橡胶坝在河道治理工程中的应用研究

2017-03-02太原市水利勘测设计院

河南水利与南水北调 2017年1期

□（太原市水利勘测设计院）

橡胶坝在河道治理工程中的应用研究

□白手平（太原市水利勘测设计院）

随着城市的发展，人们对城市河道建设提出了更多景观、亲水的要求，蓄水建筑物需要既满足水利要求，又满足城市发展要求，实现与城市景观完美统一，所以河道蓄水建筑物的选择至关重要，要求设计人员要注重蓄水建筑物的比选。文章主要结合笔者在工作中的经验，对橡胶坝、钢坝闸、液压坝及气盾坝等蓄水建筑物的形式和应用及适用条件进行了探析，对它们在工程应用中的优缺点进行了对比分析，以供参考。

河道治理；蓄水建筑物；设计方案

1 工程概况

九原区四道沙河河道疏浚工程位于包头市九原区内的四道沙河上，工程北起哈屯高勒桥，南至京包铁路桥，全长2.20 km。四道沙河位于包头市青山区东侧，整个防洪体系总流域面积132.89 km2，河道流向从出山口后向南沿着低洼地形流经昌福窑子，过京包铁路，经红旗农场、共青农场、穿包神铁路，在画匠营子村上游3.50 km处泄入黄河，为黄河干流的一级支流。

河道防洪标准为百年一遇，相应洪峰流量1 204 m3/s，堤防工程级别1级，蓄水工程等别Ⅴ等。该工程主要建设内容包括河道整治疏浚、堤防、蓄水等工程，河道断面采用矩形断面，河宽90～60 m，深5.20～5.70 m，河道设计纵坡3‰，堤防为钢筋混凝土悬臂式挡土墙，治理段内布置2座橡胶坝，河底采用水平防渗，堤顶外侧布置8 m宽抢险道路。

2 工程建设的必要性

四道沙河建设路桥以北的4.90 km河道，按照天然湿地工程和蓄水工程正在施工建设，在南部中央景观大道至包神铁路约1.80 km的河槽也进行了蓄水和堤防治理，上述经治理的河道均达到百年一遇的防洪标准。该次治理段位于建设路桥与南部中央景观大道之间，起点位于赛汗塔拉公园南端，赛汗塔拉公园南北长约3.50 km，东西宽1.40 km，占地面积约500 hm2，是全国唯一的都市草原，四道沙河流经该公园，现状河道宽约10 m，深约2 m，纵坡3‰，局部地段较窄，个别地段基本无河道，局部河段建筑垃圾随意倾倒，杂乱无章，河道景观差，生态环境恶化，防洪标准不满足防洪规划要求。与上下游治理完成的河道形成鲜明的对比，与周围环境极不协调，严重威胁两岸群众的生命财产安全，因此该段河道整治建设是非常必要的。

3 工程设计方案

3.1 工程总体布置

根据河道过流能力计算，结合上下游河道断面及工程占地等综合因素确定河道断面采用矩形断面，河宽90～60 m，深5.20～5.70 m，河道设计纵坡3%，堤防为钢筋混凝土悬臂式挡土墙，布置2座橡胶坝，河底采用水平防渗，堤顶外侧布置8 m宽抢险道路。

3.2 堤防工程设计

根据河道行洪要求、蓄水防渗以及地质勘查结果，选用钢筋混凝土悬臂式挡土墙，通过堤顶高程的确定、冲刷深度计算、抗滑稳定计算、抗倾稳定计算、防洪墙基底压应力计算等，确定挡土墙总高6.90～7.40 m，顶宽0.40 m，底宽5.80～6.20 m，临水面垂直，背水面坡度1：0.08，前趾长1.50 m，厚0.60 m，后趾长3.40～3.80 m，厚0.60 m，基础埋深1.70 m。挡土墙每隔15 m分缝，缝内采用遇水膨胀橡胶止水带止水，聚乙烯闭孔泡沫板填缝。

3.3 蓄水工程设计

3.3.1 蓄水工程的可行性

该段河道纵坡较缓，且比较顺直，适宜形成蓄水水面。在汛期做好橡胶坝的安全运行调度，不影响河道行洪，且经过治理后，减小了河床糙率，提高了河道泄洪能力，对两岸的防洪是有利的。另根据城市总体规划，工程区右岸拟建医院，左岸拟建学校一座。河道蓄水形成面积约14.40万m2的水面，可以改善周围环境，带动城市建设，促进核心区快速、协调发展，提升核心区整体水平。

3.3.2 蓄水工程规划

考虑河道纵坡、蓄水深度以及水面的连续性，结合周边景观和绿化美化，拟布置2座挡水建筑物进行蓄水，最大挡水高度4 m，挡水长度60 m。

3.3.3 蓄水建筑物比较

在进行河道蓄水建筑物设计时，不仅要考虑到建筑物的整体功能，同时还要考虑到建筑物与周围环境的融合性，从而选择合适的建筑物形式，满足河道行洪的同时，改善河道的生态功能和景观功能。

蓄水建筑物的设计主要根据河道的比降、蓄水深度、施工造价、施工工艺等方面确定，并且要与景观要求相符合。目前在河道蓄水建筑物中主要形式有：橡胶坝、钢坝闸、液压坝及气盾坝等。

