梅河綜合治理工程攔蓄水建筑物壩型的比選

□李曉光（鄭州市水利建筑勘測設計院）

1 工程概況

梅河是貫穿鄭州航空港經濟綜合實驗區的重要河道，干流全長37.50 km，流域面積115.20 km2。其中梅河綜合治理工程先期實施自省道102至南水北調中線總干渠段，全長7.37 km，是鄭州航空港經濟綜合實驗區南部片區河道治理的先行者，具有積極的示范意義。

修建攔蓄水建筑物、攔蓄景觀水體是生態河道治理必不可少的工程措施。梅河綜合治理工程充分考慮河道長度、比降，水面面積，蓄水深度等多方面因素，并結合兩岸景觀規劃，最終確定沿河布置13座攔蓄水建筑物。本次梅河綜合治理工程，綜合考慮國內目前運用較為成熟的活動壩壩型及近年來發展起來的新型活動壩壩型，工程擬定以下4種方案進行比選：橡膠壩、水力自控翻板閘、鋼壩、液壓升降壩。

2 各種壩型的特點

2.1 橡膠壩

優點：緊貼河床不阻水，結構簡單、工藝成熟，壩體跨度大、自重輕、抗震性能好。

缺點：安全性、可靠性相對較差，使用壽命較短；壩袋易被漂浮物或尖銳物損壞；洪水期坍壩調度與蓄水難以協調，運行管理難度較大，需要提前了解上游洪水情況來決定壩袋充高與塌落；充水式橡膠壩冬季冰凍容易損壞壩袋，而充氣式橡膠壩不能調節壩高，不易控制下泄流量，容易水流集中引起河床局部沖刷，同時需配專人管理，冬天需破冰。

2.2 水力自控翻板壩

優點：能根據上游水位自動調節，造價低、結構簡單，施工期短，運行方便。

缺點：阻水相對嚴重，經受不住特大洪水的沖擊；易被漂浮物卡塞或上游淤積不能自動翻板；洪水過后，翻板門再關上時易被異物卡住，造成大量漏水。

2.3 鋼壩

鋼壩又稱底橫軸翻轉閘門，是一種新型可調控溢流壩，主要應用于城市防洪、河道整治、河流蓄水、泄洪、景觀水利工程。

優點：外觀簡單大方，水體可以長時間大流量的從壩頂溢流，瀑布景觀效果較好；結構簡單，操作方便，兩分鐘即可塌壩、立壩，緊急時可以手動操作；任意開啟角度都可機械鎖定；塌壩以后可平于河底，不影響行洪；可以實現先進的自動化控制和網絡控制；抵抗對洪水沖刷破壞性好，使用壽命長，耐久性好；可將人工噴泉、景觀夜景燈光、音響等設備集成在鋼壩構件中，景觀效果更加突出

缺點：造價相對較高。

2.4 液壓升降壩

液壓升降壩是一種新興的低水頭活動壩，采用一排液壓缸直頂以底部為軸的活動壩面的背部，實現升壩攔水、降壩行洪的目的；同時采用一排滑動支撐桿支撐活動壩面的背面，構成穩定的支撐墩壩。

優點：壩面采用鋼筋混凝土或金屬結構，基礎寬度只要求不高，同時液壓系統較為簡單，因此工程造價不高；力學結構科學，抗洪水沖擊的能力強；壩面放倒后，行洪、沖沙、排漂效果良好；可采用浮標開關控制，操作液壓系統，以達到無人值守；壩面高度可隨意調節。

缺點：對施工安裝技術要求較高。

3 壩型綜合比選

3.1 防洪與蓄水

梅河汛期與非汛期河道流量相差懸殊，因此為協調防洪與蓄水矛盾，要求攔蓄水建筑物在汛期能夠快速塌壩，汛后又能及時恢復擋水狀態。翻板閘、鋼壩和液壓升降壩通過工程設定可以滿足該要求，橡膠壩則需要收集上、下游水文資料經分析后再做決策，相應及操作時間相對長。

河道行洪時要求攔蓄水建筑物盡量少占河道斷面，相對而言翻板壩占用河道行洪斷面較多，因此翻板壩設計時一般對河道寬度有一定要求，而橡膠壩、鋼壩閘和液壓升降壩在行洪時均緊貼河床，基本不影響河道行洪。

由于河道行洪涉及到城市居民生命財產安全，因此在攔蓄水建筑物不能自行塌壩時，可以強行控制塌壩，橡膠壩、鋼壩和液壓升降壩均具備此條件。

3.2 淤積影響

4種壩型在洪水過后對淤積泥沙反應有所不同，泥沙淤積小且較為松散時，翻板壩可以正常回落，一旦淤積厚度較大或泥沙板結，通過回門縮小過流斷面不能沖開淤積，那么閘門就不能正常回門，將影響正常蓄水。橡膠壩一旦壩面淤積較厚，將對充水設備提出較高要求或者要求人工清理，否則壩袋不能正常升降。鋼壩和液壓升降壩則可以通過液壓裝置強行頂開壩面淤沙升壩，由于這兩種壩型設計時考慮了過水時升壩工況，因此頂開淤積對液壓裝置沒有特殊要求。

