氣盾壩在城市景觀水系建設中的應用

張紀智

（廣西水利電力勘測設計研究院有限責任公司，南寧 530023）

1 工程概況[1]

欽江是靈山縣最主要的河流，靈山縣城區上游約18.2 km處的欽江干流建有一座具有多年調節功能的大（2）型水庫——靈東水庫，經過靈東水庫調節，上游河道在年內多數時間來水流量偏小，幾近干涸，無法滿足國務院于2015 年發布的《水污染防治行動計劃》（即“水十條”）對河湖枯水期生態基流的保障要求，河道兩岸排水（排污）涵洞口分布較多，枯水期造成河道水質差，急需采取整治措施，避免黑臭水體的產生，維護河道生態環境。根據靈山縣《靈山縣縣城綠地系統專項規劃及綠線劃定規劃（2013—2030 年）》，欽江兩岸規劃為“欽江帶狀公園”，欽江靈山縣城區段“一江兩岸”綠化帶，是打造城市水生態景觀系統的規劃內容之一。根據規劃以及欽江靈山縣城區河段現狀枯水期流量小、水位低、人水疏離的現狀，通過在城區下游河段新建威龍壅水壩抬高水面，達到改善城區河段水環境和水景觀、打造“一江兩岸”綠化帶的目的。

靈山縣城區河段兩岸均規劃建設有防洪堤，設計洪水標準為20 a一遇，新建的壅水景觀壩運行需在保證河道行洪安全前提下，進一步滿足景觀壅水的需求。根據工程任務要求，確定威龍壅水壩的運行方式為：非汛期維持正常蓄水位52.5 m 控制運行；汛期，當上游城區水位站水位低于54.60 m（來水流量小于500 m3/s）時，威龍氣盾壩維持正常蓄水位52.5 m控制運行；上游城區水位站水位超過54.60 m（來水流量超過500 m3/s）時，威龍氣盾壩坍壩運行，基本恢復現狀河道。威龍氣盾壩正常運行時水位為52.5 m時，相應庫容為221萬m3，坍壩運行校核水位相應總庫容為298.7 萬m3。根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL 252-2017），威龍氣盾壅水壩屬小（1）型水庫，工程等別為Ⅳ等。

2 壩址區地質條件[1]

壩址兩岸均為一級階地沖積平原的地形地貌，地勢較為平緩。兩岸一級階地臺地高程一般為48～53 m，主要為農田。河床高程一般為45.2～46.8 m，河岸兩側河漫灘發育，地勢較為平緩，河漫灘高程約為46.8～48 m。河床中覆蓋層厚度1.0～1.8 m，上層為近代河流沖積層第二層（Q4al2-2），砂質黏土，棕黑色，濕～稍濕，可塑狀，層厚1.0～2.5 m，主要分布于欽江兩側河漫灘等位置。下層為近代河流沖積層第一層（Q4al2-1），中粗砂，含有少量礫石，雜色，濕～飽和，松散狀，層厚0.5～4.0 m不等，磨圓度較好，主要成分為石英和白云巖等，主要分布于河漫灘及河床內。壩基石巖為白云巖，巖體物理力學性質較好，弱風化，是工程區主要的下伏基巖。根據區域地質條件，工程區內泥盆系中統郁江組上段（D2y2）總體為N59°E，NW∠40°。壩址區無區域斷裂和較大的斷裂通過，工程區內節理裂隙較為發育。基巖稍有起伏，局部發育有少許溶蝕空隙。5 Lu線下限埋深超過10 m。工程區內主要的不良現象表現為巖溶現象，遇有小型溶洞，溶洞內部由泥質填充，綜合判定為巖溶弱發育。

3 壩型比選方案布置及其特性

壩線處現狀天然河道較為開闊，河道坡降較為平緩，前后河道較為順直。威龍壅水壩建設任務是在滿足河道行洪安全的前提下，壅高壩址至海巖壩之間河段的水位。如采用混凝土壩、常規閘壩作為代表壩型，則最大壩高將達到9.5 m，水閘還需修建較多的閘墩，對汛期行洪造成較大影響。且壩址兩岸已經批復有防洪堤，壅水壩在布置上也受到較大影響。混凝土壩、常規閘壩等汛期無法恢復原河道行洪斷面的壩型，難以滿足汛期行洪要求，因此不考慮修建混凝土壩、常規閘壩。為了與上游一級壅水壩的水面形成階梯銜接，形成較好的水景觀，同時又不影響河道行洪能力，考慮選用汛期能迅速恢復河道行洪斷面的閘壩型式。可滿足要求的閘壩型式主要由鋼板壩、橡膠壩、氣盾壩，對此3 種壩型進行比選。

