景美，打造安全、清洁、健康的城市水环境。本文以无锡市新吴区惠更上浜河道为研究对象，立足解决河道自身存在的水质问题基础上，研究实现断头浜河道活水循环的有效措施，提出了橡胶坝与活水系统结合设计的水动力循环系统构想，以实现河道活水保障，并为类似城市断头浜河道水环境提质增效提供方案借鉴。

1 现状及问题

惠更上浜河道全长约900.0m，现状为断头浜，水流方向由西向东；河道平均宽度13.5m，深度为岸边浅中间深，岸边深度约1.0m，中间深度约2.5m，基本无流速。现状河道水质为劣Ⅴ类，直接连通下游河道向东河。向东河河道平均宽度为14.0m，河道深度为岸边浅中间深，岸边深度约1.5m，中间深度为2.8～3.0m，水流方向为自北向南，向东河水质为Ⅲ～Ⅳ类水。向东河下游连通澄锡片区骨干河道伯渎港，因此，惠更上浜河道的水质情况直接影响区域水环境质量。目前，惠更上浜河道主要存在以下几方面问题。

(1)水体水质问题严重。河道现状为断头浜，水体无流动性，河道水质浑浊，颜色墨绿，无透明度，景观效果差，水质指标为劣Ⅴ类。

(2)外源污染问题明显。河道上游岸坡杂树、杂草多，落叶沉积腐败产生大量沼气；同时，降雨径流将地表的、沉积在下水管网的污染物冲刷汇入河道，形成外源污染。

(3)内源污染问题突出。底部河泥为厌氧污泥，含大量碎石块等建筑垃圾，影响河道水生环境的构建。

(4)净化能力严重不足。河床不规整，底泥缺氧，不利于沉水净化系统构建；河道现状生态浮岛缺乏养护，水生植物枯死现象严重，河道自身净化能力严重不足。

2 工程任务与目标

本次工程主要任务是通过岸坡及河床治理、水动力循环系统构建、水生态系统构建、控源截污等一系列措施的实施，实现惠更上浜河道水环境的提质增效，构建兼具净化与景观功能的水下森林及稳定的调水系统，保证整治后惠更上浜河道全年水质达到Ⅲ类水标准，实现河道水流通畅、水清岸洁。文章重点对橡胶坝和活水系统构成的水动力循环系统设计进行分析研究。

3 橡胶坝的设计

橡胶坝作为河道工程中常用的挡水、蓄水建筑物，由于其操作方便、坝顶蓄水可控、施工周期短、造价低、美化环境[1]等显著优点广泛应用于城市河道治理工程中。

本工程橡胶坝位于惠更上浜与向东河交界处，可双向挡水。主体建筑物包括橡胶坝段、上下游连接段、充排水系统等。橡胶坝段顺水流向长8.0m，垂直水流向宽12.8m，共1孔。由于坝址两侧存在用地矛盾，为了减小占地，坝身段采用C30钢筋混凝土U型墙结构。根据惠更上浜与向东河水位关系，确定橡胶坝最大挡水高2.0m，坝袋高2.2m。坝袋胶囊通过压板锚固在钢筋混凝土底板上，底板顶高程1.70m，厚0.7m。两侧边墩采用钢筋混凝土结构，为防止坝袋塌肩，边墩底板顶面采用长2.0m、坡度为1∶10斜坡面，使靠近墩部处底板抬高0.2m。

3.1 坝袋设计

3.1.1坝袋设计指标及材料选择

橡胶坝按充胀介质可分为充水式、充气式[2]。充水式橡胶坝在坝顶溢流时袋形比较稳定，过水均匀，对下游冲刷小，同时充水式橡胶坝对气密性要求较充气式橡胶坝低。结合工程实际，本工程橡胶坝采用堵头、双锚、单袋充水式橡胶坝。坝袋内压比设计为1.40，坝袋强度安全系数大于6.0。

坝袋设计主要包括坝袋径向计算强度、坝袋有效周长、坝袋单宽容积等几个主要方面。坝袋材质选用坝袋胶布为2布3胶结构，胶布选用锦纶帆布，挡水高2.2m的坝袋采用JBD2.5-160160-2，胶布经向强度256kN/m，纬向强度256kN/m。