3.3.3.1 橡胶坝

橡胶坝是利用水或者气体作为充坝的介质，从而形成挡水坝。所以，可以将橡胶坝分为充水坝和充气坝，2种坝型相比，充水坝的应用时间更长，造价相对也较低。橡胶坝的建成主要由土建部分、坝体主体及锚固件和充水（气）设备组成。橡胶坝在非汛期或者不需要挡水期可以进行水或气体的排放，恢复河道的正常运行，所以其可以建在蓄水河道上，也可以建在泄洪河道上。其坝高通常在1.50～6 m，单跨长约100 m，当然，对于大型工程来说，也可以进行适当加高。但是橡胶坝有很大的一个缺点，即其在使用期间很容易出现破损现象，所以在进行坝体管理时要防止尖锐物体接触坝体，防止造成漏水、漏气现象。橡胶坝的特点：造价较低，施工简单，施工期较短；工程主体为柔性结构，抗震性，抗冲刷性较强；其工程建设灵活方便，形态可以根据周围环境进行改变，适应性较强。

3.3.3.2 钢坝闸

钢坝闸是一种新颖、美观、实用的闸型，它在运用时升起闸门蓄水，放倒闸门行洪，可以适当调节开启角度控制水位，同时门顶可溢流过水，形成人工瀑布的景观效果，适合于闸孔较宽（1～60 m）而水位差比较小的工况（1～4 m）。钢坝闸的闸门固定在一根底轴上，端头用拐臂连接底轴与液压启闭机，通过液压启闭机驱动底轴的旋转，来实现闸门的启闭。闸门采用钢材焊接而成，经过特殊防腐处理，坚固耐用，运转件采用高强度复合材料，在水下实现自润滑。钢坝闸的底止水和侧止水始终完好贴合，因此止水效果好，又能阻挡杂物与泥沙的进入。钢坝闸的特点：自动化程度高，结构简单，管理方便，整体造价高；运行能耗低，维护成本小；不受漂浮物影响，控制更加准确，塌坝迅速，不影响防洪；闸门上部无建筑，景观效果好，节约了土建成本。

3.3.3.3 液压坝

液压坝是近几年来兴起的1种拦河景观坝，性价比高，寿命长，改善河道生态环境，适合于水面宽（30～500 m）和水头差大的工况（1～7 m）。液压坝由多扇单独控制的闸门组合而成，可以同时启闭，也可分别启闭，利用三角支撑原理，在每扇闸门背后设置两个液压启闭机，通过液压启闭机的伸缩带动闸门进行启闭，液压坝可配置不锈钢、碳钢、混凝土3种闸门，液压缸可采用单节或多节液压缸，活塞杆可采用镀铬或镀陶瓷工艺，并可配置自动化控制柜来实现自动和远程控制。液压坝的特点：①力学结构科学，坚固耐用，抗洪水能力强；②可调节闸门的角度来控制上游水位，形成瀑布景观；③投资较大，无上部结构，无中墩；④适用性强，跨度大，水头差大，景观效果好；⑤塌坝快速，闸门紧贴河床不阻水，不影响防洪安全。⑥可开启任意一扇闸门，冲砂效果好。

3.3.3.4 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，其兼具橡胶坝和钢闸门的优点，刚柔并济，该结构由美国0HI公司于20世纪90年代研制而成。其结构主要由盾板、充气气囊及控制系统等组成。利用充气气囊支撑盾板挡水，气囊排气后塌坝，气囊卧于盾板下，可避免河道砂石、冰凌等对坝袋的破坏，气囊内填充介质为气体，塌坝迅速。液压坝的特点：①结构简单，安装简易；②具有充分的安全性，钢制盾板充分保护橡胶坝袋，坝袋可提供具有充分的缓冲力，不惧怕大型漂浮物的突然冲击；③生态景观效效果好。坝顶溢流会形成瀑布，十分美观；④管理运营成本低，但造价较高，运行中不会发生卡挂，无需经常维护维修；⑤塌坝时盾板完全贴服于基础，不阻水；⑥抗震能力更强，盾板与基础之间是软连接，不会因基础变形造成系统失灵和丧失正常运行能力。

3.3.4 蓄水建筑物设计

本河道位于包头市，属于泄洪河道，河道宽60 m，河道较窄，蓄水高度较高，行洪流量较大。工程建设目的一是改善河道水环境，二是保证河道行洪安全。鉴于该工程实际情况，上述4种坝型从使用年限、安全性、工程投资等方面考虑，橡胶坝具有较大优势，确定采用橡胶坝蓄水方案。

3.3.4.1 使用寿命

一般来说，橡胶坝袋和气盾坝充气气囊每15-25 a更换一次，而钢坝闸和液压坝由于其材料为金属材料，所以使用年限一般可达30-50 a。

3.3.4.2 泄洪能力及安全性

四种坝型泄洪能力无明显弱势，橡胶坝和气盾坝塌坝时间较长，钢坝闸和液压坝为液压启闭，塌坝迅速，抗突发能力较强。

3.3.4.3 工程造价及施工

四种坝型的工程造价钢坝闸最高，液压坝和气盾坝适中，橡胶坝最低。橡胶坝发展较早，技术成熟，施工方便快捷较有一定优势。