氣盾壩在水環(huán)境整治提升工程中的應(yīng)用分析

陳星星

(江西省水投建設(shè)集團有限公司，江西 南昌 330000)

1 工程概況

會昌縣麻州鎮(zhèn)水環(huán)境整治提升工程位于會昌縣麻州鎮(zhèn)麻州村九子墓下游附近，是以保護湘水麻州鎮(zhèn)段的水生態(tài)環(huán)境為主，兼有改善城市環(huán)境，增加旅游景觀等綜合效益的水利樞紐工程，樞紐為河槽式無調(diào)節(jié)水庫。工程主要建設(shè)內(nèi)容為新建麻州攔河閘。攔河閘正常蓄水位為172.80 m，校核洪水位為175.47 m，相應(yīng)過閘流量為2389 m3/s，樞紐建筑物主要由混凝土溢流壩、左右岸擋墻及啟閉設(shè)備控制房等組成。

2 方案比選與工程總體布置

2.1 閘址選擇

根據(jù)會昌縣麻州鎮(zhèn)規(guī)劃，在會昌縣麻州鎮(zhèn)打造休閑區(qū)，要求具有足夠?qū)挼乃孀鳛樾蓍e景觀。結(jié)合規(guī)劃內(nèi)容，根據(jù)河道現(xiàn)狀、水景觀要求及村莊房屋分布情況綜合考慮，攔河閘需建設(shè)在麻州鎮(zhèn)麻州村九子墓下游附近湘水段。

對河墩村附近地形地質(zhì)情況進行充分調(diào)查勘探，初步選定了攔河閘位置，通過比較閘址區(qū)地質(zhì)情況，選定了攔河閘的壩線。

2.2 攔河閘布置

根據(jù)地形條件及地質(zhì)鉆孔條件，在選定的閘址處初選了2條閘線，對其進行了樞紐布置。

上、下閘線距離約80 m，其地形地貌基本相同，均處于湘水中下游，兩岸地形不對稱，河谷開闊，河谷呈“U”字型。右岸為一山坡，左岸為湘水Ⅰ級階地，階面平坦開闊；壩線區(qū)未見其他，近壩庫岸基本穩(wěn)定；壩線區(qū)出露的地層主要有第四系沖積層及白堊系上統(tǒng)周田群碎屑沉積巖，巖性為粉砂巖，上壩線基巖深度比下壩線淺。

2.2.1 上壩線攔河閘布置

攔河閘沿垂直水流方向總長143 m，由左右岸邊墻、溢流堰、管理房等組成。

混凝土溢流壩位于河床中部主河道上。為不影響行洪，溢流寬度按現(xiàn)有河床寬度確定。混凝土溢流壩布置在河床中部,下游設(shè)消力池，左右側(cè)與護岸擋墻相接，左側(cè)設(shè)啟閉控制閘室、刺墻與護岸擋墻相結(jié)合，右側(cè)護岸擋墻直接與山體相接。左岸啟閉控制閘室運行層以上布置控制管理房。

溢流堰采用寬頂堰，順水流方向長15 m，堰頂高程169.50 m，壩頂高程176.50 m，正常蓄水位為172.80 m，擋水高度3.3 m，壩長140 m。閘底板采用C25鋼筋混凝土。溢流堰凈寬135 m，擬設(shè)27扇盾形閘門，閘門擋水高度3.3 m。溢流堰采用C25鋼筋混凝土現(xiàn)澆。溢流堰基礎(chǔ)坐落在基巖上，堰底高程為169.50 m。

溢流堰下游設(shè)消力池，消力池底板高程為167.50 m，底板厚0.8 m,池長10.0 m，池深1.2 m，消力池采用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。在消力池出口布設(shè)海漫，海漫采用干砌石砌筑，長10.0 m,寬140.0 m，厚500 mm，海漫頂高程為168.70 m。

溢流堰兩側(cè)新建C25混凝土衡重式擋墻，兩邊均長35.0 m，墻后回填黏土，擋墻基礎(chǔ)坐落在強風化基巖上。

上游左、右岸護岸均采用C15混凝土衡重式擋墻，墻后回填開挖料，擋墻基礎(chǔ)坐落在強風化基巖上。上游左岸護岸長19.0 m，右岸護岸長20.0 m。

2.2.2 下壩線攔河閘布置

攔河閘沿垂直水流方向總長173 m，由左右岸邊墻、溢流堰、管理房等組成，總體布置 上壩線。

溢流堰采用寬頂堰順水流方向長15 m，堰頂高程169.50 m，壩頂高程176.30 m，正常蓄水位為172.80 m，擋水高度3.3 m，壩長170 m。閘底板采用C25鋼筋混凝土。溢流堰凈寬165 m，擬設(shè)33扇盾形閘門，閘門擋水高度3.3 m。溢流堰采用C25鋼筋混凝土現(xiàn)澆。溢流堰基礎(chǔ)坐落在基巖上，堰底高程為169.50 m。