3.1.2坝袋锚固设计

为减少坝袋振动磨损，锚固线采用上下游布置的双线锚固，锚固结构[3]型式，采用螺栓压板锚固，锚固时，采用穿孔锚固。单位长度螺栓计算荷载，应考虑锚固构件的强度、耐久性、锚固力、锈蚀等因素，根据所采用的锚固结构型式，计算确定。

螺栓间距应根据采用的压板刚度和螺栓直径进行计算确定。螺栓直径，计算公式：

(1)

经计算，螺栓最小有效直径为17.55mm，选用M22螺栓。

3.2 坝充排水系统设计

3.2.1充、排水泵站装机容量的确定和机型选定

橡胶坝坝袋充水方式[4]有2种：水泵间接充坝和水泵直接充坝方式。橡胶坝坝袋排水方式有3种：机排、自排和自排与机排相结合。本工程橡胶坝位于2条河道交汇处，水源充足，但上下游水头差较小，不满足自排所需水头势能差。根据工程特点，坝袋充水采用水泵直接充坝，坝袋排水采用机排。

惠更上浜橡胶坝总长12.8m，坝高2.2m，橡胶坝容积96.2m3，坝袋内压比α=1.40。根据GBT 50979—2014《橡胶坝工程技术规范》和国内已建橡胶坝工程统计，充坝时间多为2～3h，塌坝时间多为1～2h；则橡胶坝充水机组设计流量35～50m3/h，排水机组设计流量大于50～100m3/h。综合考虑橡胶坝的制造及运行因素，确定充坝时间按2h，坍坝时间按1h设计。经计算，确定本工程橡胶坝充坝水泵流量为48.1m3/h，塌坝水泵流量为96.2m3/h。水泵的扬程应根据管道的布置分别计算充坝或塌坝时所需的水压力。经计算，塌坝时所需水压力约为3.21m，充坝时所需水压力约为4.66m。

橡胶坝充排水总管采用一根DN200mm钢管，最大流速为0.71m/s，吸水管采用DN100mm钢管，最大流速为1.42m/s。橡胶坝充水系统采用两台80QW40-7-2.2潜水泵，充水时2台潜水泵同时工作，充水时间约1.2h，若1台故障时，1台工作，充水时间约2.4h，满足设计要求。橡胶坝排水系统采用TXW100-80-125离心泵2台，考虑1用1备，排水时1台排水泵工作，排水时间约为1.2h，满足设计要求。

3.2.2溢流管布置

橡胶坝总设计1孔，为保证坝袋安全，在右侧边墩处设DN200mm的溢流管1根，共1根，溢流管出口高程满足坝袋内压比α=1.40的要求，为防止逆流，在溢流管上设DN150mm逆止阀1台。

3.2.3坝袋充排水操作过程

(1)坝袋充水。①打开泵房内DN100充水管电动蝶阀(4号)。②关闭排水泵出水管DN200电动蝶阀(7、8、9号)。③起动潜水充水泵。④观测压力变送器显示仪表读数情况，读数对应坝袋已充满，即溢流管流水时，停2台潜水充水泵，关闭DN100充水管电动蝶阀。

(2)坝袋排水。①打开排水泵进水管DN200手动蝶阀(7、8、9号)。②起动排水泵，共1台。③观测压力变送器显示仪表读数情况，读数对应坝袋水已排完时，制停排水泵，关闭DN200排水泵出水管电动蝶阀。橡胶坝水机联动控制系统如图1所示，1～9为蝶阀。

图1 橡胶坝水机联动系统图

4 活水系统的设计研究

惠更上浜河道现状为断头浜，水体流动性差。为实现惠更上浜河道活水，促进水体上下循环[5]，提升底层溶解氧能力。本工程在惠更上浜河道末端设置取水点，将向东河的水通过泵站和压力管输送至惠更上浜河段上游，河道中的水通过橡胶坝溢流进而实现河道活水。

