覆蓋式液壓壩在河道生態(tài)整治工程中的應(yīng)用

◎ 陳佳 中鐵二十三局集團(tuán)第二工程有限公司

1.前言

隨著社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步，城市和鄉(xiāng)村現(xiàn)代化發(fā)展的步伐不斷加快，河道在原有的防洪、排澇、調(diào)蓄、灌溉等基本功能外，不斷被賦予美化環(huán)境、水體凈化、調(diào)節(jié)生態(tài)等新功能。水壩等重要的防洪、調(diào)蓄構(gòu)筑物被廣泛應(yīng)用，與土石壩、圬工壩、橡膠壩、翻板壩等傳統(tǒng)壩型相比較，覆蓋式液壓壩作為近年來(lái)新興的一種壩型，它不僅保留了其他傳統(tǒng)壩型的基本優(yōu)點(diǎn)，還克服了傳統(tǒng)壩型的許多不足。覆蓋式液壓壩在結(jié)構(gòu)方面更加科學(xué)合理，由多扇可以單獨(dú)控制的壩門組合實(shí)現(xiàn)全河道擋水，單扇啟閉、多扇啟閉和全河道啟閉相結(jié)合，擁有非常優(yōu)越的調(diào)洪、泄洪能力。由于覆蓋式液壓壩升降方便控制，不受泥沙、河流漂浮物等影響，使得河道維護(hù)工作更加便捷。

2.液壓壩的結(jié)構(gòu)原理

覆蓋式液壓壩壩體是由液壓泵站及管路、液壓油缸、支撐桿、弧形壩門、背部護(hù)板等結(jié)構(gòu)組成，采用自卸汽車翻斗的力學(xué)原理，不但具有良好的擋水功能，還具有非常優(yōu)越的調(diào)洪、泄水能力。壩體擋水結(jié)構(gòu)以弧形壩門的底部作為旋轉(zhuǎn)軸，采用液壓油缸直接支頂弧形壩門的背部，結(jié)合折疊支撐桿支撐活動(dòng)壩門構(gòu)成穩(wěn)定的支撐墩壩結(jié)構(gòu)形式，再以自卸汽車翻斗的力學(xué)原理，通過液壓泵站調(diào)節(jié)液壓缸內(nèi)油壓來(lái)實(shí)現(xiàn)弧形壩門的開啟和關(guān)閉，達(dá)到升壩擋水和降壩泄洪等功能。同時(shí)，覆蓋式液壓壩不僅可以通過單扇啟閉、多扇啟閉和全河道啟閉相結(jié)合，以應(yīng)對(duì)不同流量的調(diào)洪、泄洪要求；還可以通過角度傳感器來(lái)控制每扇弧形壩門的開啟角度，以實(shí)現(xiàn)不同高度的降壩效果，調(diào)節(jié)河道上游水位，達(dá)到精準(zhǔn)控制。

圖1 液壓壩蓄水漫流

3.液壓壩的特點(diǎn)

3.1 壩體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、易于施工

壩門即可采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，也可采用鋼結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)不同施工條件和工期安排。壩體結(jié)構(gòu)斷面較小，自重較輕，受地質(zhì)條件影響較小，基礎(chǔ)寬度只需要比壩門高度略寬即可。因此，覆蓋式液壓壩材料消耗量小，施工工藝簡(jiǎn)單，壩體對(duì)地基承載能力要求低，雖然液壓系統(tǒng)較為復(fù)雜，但總體建設(shè)成本較低，施工也較為便捷。

圖2 液壓壩降壩排水

3.2 水利條件優(yōu)越

覆蓋式液壓壩施工完成基本保持原河床，能夠?qū)崿F(xiàn)整河道升降壩條件，升壩擋水效果良好，降壩行洪條件優(yōu)越，能夠有效排泄上游堆積泥砂和漂浮物。相對(duì)于傳統(tǒng)水壩和橡膠壩來(lái)說(shuō)，液壓壩的過流能力更大，有效泄洪量也更大，同時(shí)可以通過調(diào)節(jié)壩高溢流和單扇啟閉壩門來(lái)控制上游水位和泄洪量。特別適用于傳統(tǒng)水壩和橡膠壩不宜建造的多樹、多砂、多石等條件復(fù)雜地區(qū)的河道。