溢流堰下游設(shè)消力池，消力池底板高程為165.20 m，底板厚1.0 m,池長10.0 m，池深1.9 m，消力池采用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。在消力池出口布設(shè)海漫，海漫采用干砌石砌筑，長10.0 m,寬170.00 m，厚500 mm，海漫頂高程為167.10 m。

溢流堰兩側(cè)新建C25混凝土衡重式擋墻，兩邊均長35.00 m，墻后回填黏土，擋墻基礎(chǔ)坐落在強風化基巖上。

上游左、右岸護岸均采用C15混凝土衡重式擋墻，墻后回填開挖料，擋墻基礎(chǔ)坐落在強風化基巖上。上游左岸護岸長31.0 m，右岸護岸長43.0 m。

2.3 壩線比較及選擇

根據(jù)上、下壩線的布置方案，現(xiàn)對兩方案主要工程量及其投資進行比較如表1。

表1 上、下壩線方案主要工程量及投資比較

根據(jù)地形情況來看，兩條壩線地形地貌及物理地質(zhì)現(xiàn)象大體相同。

從地質(zhì)情況來看，上、下壩線地層巖性基本相同，均能滿足建壩要求；從上、下壩線左、右岸可利用基巖面情況來看，上壩線可利用基巖面比下壩線更高，下壩線覆蓋層厚度較厚，開挖量較大。因此總體地質(zhì)情況上壩線比下壩線更優(yōu)。

從主要工程投資方面看，上壩線投資比下壩線投資少1080.65萬元，因此選擇上壩線在經(jīng)濟上比下壩線更優(yōu)。

從交通方面比較，上、下壩線上壩公路相距不遠，都滿足施工要求。

從施工布置方面看，上、下壩線上游地形均較開闊，有利于大型機械化施工，加快施工進度，節(jié)省工程投資。

綜合各種方面比較上壩線比下壩線優(yōu)，因此本階段選擇上壩線作為攔河閘壩壩線。

2.4 閘型選擇

根據(jù)本工程的具體情況,河床寬度140 m左右，左岸為農(nóng)田，右岸為山體，為不影響行洪要求，攔河閘的布置盡量不占用原有河道。閘址河道較平直，河床寬度變化較小，河床底高程一般為169.2～168.3 m，河床段上部主要為粗砂層，下部主要為圓礫層，承載力低，滲透性強。閘址不能滿足低壩承載力的要求，因此溢流壩段壩基坐落于強風化基巖上，采用混凝土閘壩型式。

攔河閘庫區(qū)段左、右岸防洪高度均可滿足防洪要求，本工程的建設(shè)不能影響防洪。從防洪考慮，攔河閘應(yīng)具有足夠的泄水能力，溢流壩的布置應(yīng)盡量不抬高設(shè)計洪水；從水生態(tài)、環(huán)境角度考慮，攔河閘需具備較強的水體污染物排漂能力。可供本工程選擇的壩型有平面直升鋼閘門、液壓翻板壩、氣動盾形閘門和鋼壩閘等。由于本工程河道較寬，如采用平面直升鋼閘門，則需在河道中間設(shè)置多個中墩，中墩寬度約1.2～1.5 m，如此將大大減小河道過流斷面，影響汛期行洪，平面直升鋼閘門不適合應(yīng)用于本工程；本工程所在湘水為山區(qū)性河道，河道坡降較陡，水體流速較大，河道兩岸多為農(nóng)田、樹木，致使河道水體內(nèi)常有樹枝、雜草等各種雜物、垃圾，水體內(nèi)的各種雜物等極易卡住翻板壩，影響翻板壩的安全運行，亦影響河道景觀性，因此，液壓翻板壩也不適合應(yīng)用于本工程；由于本工程設(shè)計水頭為3.3 m，實際最大運行水頭為3.8 m，水頭較高，河床寬度為140 m，鋼壩閘亦不適合應(yīng)用于本工程。因此，設(shè)計擬對液壓升降壩、氣動盾形閘門兩種壩型進行比較。

