皖北平原苗原河蓄水壩的選型分析

張 培 慎

(太和縣河道管理中心，安徽 太和 236600)

1 背景

苗原河地處皖北平原太和縣，在暖溫帶與北亞熱帶交接地帶，屬半濕潤季風性氣候，年平均氣溫14 ℃，全縣多年平均降水量860.7 mm(1959年—2008年)，年平均日照時數226 h，多年平均蒸發量1 618 mm；地勢平坦，由西北向東南微傾，受季風氣候影響，降雨年際和年內分布不均，是旱澇災害易發區。

近年來中小河流治理等工程的不斷實施，太和縣主要河道已得到較好的治理，但大溝河道仍存在一些問題。苗原河為西淝河支流，大中溝較多，經過多年運行，溝口沖刷淤積較嚴重，地表水資源分布不均衡，溝口蓄水節制工程偏少，部分節制工程帶病運行，不能有效攔蓄地表水，水資源利用率不高，缺水問題日益嚴重。

為了改善河道運行情況，增加河道蓄水，加強對水系的治理，全面提升城市發展環境和人居環境，建成水清岸綠、環境優美的風光帶。太和縣政府計劃在苗原河上建造一座蓄水壩。

2 工程選址及地質

2.1 工程選址

本次壩址的選擇主要遵循以下原則：

1)優先選用地質條件良好的天然地基，盡量避免將壩建在淤泥或粉細砂等不良地基上；

2)壩址選擇應考慮占地、拆遷因素，要盡量減少占地，減少拆遷賠償費用,軸線盡量與河道正交；

3)綜合考慮材料來源、對外交通、施工導流、場地布置、基坑排水、施工水電供應等條件，壩建成后工程管理維修和防汛搶險等條件；

4)減少基礎處理費用，節省工程投資。

本次工程的目的是為提高河道蓄水量，在綜合考慮以上原則及其他因素后，最終選定在苗原河謝莊段附近開建蓄水壩。

2.2 地質條件

參考壩址選定原則確定在謝莊附近開建蓄水壩，并對該選址的地質條件進行分析，依據鉆探、原位測試和室內土試資料，將場地內埋深20.00 m以淺地基土巖性自上而下共劃分3個工程地質層。①雜填土層，以粘性土為主，厚度約0.90 m～1.10 m。②粉質粘土層，厚度5.80 m～5.90 m。③粉細砂層，以長石、石英為主要成分，揭露最大層厚13.00 m。地基承載力基本容許值如表1所示。

表1 工程地質層地基承載力基本容許值(fa0)一覽表

總體來講，②粉質粘土層：工程性質較好，是基礎良好持力層及下臥層；③粉細砂層：厚度中等，工程性質一般，中等壓縮性，是基礎良好的下臥層；場地土類型為中軟場地土，建筑場地類別屬Ⅲ類；場地無活動斷裂通過，無軟弱土層及液化土層分布，地基土穩定性良好，為可進行建設一般場地；抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度值為0.05g(第一組)；勘察期間測得地下水位埋深2.50 m～2.60 m。

3 壩型選擇

在河道治理中常用的低水頭擋水建筑物有提升式平板閘、橡膠壩、混凝土滾水壩、合頁壩、氣盾鋼壩等傳統和新型閘壩；由于平板閘存在工程量大，景觀效果差，閘墩墻較多，阻水較大，橡膠壩壩袋容易被鋒利雜物刺破和老化，景觀性較差，使用壽命不長等問題，故不予考慮。本文通過對混凝土滾水壩、合頁壩、氣盾鋼壩三種壩型進行多因素對比，選出較適合該區域的蓄水壩。

河道底寬約為10 m，邊坡為1/2，河底高程為26.16 m，新建壩正常蓄水位為29.60 m，壩上消能水位為29.06 m，排澇水位為30.61 m。

3.1 合頁壩

合頁活動壩是一種新的水工概念，其技術結合了液壓“三鉸點變幅運動機構原理”和液壓翻板閘及液壓升降壩技術的優點并進行升級，獨有的無動力降壩及冰期無除冰蓄水技術均達到了國際領先水平，是一項全新的水利科技創新成果，適用于各種地質條件及水力工況條件的新型活動壩。廣泛應用在河道景觀、水生態文明及城鎮化建設項目中。其原理是采用液壓缸直推門體，使其繞底軸轉動，實現升壩擋水，降壩行洪的目的。