3.3 施工簡(jiǎn)單、工期較短

覆蓋式液壓壩適應(yīng)大跨度河流，受地質(zhì)條件制約較小，減輕了地基處理的工作量，壩體自重較輕、圬工結(jié)構(gòu)較少，施工便捷。液壓泵站及管路、液壓油缸、支撐桿、弧形壩門、背部護(hù)板等金屬結(jié)構(gòu)均可以采用工廠化集中加工，有利于實(shí)現(xiàn)專業(yè)化、工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)，同時(shí)金屬結(jié)構(gòu)加工可以與防滲墻、壩基礎(chǔ)、邊墩和翼墻等結(jié)構(gòu)同步施工，有效的縮短了施工工期。

3.4 低水頭擋水、應(yīng)用廣泛

覆蓋式液壓壩屬于低水頭擋水構(gòu)筑物，既可以攔蓄水位，又可以單扇啟閉壩門形成流水通道，還可以通過調(diào)節(jié)壩門角度溢流形成人工瀑布。所以，覆蓋式液壓壩不但適用于水利調(diào)節(jié)、蓄水、行洪及農(nóng)田灌溉等基礎(chǔ)水利功能，還適用于河道景觀提升、船閘、漁業(yè)和水電站等工程建設(shè)，應(yīng)用非常廣泛[1]。

4.液壓壩在河道生態(tài)整治中的應(yīng)用

4.1 工程概況

西安市閻良區(qū)石川河生態(tài)整治工程位于西安市東北部，石川河是黃河支流渭河的支流，發(fā)源于陜西省銅川市耀州區(qū)，經(jīng)由銅川市耀州區(qū)，渭南市富平區(qū)，西安市閻良區(qū)、臨潼區(qū)匯入清河。本工程的主要內(nèi)容：河道疏挖工程、護(hù)岸及路基工程、液壓壩、生態(tài)濕地蓄水區(qū)、內(nèi)循環(huán)泵站等。Z2液壓壩位于河道中心線樁號(hào)Z5+710處，壩高3.0m，設(shè)36扇閘門，單扇閘門寬6m，總凈寬216m。Z3液壓壩位于河道中心線樁號(hào)Z7+000處，壩高4.0m，設(shè)20扇閘門，單扇閘門寬6m，總凈寬120m。

4.2 液壓壩結(jié)構(gòu)及布置

覆蓋式液壓壩主要由壩基礎(chǔ)、防滲墻、鋪蓋、消力池、海漫、邊墩、翼墻、弧形壩門、折疊支撐桿、背板、液壓?jiǎn)㈤]系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)組成。弧形壩門采用鋼結(jié)構(gòu)形式，壩門底部利用預(yù)埋螺栓與基礎(chǔ)固定連接，通過液壓泵站調(diào)節(jié)液壓油缸伸縮桿帶動(dòng)壩門以支座為旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)壩門開啟和關(guān)閉效果，達(dá)到升壩擋水、降壩排洪等基礎(chǔ)水利功能。覆蓋式液壓壩具體結(jié)構(gòu)布置見圖3和圖4。