2.4.1 方案擬定

方案一：液壓升降壩。 溢流壩設(shè)置3孔液壓升降壩，每孔為45 m。壩體中墩厚2.5 m，邊墩厚1.5 m，壩頂全長140 mm，呈“一”字形布置。溢流壩順水流方向依次為：溢流壩段、消能段、出口海漫，總長35.0 m，溢流壩堰頂高程169.50 m,堰頂上布置的升降壩面高程為172.80 m，升降壩面高3.3 m。

方案二：氣動盾形閘門。 氣動盾形閘門系統(tǒng)主要由鋼閘門、氣袋、埋件、空壓系統(tǒng)和閘門控制系統(tǒng)組成。工程設(shè)置3孔氣動盾形閘門，每孔為45 m。壩體中墩厚2.5 m，邊墩厚1.5 m，壩頂全長140 m，呈“一”字形布置。溢流壩順水流方向依次為：溢流壩段、消能段、出口海漫，總長35.0 m，溢流壩堰頂高程169.50 m,堰頂上布置的氣動盾形閘門壩面高程為172.80 m，氣動盾形閘門高3.3 m。

2.4.2 方案比較

攔河閘工程布置在麻州鎮(zhèn)圩鎮(zhèn)附近，設(shè)計擬從城市景觀、技術(shù)及經(jīng)濟等方面進行方案比較。

(1)景觀、技術(shù)方面。 液壓升降壩是一種新型壩型，具有結(jié)構(gòu)堅固等優(yōu)點。壩體可平行河床放倒，不存在阻水現(xiàn)象，不影響河道行洪；排除上游水面漂浮物的能力特別強；當上游來水流量大，水位漫過壩頂，可形成景觀瀑布和水簾長廊。液壓升降壩兼具橡膠壩和翻板壩的優(yōu)點，可以緊貼河床平行放倒，任意控制水位。根據(jù)已建工程運行情況來看，仍存在諸多不足，液壓設(shè)備沒有鎖定裝置，液壓設(shè)備長時間工作存在漏油現(xiàn)象，造成后期運行費用及運行管理難度增加；橡膠止水帶容易老化，存在漏水現(xiàn)象，需頻繁更換；布置的閘門扇數(shù)較多，運行管理應(yīng)嚴格按操作規(guī)程，要求管理人員素質(zhì)較高。 氣動盾形閘門是兼具傳統(tǒng)平板鋼閘門和橡膠壩優(yōu)點的一種新型閘壩[1]。氣動盾形閘門主要由鋼閘門、氣袋、空氣壓縮系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。閘門的升起和倒伏僅由氣袋的充氣和排氣即可完成。可任意控制水位，調(diào)節(jié)水位較靈活。氣動盾形閘門可完全平行河床倒伏，不影響行洪，過流能力較強，即使在斷電的情況下，亦可通過手動進行氣袋排氣，使氣盾壩完全倒伏進行緊急泄洪；氣盾壩結(jié)構(gòu)簡單，安裝快捷，后期運營、維修費用低，操作簡單方便。根據(jù)已建工程運行情況來看，運行情況較好。

(2)閘壩形式比較。 從投資方面比較，液壓升降壩、氣動盾形閘門兩種方案土建工程投資相差不大，主要為設(shè)備投資，根據(jù)廠家提供報價，液壓升降壩設(shè)備投資為961萬元，氣動盾形閘門設(shè)備投資為1419萬元，氣動盾形閘門比液壓升降壩投資多458萬元。 從施工角度比較，兩種壩型土建施工相差不大，設(shè)備安裝由廠家專門派技術(shù)人員現(xiàn)場指導，兩種壩型均施工技術(shù)均相對簡單可行。 從后期運行管理角度比較，氣盾壩維修費用低，運行簡單方便，既可自動控制，又可手動操作[2]。 經(jīng)各方面綜合比較考慮，擬采用氣動盾形閘門方案。

2.5 主要建筑物布置

根據(jù)閘址的地形地質(zhì)條件，并結(jié)合各建筑物的具體要求，攔河閘軸線垂直水流方向布置。混凝土溢流壩布置在河床中部，下游設(shè)消力池，左右側(cè)與護岸擋墻相接，左側(cè)設(shè)啟閉控制閘室、刺墻與護岸擋墻相結(jié)合，右側(cè)護岸擋墻直接與山體相接。左岸啟閉控制閘室運行層以上布置控制管理房。