4.1 循环水量分析

相比于自然河流，城镇河流的生态功能比较复杂，基于城镇河流不同功能对水量的要求各异，补水流量确定，也必须考虑不同的生态需水要求[6]。目前，补水流量计算还处于探索阶段，计算方法众多，且不同方法之间差异较大。本次惠更上浜河道活水循环水量，结合河道蓄水量及换水周期，同步考虑。

惠更上浜河道设计平均蓄水深度按2.0m计，水域面积约11260m2，河道活水量约22520m3。活水循环周期按4d考虑，开泵时间按16h/d计。根据惠更上浜河道活水量和活水周期，确定河道活水规模为360m3/h。

4.2 活水系统与橡胶坝水机系统结合布置

4.2.1引水泵站的水力设计

引水泵站设置在惠更上浜河道末端。由于工程施工区域紧邻厂区，占地问题是工程中难点之一，同时，受用地条件限制，引调水泵站仅能采用地下泵房。因此，首要引调水方案考虑采用长距离输水常用的一体化桶式泵站，优点是，施工安装较为便利。但由于该工程引水河道常水位与现状岸顶高差较大，若采用该型式泵站引水，埋深约6m，开挖作业面较大，施工矛盾仍旧较大。考虑到本工程橡胶坝排水泵室与取水点较近，且泵室开挖深度较小，拟结合橡胶坝排水泵室设计，将活水系统中引水泵设计与之结合，既减小了工程占地，同时节省了工程造价。

根据引水泵站设计流量和扬程，选用1台200HWG-8卧式混流泵可满足该引水泵站的输水需求，且引水泵设计流量与河道活水规模一致。引水泵站进水管采用DN250镀锌钢管，长约10m，进水管管底高程为1.70m；出水管采用φ315PE管，公称压力PN(0.8MPa)，长约900m，沿河道底部布置，每间隔20m设置镇墩包裹，防止管道受浮力出现上浮风险，管道末端出水口与集水井连接，进而实现活水系统的长距离引调水功能。

4.2.2排水泵站的水力设计

本工程橡胶坝位于两河交界处，内外河水位相差较小，内河水位调控仍需借助其他措施。为了更好地适时调控惠更上浜河道水位，适应沉水植物种植的蓄水深度在不同生长时期要求，兼顾河道上游非常时间段的排水需求，在河道末端新建排水泵，相机抽排。

由于受工程用地限制，考虑采用潜水泵布置于河道内，结合橡胶坝充水泵布置，在橡胶坝坝前设1座2.6m×2.0m×1.5m(长×宽×深)吸水井，吸水井采用钢筋混凝土结构，潜水泵设在吸水井内。在挡墙外侧设置导轨，便于升降水泵，方便检修。排水泵设计流量0.1m3/s，设计扬程为6.0m，选用1台200WQ380-7-11潜水泵，配用功率11kW。出水管采用DN200镀锌钢管，长约40.0m，出水管中心高程为4.50m，管道出口需在向东河常水位以下，取2.50m。排水泵站实现了对惠更上浜河道水位的适时控制，便于后期沉水植物的养护管理。

此外，远程控制在工程建设中应用广泛，为方便运行管理单位对橡胶坝和活水系统的远程控制与监测，工程考虑设置PLC系统[7]进行远程控制，采用RS485接口形式与远程控制网关交互数据。为确保数据安全，需要对MODBUS-RTU协议每帧数据使用DES加密算法处理；每一帧数据发送方使用DES加密帧数据，接收方使用DES解密帧数据。远程控制网关为主站，橡胶坝和活水系统控制器为从站，使用DBS加密算法。

5 结语

橡胶坝在城市断头浜河道中的布置，可满足河道景观性需求[8]；活水系统可为断头浜河道提供引水、活水的动力来源，二者结合布置构成的水动力循环系统，不仅减小了工程占地，同时实现了断头浜河道的溢流活水，提升了河道的景观欣赏性。此外，橡胶坝与活水系统的结合布置，有利于断头浜河道内水生态系统的构建和养护。关于橡胶坝的设计，坝袋的设计尤为关键。目前，国内常用的充水式橡胶坝仍通过溢流管来控制坝袋水头压力，当充水溢流时，坝袋压力往往大于坝袋设计值。因此，未来对于坝袋充水时的内水压力控制、监测有待进一步深入研究。