3.1 氣盾壩布置方案

氣盾壩方案由1孔氣盾壩組成，中間不設閘墩，壅水高度為5.5 m，全長142.6 m，其中閘室段溢流前沿凈寬95.0 m，正常蓄水位52.5 m，建基面高程43.5 m，閘底板頂高程為47.0 m，兩岸管理維護平臺高程為53.5 m。閘室上游側設有懸掛式灌漿帷幕，以解決壩基滲透穩定劑閘室穩定問題。閘室下游側設有消力池，寬度與閘室段相同，消力池下游設置海漫與下游河道銜接。左岸布置2 根DN1600 預埋鋼管，用于運行期間的檢修臨時導流。氣動盾形閘門系統（氣盾壩）是由鋼閘門、氣袋、埋件、空壓系統和閘門控制系統組成，是利用空氣壓縮原理，通過氣袋的充氣與排氣，使閘門升起和倒伏，維持特定的水位高度，并可在設計水位內實現任意水位高度的調節。氣盾壩可完全倒伏在河底，無水位落差，不影響水生物的上下通過，可以保持河道及生態連續性，有效維護生態環境。整套氣動閘系統是由若干模塊化的鋼閘門及氣袋組合而成，攔河寬度不受限制，且中間不需要閘墩，泄水面幾乎與河道寬度一致，可實現大面積高效率泄水。可應用于城市河流或人工湖，穩定的水位為人們提供了休閑娛樂場所，而溢流時形成的瀑布景觀更為城市增添了一道優美的風景。不需要啟閉機械設備，土建只需建設簡單的基礎，成本低。氣袋支撐的鋼閘門可以完全保護氣袋本身，避免被浮木、石礫、冰塊等雜物的損傷，使用壽命較長。主要缺點在于進行大檢修時，需在人工圍堰保護下進行，活動調節壩一般均存在這一問題，主要通過設置導流排水管、選擇枯水期檢修等措施加以解決。

3.2 橡膠壩布置方案

橡膠壩布置方案亦采用單孔布置，除閘室上部擋水建筑物以外，其主要結構布置均與氣盾壩一致。橡膠壩由錨固在基礎底座上的高強度合成纖維織物壩袋做受力骨架，運行時向壩袋內充氣或充水，形成相對穩定的類似于壩體的擋水膨脹體。其運行方式簡單，汛期不影響河道泄洪，施工方便，結構簡單，運用案例較多，造價相對較低。其主要技術特點與氣盾壩類似，但橡膠壅水壩袋缺少鋼面板保護，漂浮物較多的河流上應用其使用壽命可能會受到一定影響。根據調查，目前國內已建橡膠壩最大壩高達5.0 m，日本有6.0 m的橡膠壩案例，壅水高度可基本滿足項目要求。橡膠壩具有可根據需要充排水（氣）調節壩高的特點，可以滿足本工程枯水期蓄水、汛期恢復河道行洪的要求。根據工程經驗，橡膠壩單跨長度可達100 m，不需設置中墩，兩側設置邊墩。由于橡膠壩充泄水時間較長，需要緊急充泄水的情況下可能不能較好滿足運行要求。壩袋直接擋水且缺少必要的防護，頻繁充泄水時壩袋橡膠存在老化問題，壩袋容易被河道漂浮物破壞。

3.3 液壓鋼板壩布置方案

鋼板壩方案采用4孔布置，單孔寬度25.0 m，設有2 個邊墩3 個中墩。鋼板壩壅水高度為5.5 m，全長142.6 m，其中閘室段長101.0 m，溢流凈寬95.0 m，正常蓄水位52.5 m，建基面高程43.5 m，閘底板頂高程為47.0 m，兩岸管理維護平臺高程為53.5 m。鋼板壩方案的門葉采用豎向懸臂梁結構，門葉由底軸旋轉直接驅動，閘門的開啟操作由布置在兩側閘墩機房內的液壓啟閉機通過固定于底軸端部的拐臂驅動閘門。根據鋼板壩運行的特性，鋼板壩擋水高度一般不超過5 m，對于高度達到5 m以上的鋼板壩，國內尚未有設計先例。根據經驗，對高度達到4.5 m以上的鋼板壩，孔口寬度不宜超過25 m，超過時一般需要增設中墩，以減少單孔孔口寬度，確保鋼板壩安全運行。

鋼板壩升降調節水位需繞底軸轉動，對地基沉降較為敏感，液壓桿易折彎移位卡阻，同步升降控制有一定難度，運行年限增加后底部容易產生漏水現象；面板升降受液壓缸、底軸、液壓泵站等機械結構及裝置控制，控制結構相較其它活動壩型較為復雜，可靠度受到一定影響。對于高度達到5 m 以上的鋼板壩，國內尚未有設計先例，使用需進行一定的論證。

4 壩型比選

4.1 地形地質條件比較

根據地質勘察，擬建壩址基巖條件較好，主要為泥盆系中統郁江組上段（D2y2）弱風化白云巖，其飽和抗壓強度平均值為19.7 MPa，屬于較軟巖。巖層傾角以40°～50°為主，抗滑穩定性條件較好；有發生壩基滲漏和繞壩滲漏的可能，對局部進行防滲處理后可滿足防滲要求；消能區內的覆蓋層抗沖刷能力弱，易受沖刷破壞，可采取一定抗沖刷措施。由于本工程壅水水頭不高，采取一定工程措施后，均能較好滿足各壩型布置方案對地質條件的要求。