(1)混凝土溢流壩結(jié)構(gòu)布置。 混凝土溢流壩位于河床中部主河道上。河床的寬度約140 m，左岸為生態(tài)護坡，右岸為山體，溢流壩寬度按現(xiàn)有河床寬度確定為140 m。混凝土溢流壩布置在河床中部，下游設(shè)消力池，左右側(cè)與護岸擋墻相接，左側(cè)設(shè)啟閉控制閘室、刺墻與護岸擋墻相結(jié)合，右側(cè)護岸擋墻直接與山體相接。左岸啟閉控制閘室運行層以上布置控制管理房。

溢流堰采用寬頂堰順水流方向長15.0 m，堰頂高程169.50 m，氣盾壩頂高程172.80 m(正常蓄水位)，擋水高度3.3 m，壩長140 m。閘底板采用C25鋼筋混凝土，底板厚4 m。閘底板共分8塊施工，順水流方向長15.0 m，順水流向設(shè)置伸縮縫，分塊寬度為17.5 m，結(jié)構(gòu)分縫之間設(shè)橡膠止水帶[3]。攔河閘底板面層預留安裝埋件，待埋件安裝完畢后，再回填二期混凝土。攔河閘閘門及氣囊充排設(shè)備由廠家制作、運輸、安裝。

溢流堰上擬布置27扇盾形閘門，凈寬135 m，閘門擋水高度3.30 m。溢流堰采用C25鋼筋混凝土現(xiàn)澆。

(2)溢流壩下游消能防沖布置。 本工程的消能防沖標準為20年一遇洪水,最大下泄流量為1940 m3/s。溢流壩采用底流式消能設(shè)施。消力池底板高程為167.50 m，底板厚0.8 m,池長10.0 m，池深1.2 m。消力池底板前后設(shè)置齒槽，齒槽底高程165.70 m，齒槽底寬1.0 m，消力池采用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。消力池底板設(shè)φ50排水管，排水管間、排距均為1.5 m，呈梅花形布置[4]。消力池邊墻采用C25擋墻，消力池邊墻與下游護岸相接。消力池河床為粗砂和圓礫層覆蓋，抗沖刷能力較差，在消力池出口布設(shè)海漫，海漫采用干砌石砌筑，長10 m,寬140 m，厚500 mm，海漫頂高程為168.70 m。

3 工程計算

3.1 泄洪能力計算

溢流堰泄流能力按平底閘堰流計算不同水位下泄流量計算結(jié)果見表2。

表2 麻州鎮(zhèn)攔河閘泄洪能力計算成果

3.2 壩頂高程計算

攔河閘壩頂高程計算結(jié)果見表3。

表3 麻州鎮(zhèn)攔河閘壩頂高程計算成果 m

3.3 溢流壩穩(wěn)定和基底應(yīng)力分析

根據(jù)樞紐布置特點和各剖面設(shè)計，選擇典型剖面進行大壩穩(wěn)定和壩基面應(yīng)力分析，即溢流堰段(取單寬計)；溢流壩段以強或弱風化基巖為基礎(chǔ)持力層。攔河閘溢流壩抗滑穩(wěn)定及應(yīng)力計算成果見表4。

表4 麻州鎮(zhèn)攔河閘溢流壩穩(wěn)定應(yīng)力計算成果

計算成果表明，溢流壩穩(wěn)定、應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

4 結(jié) 語

文章對壩址選擇、壩線以及壩型的方案比選均進行了詳細的闡述，從壩址地質(zhì)情況、工程投資、交通、施工布置等角度綜合考慮，確定上壩線方案優(yōu)于下壩線方案；從投資、施工技術(shù)、后期運營管理等方面綜合比較，氣盾壩優(yōu)于液壓升降壩，確定攔河閘閘壩型式采用氣動盾型閘門方案。

工程壩址處河道寬度較寬，氣動盾型閘門適合應(yīng)用于大跨度河道攔水工程，本工程實施后，將調(diào)活河道水體，增加水面寬度，保證動植物有足夠的空間繁殖生存，從而達到綠化環(huán)境，提升水質(zhì)，提升沿河居民生活質(zhì)量和居住環(huán)境的目的。文章對類似工程具有參考借鑒價值，對氣盾壩的推廣和應(yīng)用具有非常深遠的意義。