如圖1所示，若采用合頁壩為謝橋蓄水壩，整體景觀效果好，背部采用暗藏式支撐，重心較低，壩面整齊干凈，支撐機構對面板背水側的影響較低；閘體采用獨立式面板設計，面板間設置止水(止水間有2 cm～3 cm的接觸范圍)，該壩對于基礎沉降有較強的適應性，完全適應在此地建設；具有無動力降壩功能，升降速度快(可實現無電降壩)，使用中不受過流水體、漂浮物及沉積物等的影響，但使用壽命受液壓缸的影響，不過其密封件及油缸均可進行人工更換，維修效率高；只打開單面板時，可形成高速水流，沖沙效果明顯。

若采用擋水高度為4.5 m、橫跨苗原河的合頁壩，需要配備1臺液壓泵站等，并保證其電力供應等，一次升降壩的費用約為100元，一年完全升降操作按10次～15次算，加之其他設備基本維護維修及管理費用，該壩每年費用在5 000元左右，對預算較為充裕的工程較為適合。

3.2 氣盾鋼壩

20世紀90年代美國研發了一種新型水工擋、泄水建筑物—氣盾鋼壩，該壩結合了橡膠壩和鋼板壩兩者優點、克服了二者的不足，于1996年前后引入國內，該壩型被水利部認定為水利先進實用技術，至今在國內已建成并投入使用100多座。

其由盾板、氣囊、基礎錨固螺栓和氣動充排系統組成。其結構形式如圖2所示，工作原理為通過充排氣裝置調節氣囊的充氣程度，可精確控制閘門開度，在汛期可人為控制蓄水高度以滿足防洪要求；閘門全開時，門體全部倒臥在河底，在斷電情況下可完成坍壩，對行洪安全有保證。

如圖3所示，若采用氣盾鋼壩為謝橋蓄水壩，景觀效果稍弱，由于氣盾鋼壩背板受氣囊支撐限制，對背板形狀及光潔度要求較高，為保證氣盾鋼壩整體結構的安全性，上游側必須配置通過肋板，其要求為下寬上窄，正是由于其結構的特殊性，氣囊受到鋼盾板的保護，不懼怕漂浮物穿刺、劃傷，且氣囊與鋼盾板之間為一體式軟連接、無需潤滑油或其他連接件，但國內生產氣囊氣密性較國外技術仍有差距，其使用壽命有待市場驗證。

若采用與合頁壩相同規模的氣盾鋼壩，需配備2臺螺桿壓縮機，3臺風機，并保證更高功率的供電設施。一次升降壩的費用約為150元，一年完全升降操作按10次～15次算，加之其他設備基本維護維修及管理費用，該壩每年費用在7 000元左右，對預算較為充裕的工程較為適合。

3.3 滾水壩

滾水堰最初是應用于埃及Faiyum省，位于尼羅河西岸，該壩結構簡單，其主要作用為抬高上游水位、攔蓄泥砂。在我國清代就為主要的河工工程，現階段技術已非常成熟，主要原理是保持河道一定程度的水位，攔蓄部分河水，多余的水可以自由溢流向下游。如圖4所示，若本次壩型選用混凝土滾水壩，施工技術成熟，工期相對較短，運行維護費用低，使用壽命較長，壩體建成后，景觀效果較好，基本不用管理，攔水效果好，可以攔截上游河床中的泥沙，待沉積后定期清理，可以有效降低河道的泥沙含量。

3.4 比較分析

如表2所示，結合工程實際，對三種壩型不同因素進行了列表對比，主要包括景觀效果、行洪能力、排砂效果、施工難度、維護及維修費用、造價等。

表2 不同壩型對比表

通過上述比較，結合工程實際，認為本次工程建設對象為大溝河道，行洪能力要求不高，主要任務為增加河道蓄水，在造價、施工難度、維護及維修費用、景觀等方面綜合來講，合頁壩、氣盾鋼壩整體性能較好，但涉及新建液壓泵站、壓縮機及供電要求，運行維護費用較高等，增大工程經濟負擔，最終認為選用混凝土滾水壩較為經濟、實用，既能有效攔蓄部分來水，也能實現溝河道的天然流水。

由于滾水壩的設計關乎實際工程中應用效率和安全，因此，必須嚴格計算各環節的參數，確保數據準確、實際較優運行，保證水流平順流過壩面，避免產生振動和空蝕。

4 結語

通過現場勘察和地質分析，明確皖北平原苗原河謝莊段河勢穩定，地質條件良好，滿足建壩條件，經造價、維修維護、景觀等多因素對比，確定選擇滾水壩較為經濟、實用。為提高工程的安全性，保障壩在實際工程應用中的穩定、可靠運行，在施工過程中應嚴格按照工序保質保量進行。

謝莊滾水壩的建設增大了河流蓄水能力，同時也提高了區域涵養水源能力，抬升地下水位，緩解了地區水資源短缺的問題，全面提升了苗原河流域水資源保障能力。