4.2 壩型適應性比較

最大壅水高度為5.5 m，如采用鋼板壩，根據其自身技術特點，對于高度達到5.0 m以上的鋼板壩，國內尚未有設計先例，需進行一定的論證。鋼板壩由于使用了液壓系統及支撐桿件，安裝較為復雜。本工程擋水水頭較高，雖然鋼板壩技術總體而言較為成熟，但擋水水頭一般不超過5.0 m，因此，相對本工程需要的擋水高度而言，技術成熟度相對一般。根據橡膠壩自身技術特性，其壩袋易被尖銳漂浮物損傷，本工程欽江河道汛期時有一定的漂浮物，適應性存在一定缺陷；充排時間長，不能滿足汛期快速坍壩的要求，存在運行管理不當的風險，管理要求高；其最大壩高可達5.0 m，5.0 m以上國內無建成案例，因此相對本工程需要的擋水高度而言，技術成熟度相對一般。氣盾壩汛期能快速恢復河道行洪斷面，擋水高度和運行狀態持續可控，單孔跨度大，可不在河床設置中墩，鋼面板支撐在獨立的橡膠氣袋上，可以允許漂浮物通過，使用壽命較長，且氣盾壩景觀效果佳，壩頂溢流會形成瀑布，較好地滿足了項目任務要求。氣盾壩結構簡單，施工安裝較為快捷。氣盾壩國內已有6.0 m 高的案例，運行正常，技術成熟度相對較好。就本工程的壩型適應性而言，選擇氣盾壩較優。

4.3 建筑物布置比較

根據前述建筑物布置，液壓鋼板壩閘室寬度較大，由于受兩岸堤防及規劃道路影響，閘室寬度較大時布置及施工期臨時建筑物難度相應增加，建筑工程量也較大。因此就建筑物布置難度方面而言，橡膠壩和氣盾壩較優。

4.4 耐久性及運行維護比較

根據壩型技術特點及調查了解，橡膠壩的耐久性或使用壽命一般可達30 a以上，氣盾壩可達50 a，鋼板壩可達50 a 以上。耐久性及使用壽命方面鋼板壩及氣盾壩較優。

鋼板壩在運行方面總體而言較為簡單，在需要坍壩時鋼板壩由液壓控制，能夠做到快速坍壩，升壩也十分迅速，運行較為便捷。在維修養護方面，鋼板壩升降調節水位需繞底軸轉動，液壓桿易折彎移位卡阻，同步升降控制難度大，運行年限增加后底部漏水比較嚴重。動力源為液壓油，液壓油需要定期檢查更換，液壓系統運行受溫度影響，需定期檢查液位、液壓脂、密封性等，長期浸泡或外力撞擊等因素會導致液壓油滲漏，污染河水；檢修管理較為不便，維修養護成本較高。橡膠壩在運行管理方面也較為簡單，但坍壩時間一般在1 h以上，充壩時間則為2～3 h；在維修養護方面，如頻繁充坍壩或受外力破壞易造成橡膠老化，檢修管理較為不便。氣盾壩在運行方面也較為簡單，也可一定程度上實現自動控制，充坍壩較橡膠壩更為迅速，一般坍壩時間可控制在30 min 以內，充壩時間40 min 以內。在維修養護方面，氣囊受鋼板保護，壽命較長，維護頻次較橡膠壩低；但維護大修時也需要填筑臨時圍堰，檢修管理也存在較為不便的問題，但維修成本較鋼板壩低。綜合來看，運行便捷性及維修養護方面氣盾壩較優，鋼板壩其次，橡膠壩較差。

4.5 施工條件比較

施工布置方面無太大差異，導流方面各壩型均可采用分期導流，施工條件總體相近。由于布置上橡膠壩及氣盾壩結構較為簡單，設備安裝也相對容易，在枯水期施工工期緊張的條件下更具優勢。鋼板壩液壓桿及啟閉系統的安裝工作量較大，施工安裝較為復雜，工期相對較長。因此施工條件及施工工期方面橡膠壩及氣盾壩較優。

4.6 景觀協調性比較

液壓鋼板壩設有數個閘墩，不太美觀；橡膠壩水少時，下游有壩袋裸露的問題；氣盾壩由于泄水時下游形成瀑布狀水流，氣盾壩景觀效果較優。

4.7 工程投資比較

各壩型的主要工程量及投資見表1，由表1 可知，橡膠壩的工程投資最省，其次為氣盾壩，鋼板壩工程投資最高。

表1 各壩型主要工程量及投資比較表

綜合各因素分析成果，本工程推薦采用氣盾壩方案。

5 結語

城市河道一般有打造沿河景觀帶的需求，同時也必須以滿足城市防洪要求為前提。本文以欽江靈山縣壅水景觀壩為例，從地形地質條件、壩型適應性、建筑物布置、耐久性及運行維護、水景觀、施工、投資等方面進行壩型比選，推薦采用氣盾壩方案，滿足靈山縣城區打造“一江兩岸”綠化帶的城市規劃要求，充分發揮了工程的防洪效益、生態效益、社會效益。