3.3 漂浮物的影響

汛期漂浮物（特別是樹枝）可能卡住翻板閘導致起翻或回落困難，又沒有強制起落設施，極有可能會對威脅到行洪安全；漂浮物尤其是是尖銳物可能刺穿或損傷橡膠壩壩袋。上述隱患對鋼壩和液壓升降壩均不存在，而且可以在損失極小水量前提下方便排污。

3.4 運行管理

鋼壩和液壓升降壩既可采用浮標開關控制，操作液壓系統，達到無人管理，根據洪水漲落，實現活動壩面的自動升降，管理方便；也可通過人工操作液壓系統，快速有效的控制壩的升降，可靠性高。橡膠壩則需要收集上、下游水文資料經分析后再決策升、塌壩，而且升、塌壩操作時間長，運行成本高。翻板壩根據上游水位自動調節，雖然管理運行方便，但是它易被漂浮物卡塞或上游泥砂淤積，這樣造成不能自動翻板而影響防洪安全，可靠性較差。

3.5 維護管理

鋼壩主要是機械啟閉系統維護保養，其保養費用較低，除管理人員的工資外，一年只需維護費用幾千元。而橡膠壩3-5年壩袋需進行全面檢查，使用8-10年需涂一層防老化層，最多運行15年則需要更換壩袋，運行管理費用高。液壓壩耐久性好，只要壩面結構和液壓系統正常維護，工程耐久性比橡膠壩要長，機械啟閉系統日常保養和運行管護費用較低，維護費同鋼壩相當，門板和啟閉裝置在正常維護保養情況下長時間無需更換，由于河道含沙量低，因此清淤量也不大。

3.6 工程投資

鋼壩方案投資最大，水力自控翻板壩、橡膠壩和液壓升降壩工程投資接近，相對較低。4種壩型方案主要工程量及投資（按壩長40m計算）比較見表1。

3.7 使用壽命

表1 4種壩型方案主要工程量及投資比較表

鋼壩使用壽命可達50-60年，液壓升降壩、翻板閘活動壩面均為鋼筋混凝土結構，其使用壽命在30-50年，而橡膠壩使用15-20年后需更換壩袋。

3.8 技術可靠性

近幾十年來，在城市景觀河道治理中，大量應用充水和充氣式橡膠壩，技術成熟，相關配套設備制造安裝經驗豐富，可靠性較高；鋼壩和液壓升降壩是近幾年發展起的新壩型，對機械裝置安裝精度要求較高，但結構簡單，維護管養方便，可靠性好，尤其適用于城市景觀河道；水利自控翻板壩出現較早，對安裝精度要求較高，由于非機械控制，因此可靠性一般，且不適宜排洪河道（上游洪水夾帶雜物易造成卡塞）。

3.9 美觀程度

作為低水頭擋水工程，上述4種壩型均具有較好的景觀效果，橡膠壩可采用彩色壩袋，調節單調的河道配色；液壓升降壩和鋼壩壩面可噴色彩、文字、圖案，上游水量較大時形成瀑布景觀和水簾長廊景觀,可供游人觀賞。在鋼壩基礎上進一步拓展，可將人工噴泉、景觀夜景燈光、音響等設備集成在鋼壩構件里而成，除具有鋼壩的優點外，景觀效果更加突出，整合成為專業的水景壩。

4 方案的確定

攔蓄水建筑物不僅要滿足河道傳統的防洪排澇要求，而且要與鄭州航空港經濟綜合實驗區總體規劃和定位相適應，體現城市特色和景觀面貌。景觀河道中攔蓄水建筑物的選型必須綜合考慮，選用即能保證結構安全可靠又能與周邊城市景觀有機結合的閘壩型式。

梅河綜合治理工程共布置13座攔蓄水建筑物。主力壩型采用造型美觀、運行可靠、技術領先、造價適中的液壓壩；兩處湖泊上游為便于靈活控制水位，以及從營造景觀亮點的角度考慮選用景觀鋼壩；河道最上游段對水位的靈活控制要求不高，亦不作為河道的景觀重點，因此選用相對經濟的橡膠壩。綜上所述，梅河綜合治理工程共沿河布置液壓升降壩10座、景觀鋼壩2座、橡膠壩1座。

5 結語

攔蓄水建筑物的方案比選在城市景觀河道設計中較為常見，鄭州航空港經濟綜合實驗區梅河綜合治理工程對橡膠壩、水力自控翻板閘、鋼壩、液壓升降壩4種壩型進行了綜合比選，最終確定采用以液壓升降壩為主、鋼壩和橡膠壩為輔的3種壩型設計方案。該方案通過了專家審查，也得到了業主方的滿意和認可，目前工程已進入實施階段。