圖3 液壓壩平面布置圖

圖4 液壓壩縱向剖面圖

Z 2 液壓壩壩高3m，總凈寬216m，主要結(jié)構(gòu)由上游鋪蓋，壩體段（包含防滲墻、壩基礎(chǔ)、弧形壩門等金屬結(jié)構(gòu)）、消力池、海漫段組成，順?biāo)鞣较蚩傞L(zhǎng)104.7m。壩體采用多扇弧形壩門板排列組成，每扇壩門兩側(cè)均安裝高強(qiáng)橡膠條用于壩門與壩門之間、壩門與邊墩不銹鋼止水板之間止水防滲，每扇弧形壩門尺寸均為3m×6m，共設(shè)36扇弧形壩門，壩門板采用Q235弧形面板，每扇弧形壩門背部均設(shè)置兩根折疊支撐桿、一塊折疊金屬背板、兩根液壓桿。壩基礎(chǔ)順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)度為10m，采用C30鋼筋混凝土筏板結(jié)構(gòu)，門前底板頂面與上游河床齊平，壩體段邊墩與邊聯(lián)段底板澆筑成整體。壩體段上游設(shè)有10m長(zhǎng)鋪蓋，鋪蓋采用C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，厚0.5m，下設(shè)10cm厚C15素混凝土墊層。下游消力池采用下挖式消力池并在末端設(shè)置消力坎，池深0.75m，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度15m。消力池段下游設(shè)40m長(zhǎng)海漫，采用0.5m厚格賓石籠柔性海漫，下設(shè)15cm粒徑小于4cm的礫石、15cm厚粗砂墊層及一層300g/m2土工布作為反濾層。海漫段后接防沖槽，槽頂寬5.7m，底寬2m，池深1m，內(nèi)填塊徑大于40cm的拋石。液壓泵站用電負(fù)荷為三級(jí)，電壓等級(jí)為低壓，電源來(lái)源為供電系統(tǒng)+發(fā)電機(jī)組兩種，控制方式為現(xiàn)場(chǎng)控制+遠(yuǎn)程控制接口[2]。

4.3 河道生態(tài)整治功能的實(shí)現(xiàn)

本工程采用較小的河道縱坡，利用既有河道地形整修景觀微地形，盡可能減少施工建設(shè)對(duì)沿線生態(tài)環(huán)境的破壞，通過覆蓋式液壓壩攔河蓄水，結(jié)合河道縱坡和景觀微地形形成上游生態(tài)系統(tǒng)。施工完成后的河道生態(tài)系統(tǒng)由表流濕地、淺水區(qū)、深水區(qū)三部分組成，根據(jù)河道縱坡、景觀微地形和覆蓋式液壓壩頂部高程相結(jié)合，人為將河道劃分為適宜各種水生植物、水生動(dòng)物和微生物的生存環(huán)境，通過表流濕地挺水植物、淺水區(qū)浮葉植物、深水區(qū)沉水植物和生態(tài)水草形成水生植物群落，暖季型和冷季型混種的種植模式，形成穩(wěn)定的“水下森林”凈水系統(tǒng)。結(jié)合水生動(dòng)物群落和復(fù)氧曝氣系統(tǒng)模擬自然水體的水生態(tài)系統(tǒng)組成，構(gòu)建由水生植物（生產(chǎn)者）—水生動(dòng)物（消費(fèi)者）—微生物（分解者）組成的水生態(tài)系統(tǒng)，利用物質(zhì)及能量的轉(zhuǎn)換，以及后期人工對(duì)水生植物的維護(hù)控制，實(shí)現(xiàn)水體的凈化。

5.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，覆蓋式液壓壩是一種較先進(jìn)的新興壩型，屬于水利技術(shù)比較簡(jiǎn)易的活動(dòng)壩技術(shù)。其力學(xué)原理簡(jiǎn)單，啟閉控制便捷，不受泥砂淤積和漂浮物等河道等常見問題影響，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)全河道啟閉泄洪，還能夠調(diào)節(jié)開啟角度在損失極小水量的情況下排泄上游漂浮物，從而達(dá)到清潔水面的效果。液壓壩采用非常成熟的自卸汽車翻斗力學(xué)原理，抗洪水沖擊能力強(qiáng)、降壩速度快，即克服了傳統(tǒng)活動(dòng)壩的缺點(diǎn)，又具有傳統(tǒng)壩型的所有優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用在河道生態(tài)整治、景觀提升、農(nóng)田灌溉、漁業(yè)、海水擋潮、船閘和水電站等工程建設(shè)中。